对“探究光的反射和折射规律”实验改进的探索
肖永琴
摘要：根据初中物理课程标准对光学实验的要求，针对八年级物理教材中探究“光的反射规律”和“光的折射规律”实验装置，在实验操作不够简便、实验现象不够直观等方面不足，通过设计一系列自制教具和拓展实验，提出一些教学改进措施，阐述实验方法，提高物理实验教学效果。
关键词：光的反射规律；光的折射规律；实验改进
义务教育初中物理课程标准明确规定“探究光的反射规律”实验是20个学生必做实验之一，要求“通过实验，探究并了解光的折射现象及其特点”。我们在2014年福州市物理实验教学调研中发现，对于“探究光的反射规律”实验，初中物理教师问卷的数据反映仅有27.44%的做了分组实验，47.74%的做了演示实验，反馈的主要原因是实验室没有足够的实验器材，按照课本的实验装置效果不是太好，制约了实验教学的开展。实验仪器的配备和改进对物理教学起了至关重要的作用，下面将利用我们自制的一些实验器材，来阐述对探究光的反射和折射规律实验进行的教学改进。
1教材实验回顾与教学实施的困惑
如图1所示是沪科版八年级物理教科书给的探究光的反射规律的实验装置。实验所需器材有光源、平面镜、可折转的光屏、铁架台。在实验教学中，我们发现有以下问题不好解决：（1）光屏与平面镜垂直不好调、不稳定；（2）入射光线角度不方便调整，垂直入射不好操作：（3）入射角和反射角的角度需要用量角器测量，操作不方便、也不准确；（4）探究三线共面实验时，可折光屏由于反射光线没有可对比，不够直观，学生不易理解三线共面；（5）由于镜面无法旋转，改变入射角只有改变入射光线一种方法，思维发散不足。在现有的一些实验器材中也不能完全解决上述困惑。
2对教材实验装置的改进
为了解决上述困惑，我们研发了自制反射仪，如图2所示。在一块硬铁板上贴有360°的可直接读数的刻度盘，激光笔和平面镜用磁铁可吸在铁板上任意位置并自由转动，在平面镜的边缘固定一根竖直细铁线充当法线，在铁板右上角的2/3处开出一个活动小门。
仪器的特点如下：（1）实验时，利用磁吸现象使各元件固定和移动操作极为方便，在平面上光路清晰可见。（2）可实现两种方法任意改变入射角的大小：一是镜面不动，改变入射光线的方向：二是入射光线不动，镜面转动而改变入射角的大小（如图3）。用相对变化的思想，增进了学生对入射角变化的理解，使实验的开放度更大，有利于学生思维发散和进一步深入探究。（3）细铁线将法线可视化，还可随着镜面转动而转动，更加直观形象地解决学生想象力不足的问题。这两点改进特别是对学生解决如“镜面转过θ角，入射光线与反射光线的夹角改变了多少”等较复杂问题，可以自己通过实验探究，使复杂问题变得直观和简单化。（4）如图2所示，活动小门开在铁板右上角的2/3处，好处是可以让反射光线的一部分仍留在铁板平面上，只是在转动后的活动小门上看不到反射光线，当折角回到这个平面时，又可再见到反射光线，通过对比和反证法就能直观地说明三线共面，解决了实验的大难题。（5）用另一激光笔（绿光）入射到平面镜同一点上，当绿光逆着第一次的反射光线（红光）入射时，屏上四条光线变成了两条光线（如图4所示），光路的可逆性就不言而喻了。
3对实验装置的进一步改进
在探究光的折射规律时，我们想继续用这套器材实验，但在探究入射光线、法线、折射光线的三线共面时又遇到了困惑。由于折角设计在右上角，只可解决光从水中斜射向空气的情况，无法证明光从空气斜射入水中时的三线共面，因此我们在自制反射仪的基础上，做了进一步改进（如图5）。将激光笔固定在亚克力板后面的中心轴柄上，小门开成“月牙门”，置于右半边离中线一定距离处，水箱下用工字架支撑并贴上铁板，用于光源的放置。中心螺丝是铁质材料，可用于平面镜的磁吸固定。
改进后的升级版仪器特点如下：别出心裁的月牙门小折板，巧妙地解决了在光的反射现象和折射现象中三线共面不直观的大难题，它既可用于光射到平面镜发生反射，也可用于光从空气中斜射入水，还可以用于从水中斜射向空气发生的折射（如图6）。我们还给水箱配了一个带小孔的盖子，当分层注入不同的液体，并在液体的上方充人烟雾时，可以同时观察光在空气、液体以及不均匀的物质等不同介质中的传播实验（如图7）。如，我们在水箱里分层注入蜂蜜和水，静置7-10天，利用分子扩散可以得到效果很好的不均匀蜂蜜水，当光照射时，可以看到很明显的偏折光路（如图8）。比较光在空气、油和水中传播的现象，可以说明光的直线传播是需要条件的，即“同种均匀介质”，也可以说明光在不均匀介质中会发生折射现象。这样一套实验器材可以做多个实验，实现了“器物为用而生，一物多用为简”。
4实验装置的改进从平面走向空间
“法线”的理解，对学生来说是一个学习难点。几个版本的教材对法线的概念都是直接给出的，如沪科版“过入射点，与物体表面垂直的直线叫做法线（ON）”，人教版“垂直于镜面的直线ON叫做法线”，但学生对为什么要引入法线的概念并不清楚，而且对光线的空间感不够丰富，容易将光的反射、折射只看作是平面上的。随着我们的进一步研究。又对实验进行了改进，如图9所示。在一个有机玻璃箱的底部平放一块平面镜，其面上垂直放置2-3块中间插合的有機玻璃板，在板的中轴处用彩色线画上，盒内的小玻璃罐装有舞台表演用的烟饼，实验时释放烟雾使光路可见效果好，面板上开些小孔可调节烟雾浓度。
在教学时，先用激光笔入射在一块有机板与镜面交接的中心点O上，可以看到这块有机板面的中轴两侧呈现出入射光线和反射光线，然后用另一激光笔的光射到同一入射点，可以看到另一块有机板面的入射光线和反射光线也分居中轴线两侧，第三块板也如此，由此光路呈现出一个立体空间。实验发现，入射光线只要是过O点，总是这根垂直于反射面的中轴线将各平面上的入射光线和反射光线均分两侧，故这根过O点的中轴线是很有意义的一条线，为了更好地描述光反射时的规律，物理学里将这条线定义为法线。通过实验现象，结合数学的“点、线、面”关系，利用空间轴线达到了法线知识的意义建构，使学生对法线的概念和意义有了更深刻的理解。此实验也为下一步学生探究“三线两角”的关系提供了猜想依据。
5对课堂生成的学习资源进一步开发和拓展
我们鼓励学生在实验的过程中，用心观察实验现象，不断发现问题，并能提出更多、更深入的问题进行探究，为此又准备了两套实验器材便于学生进一步地探究和发现，通过拓展实验，使他们的探究兴趣和探究能力得到进一步发展。
5.1对不同色光的折射能力的深入探究
如图10所示，是我们自制的“不同色光折射仪”。当有同学提出“不同的色光对光的折射能力是否相同？”疑问时，让他们用这套器材做进一步的探究。在两个转柄上固定红、绿两种色光的激光源，让同角度的不同色光斜射入水中，观察折射角的大小，即可说明不同颜色的光折射率不同。这为学习下一节光的色散现象中白光的分解作了很好的铺垫，同时也能让他们更深刻地理解了光色散的本质就是光的折射。
5.2不同的介质对光的折射能力的探究
对提出“不同的介质对光的折射能力是否相同？”疑问的同学，让他们用控制变量思想，将同角度的入射光斜射入水中、半圆玻璃中，观察折射角的大小是否相同（如图11），从实验现象可以直观地说明水和玻璃对光的折射能力是不同的。由此推断：不同介质对光的折射能力不同，这为高中物理进一步学习折射率打下了良好的基础。
总之，实验器材改进后使实验更加直观、灵动，便于操作，更有利于对光学规律的深入探究，对学生深刻理解光的反射和光的折射规律的本质有较大的帮助，切实提高了实验教学的有效性。而且我们鼓励质疑、鼓励创新、鼓励深入探究，创造条件使学生的科学素养培育落地开花。
摘要：根据初中物理课程标准对光学实验的要求，针对八年级物理教材中探究“光的反射规律”和“光的折射规律”实验装置，在实验操作不够简便、实验现象不够直观等方面不足，通过设计一系列自制教具和拓展实验，提出一些教学改进措施，阐述实验方法，提高物理实验教学效果。
关键词：光的反射规律；光的折射规律；实验改进
义务教育初中物理课程标准明确规定“探究光的反射规律”实验是20个学生必做实验之一，要求“通过实验，探究并了解光的折射现象及其特点”。我们在2014年福州市物理实验教学调研中发现，对于“探究光的反射规律”实验，初中物理教师问卷的数据反映仅有27.44%的做了分组实验，47.74%的做了演示实验，反馈的主要原因是实验室没有足够的实验器材，按照课本的实验装置效果不是太好，制约了实验教学的开展。实验仪器的配备和改进对物理教学起了至关重要的作用，下面将利用我们自制的一些实验器材，来阐述对探究光的反射和折射规律实验进行的教学改进。
1教材实验回顾与教学实施的困惑
如图1所示是沪科版八年级物理教科书给的探究光的反射规律的实验装置。实验所需器材有光源、平面镜、可折转的光屏、铁架台。在实验教学中，我们发现有以下问题不好解决：（1）光屏与平面镜垂直不好调、不稳定；（2）入射光线角度不方便调整，垂直入射不好操作：（3）入射角和反射角的角度需要用量角器测量，操作不方便、也不准确；（4）探究三线共面实验时，可折光屏由于反射光线没有可对比，不够直观，学生不易理解三线共面；（5）由于镜面无法旋转，改变入射角只有改变入射光线一种方法，思维发散不足。在现有的一些实验器材中也不能完全解决上述困惑。
2对教材实验装置的改进
为了解决上述困惑，我们研发了自制反射仪，如图2所示。在一块硬铁板上贴有360°的可直接读数的刻度盘，激光笔和平面镜用磁铁可吸在铁板上任意位置并自由转动，在平面镜的边缘固定一根竖直细铁线充当法线，在铁板右上角的2/3处开出一个活动小门。
仪器的特点如下：（1）实验时，利用磁吸现象使各元件固定和移动操作极为方便，在平面上光路清晰可见。（2）可实现两种方法任意改变入射角的大小：一是镜面不动，改变入射光线的方向：二是入射光线不动，镜面转动而改变入射角的大小（如图3）。用相对变化的思想，增进了学生对入射角变化的理解，使实验的开放度更大，有利于学生思维发散和进一步深入探究。（3）细铁线将法线可视化，还可随着镜面转动而转动，更加直观形象地解决学生想象力不足的问题。这两点改进特别是对学生解决如“镜面转过θ角，入射光线与反射光线的夹角改变了多少”等较复杂问题，可以自己通过实验探究，使复杂问题变得直观和简单化。（4）如图2所示，活动小门开在铁板右上角的2/3处，好处是可以让反射光线的一部分仍留在铁板平面上，只是在转动后的活动小门上看不到反射光线，当折角回到这个平面时，又可再见到反射光线，通过对比和反证法就能直观地说明三线共面，解决了实验的大难题。（5）用另一激光笔（绿光）入射到平面镜同一点上，当绿光逆着第一次的反射光线（红光）入射时，屏上四条光线变成了两条光线（如图4所示），光路的可逆性就不言而喻了。
3对实验装置的进一步改进
在探究光的折射规律时，我们想继续用这套器材实验，但在探究入射光线、法线、折射光线的三线共面时又遇到了困惑。由于折角设计在右上角，只可解决光从水中斜射向空气的情况，无法证明光从空气斜射入水中时的三线共面，因此我们在自制反射仪的基础上，做了进一步改进（如图5）。将激光笔固定在亚克力板后面的中心轴柄上，小门开成“月牙门”，置于右半边离中线一定距离处，水箱下用工字架支撑并贴上铁板，用于光源的放置。中心螺丝是铁质材料，可用于平面镜的磁吸固定。
改进后的升级版仪器特点如下：别出心裁的月牙门小折板，巧妙地解决了在光的反射现象和折射现象中三线共面不直观的大难题，它既可用于光射到平面镜发生反射，也可用于光从空气中斜射入水，还可以用于从水中斜射向空气发生的折射（如图6）。我们还给水箱配了一个带小孔的盖子，当分层注入不同的液体，并在液体的上方充人烟雾时，可以同时观察光在空气、液体以及不均匀的物质等不同介质中的传播实验（如图7）。如，我们在水箱里分层注入蜂蜜和水，静置7-10天，利用分子扩散可以得到效果很好的不均匀蜂蜜水，当光照射时，可以看到很明显的偏折光路（如图8）。比较光在空气、油和水中传播的现象，可以说明光的直线传播是需要条件的，即“同种均匀介质”，也可以说明光在不均匀介质中会发生折射现象。这样一套实验器材可以做多个实验，实现了“器物为用而生，一物多用为简”。
4实验装置的改进从平面走向空间
“法线”的理解，对学生来说是一个学习难点。几个版本的教材对法线的概念都是直接给出的，如沪科版“过入射点，与物体表面垂直的直线叫做法线（ON）”，人教版“垂直于镜面的直线ON叫做法线”，但学生对为什么要引入法线的概念并不清楚，而且对光线的空间感不够丰富，容易将光的反射、折射只看作是平面上的。随着我们的进一步研究。又对实验进行了改进，如图9所示。在一个有机玻璃箱的底部平放一块平面镜，其面上垂直放置2-3块中间插合的有機玻璃板，在板的中轴处用彩色线画上，盒内的小玻璃罐装有舞台表演用的烟饼，实验时释放烟雾使光路可见效果好，面板上开些小孔可调节烟雾浓度。
在教学时，先用激光笔入射在一块有机板与镜面交接的中心点O上，可以看到这块有机板面的中轴两侧呈现出入射光线和反射光线，然后用另一激光笔的光射到同一入射点，可以看到另一块有机板面的入射光线和反射光线也分居中轴线两侧，第三块板也如此，由此光路呈现出一个立体空间。实验发现，入射光线只要是过O点，总是这根垂直于反射面的中轴线将各平面上的入射光线和反射光线均分两侧，故这根过O点的中轴线是很有意义的一条线，为了更好地描述光反射时的规律，物理学里将这条线定义为法线。通过实验现象，结合数学的“点、线、面”关系，利用空间轴线达到了法线知识的意义建构，使学生对法线的概念和意义有了更深刻的理解。此实验也为下一步学生探究“三线两角”的关系提供了猜想依据。
5对课堂生成的学习资源进一步开发和拓展
我们鼓励学生在实验的过程中，用心观察实验现象，不断发现问题，并能提出更多、更深入的问题进行探究，为此又准备了两套实验器材便于学生进一步地探究和发现，通过拓展实验，使他们的探究兴趣和探究能力得到进一步发展。
5.1对不同色光的折射能力的深入探究
如图10所示，是我们自制的“不同色光折射仪”。当有同学提出“不同的色光对光的折射能力是否相同？”疑问时，让他们用这套器材做进一步的探究。在两个转柄上固定红、绿两种色光的激光源，让同角度的不同色光斜射入水中，观察折射角的大小，即可说明不同颜色的光折射率不同。这为学习下一节光的色散现象中白光的分解作了很好的铺垫，同时也能让他们更深刻地理解了光色散的本质就是光的折射。
5.2不同的介质对光的折射能力的探究
对提出“不同的介质对光的折射能力是否相同？”疑问的同学，让他们用控制变量思想，将同角度的入射光斜射入水中、半圆玻璃中，观察折射角的大小是否相同（如图11），从实验现象可以直观地说明水和玻璃对光的折射能力是不同的。由此推断：不同介质对光的折射能力不同，这为高中物理进一步学习折射率打下了良好的基础。
总之，实验器材改进后使实验更加直观、灵动，便于操作，更有利于对光学规律的深入探究，对学生深刻理解光的反射和光的折射规律的本质有较大的帮助，切实提高了实验教学的有效性。而且我们鼓励质疑、鼓励创新、鼓励深入探究，创造条件使学生的科学素养培育落地开花。
