对“探究光的反射定律”实验的质疑和教学建议

刘炳昇

(南京师范大学物理科学与技术学院，江苏 南京 210046)

光的反射定律是初中光学的基本内容之一，课程标准的要求为：通过实验，探究并了解光的反射定律。传统的实验用如图1所示的装置探究反射光线与入射光线和法线的关系、反射角与入射角的关系。在实验中，让入射光在A屏上显示出传播的路径，再使B屏绕法线向后折转，可见只有当B屏和A屏在同一平面时，反射光的路径才能显示出来，由此说明反射光线、入射光线和法线在同一平面内。

图1

1 质疑

对于上述探究过程，从逻辑上分析可能存在的问题。在空气中，入射光线和反射光线应当是通过入射点的两条直线。根据几何原理，相交的两条直线必然在一个平面内，也就是入射光线和反射光线必然在一个平面内。按此推理，入射光线与反射光线不可能在两个不同的平面内，因此将B屏向后折转是没有必要的。再者，既然选择了A平面为入射光所在的平面，即选择入射光线与法线所在的平面，这个平面应当是二维无限拓展的，所以必然会在这个平面内呈现出反射光的路径，因此，折转B屏也是没有必要的。

探究光的反射定律就是要找寻入射光线与反射光线构成的平面究竟在哪里，如图2所示，将一束光照射在平面镜上，通过入射光可以作无数个平面(图中只画出了三个平面)。将一个平面绕其上的入射光线旋转360°，其中有一个平面与平面镜垂直，即平面镜的法线在这个平面内，反射光也就呈现在这个平面上。

图2

2 教学建议

在教学设计中既要考虑物理学科的逻辑性，又要考虑学生的认知特点，以下提出相关教学设计建议。

2.1 定性观察与猜想

自然界中光的反射现象中很少会直接显示出光的传播路径，用光线模型探究反射规律，反映了一种物理思想。为了让学生感悟这种思想，可以在探究情景引入时，让学生观察光斑位置随入射方向变化的现象，从而抽象出光线的模型，猜想其空间变化的特点，为定量探究做准备。可给学生一只电筒和一块平面镜，观察光斑位置变化的特点。

2.2 实验探究光的反射定律

用如图3所示的装置，其中光屏是可以绕水平直径偏转的半圆面，平面镜固定在水平面上，用激光笔作为光源。

(1) 如图3所示，将光屏倒向后方，将激光束照射到平面镜中心处，调节底座的方位和光屏的角度，设法使光屏上呈现出入射光和反射光的径迹。观察与思考：在什么情况下，光屏上会同时显示出入射光线和反射光线？即反射光线与入射光线所在的平面与平面镜所在平面有什么关系？

图3

(2) 如图4所示，将光屏调至与水平面成垂直的状态，多次改变入射角，实验并记录入射角和反射角的大小。

图4

(3) 根据上述实验现象和数据，总结出光的反射规律。

2.3 拓展光反射定律的空间概念

用如图5所示的半球形透明塑料罩做演示实验，在透明罩内充入烟雾，将一束激光照射到置于底面中心处的平面镜上，可以同时观察到入射光束和反射光束。改变入射光的入射角度，可以形成光的反射在三维空间中的形象。

图5

先演示入射角从0°到接近90°连续变化的光的反射现象，再演示入射角从接近90°到0°连续变化的光的反射现象，从而使学生对光的反射定律形成整体和动态的认识。