也谈光的直线传播实验的创新改进

    黄世旺

    

    

    

    [摘? ?要]“光的直线传播”与日常生活密切相关，有关实验很容易从日常生活中找到相关用品进行实验操作，这也给实验的改进提供了广阔的空间。针对平时教学中，“光的直线传播”实验操作中存在的器材准备过于繁杂、操作方法不够简便、现象欠明显、所花时间太长等诸多问题，提出了创新改进之策，使光在三种不同透明状物质中沿直线传播的实验中集中于一个“矿泉水瓶”，从而提升实验的简便性和有效性;通过创新改进使光在不均匀介质中弯曲传播的实验更简便顺畅，现象更明显。

    [关键词]初中物理;光的直线传播;创新改进

    [中图分类号]? ? G633.7? ? ? ? [文献标识码]? ? A? ? ? ? [文章编号]? ? 1674-6058（2021）14-0038-03

    在初中物理教学中，“光的直线传播”是光学的基础内容，是后续学习其他光现象、有关规律及其应用的根基。这部分内容的教学目标就是让学生理解：光在均匀的气态、液态、固态物质（介质）中沿直线传播;否则光不能沿直线传播（在密度渐变的介质中光线均匀弯折，密度渐变的介质仅以液体为例）。由于光的直线传播与学生的生活及自然现象联系紧密，再考虑到教学时间的限制，教材中安排的实验、探究活动不多。实际教学中，教师需要依据教材中的图片与文字描述增加必要的演示实验或课后学生实验，以激发学生的学习兴趣，提升学生的学习效率，否则教学效果不会太好。文章在此结合教学实践就“光的直线传播”实验的改进做些分析探讨。

    一、“光的直线传播”教学中的相关实验现状综述

    （一）光的直线传播实验

    1.光在气体中的传播

    对于光在空气中的直线传播实验，有的教师提出利用水的沸腾制造“水雾”进行实验，有的教师提出利用冰块使水蒸气液化获得“水雾”的方法进行实验，有的教师提出利用雾化器产生“水雾”的办法进行实验，还有的主张通过自制烟雾箱演示实验。这些改进都可以得到较为明显的实验效果，但需准备的实验器材相对较多，操作起来也不够方便，所花时间相对较长，通过演示的方式来实施，应该没有多大问题，但要让学生分组实验就较为困难了。

    2.光在液体中的传播

    对于光在液体中的直线传播实验，普遍做法是在水中加入“媒质”，即在水中加入几滴牛奶或红墨水等，搅拌均匀后用激光笔照射。这一实验现象十分明显。

    3.光在固体中的传播

    对于光在固体中的直线传播实验，有的教师认为利用实验室现有的玻璃砖，较多的教师则认为利用果冻。事实上用激光笔照射果冻能清楚地观察到光的直线传播，而多数学校实验室中的玻璃砖是没有添加媒质的，使用这样的玻璃砖较难完成这一实验。

    总之，现实课堂教学中，教师基本上是将光在三种不同状态介质中的传播实验逐个分散来做的。虽然可以取得较为明显的实验效果，但从器材准备、操作方法方面来看，不是最佳的，特别是让学生分组实验时效果不佳，值得改进。三个分散实验，若分组进行都很难较好地实现。

    （二）光在不均匀介质中弯曲传播的实验

    为了说明光沿直线传播的条件是在同一种均匀介质中，教师通常会利用食盐、硫代硫酸钠、白糖等物质配制一种浓度不均匀的溶液，来显示光在不均匀介质中弯曲传播的现象。实验证明糖水的浓度分层效果最佳，容易得到浓度渐变的分层区域。

    配制浓度渐变溶液的常见方法有两种：一种是先在透明水槽中倒入适量的清水，然后用漏斗慢慢向水槽底部灌入浓糖水;另一种是先在透明水槽中倒入适量的浓糖水，然后沿水槽壁轻轻倒入清水，通常还使用漏斗、纱布、挡板等慢慢引流，减缓清水倒入时的流速。当两种溶液混合后静置适当的时间，让浓糖水与清水在分界层自由扩散，形成浓度渐变的分层区域，再用激光笔照射开展实验。事实上，上述两种方法很难把控后加入的液体的流速，也就很难配制出上下浓度渐变的分层区域。

    有的教师在以上两种方法中，用医用输液软管替代漏斗，采用虹吸法，并通过调节输液管流速控制开关（图1），让后加入的液体保持一定的流速缓慢地注入。相比之下，这一改进较容易配制出上下浓度渐变的分层区域，但所需的时间太长，影响教学进度。

    二、实验创新改进

    为了提升课堂教学效率，便于教师学生操作，笔者在广泛研究当前“光的直线传播”实验现状的基础上，搜集并研究了相关实验的改进措施，认为“光的直线传播”实验可从以下两方面做进一步的改进。

    （一）制作集固、液、气态物质于一身的“矿泉水瓶”

    1.在“矿泉水瓶”底部制作胶状物体

    （1）选用材料：空矿泉水瓶（容积330 mL左右为佳，瓶身尽可能为长方体形状）、奶粉、香、水、超透明水晶滴胶（A、B胶）、一次性水杯、一次性筷子。

    （2）制作方法：首先将100 g的超透明水晶滴胶（A胶）及配套的固化剂（B胶）倒入一次性水杯中，并用一次性筷子搅拌均匀，静置一会待气泡消除，然后加入黄豆粒大小的奶粉，再缓慢搅拌均匀后倒入空矿泉水瓶中，放置12∽48小时固化。

    2. 在“矿泉水瓶”中部制作恰当的液体

    往矿泉水瓶中倒入120 mL左右的清水，加入黄豆粒大小的奶粉，再晃动均匀。

    3. 在“矿泉水瓶”顶部制作烟雾

    在矿泉水瓶的瓶盖中心开一个大小合适的小孔，插入一小段香，把矿泉水瓶的瓶盖拧好。

    （二）制作密度渐变的液体

    为了向学生演示光在不均匀物质中是不能沿直线传播的，笔者制作密度渐变的液體，以便演示光传播过程中弯曲的路径。

    （1）选用材料

    透明水槽、直径为6∽8 mm的铁线（长约1 m）、纱布、乳胶导管（长约60 cm）、锥形漏斗、止水夹、塑料吸管、缝衣针。

    （2）制作方法（如图2所示）

    ①用纱布制作一个稍小于水槽底部的网袋;用铁线制作一个带有手柄的矩形方框（大小以恰好能插入纱布网袋为宜），将矩形铁方框插入纱布网袋。

    ②在乳胶导管的下端连接塑料吸管，上端连接稍大的漏斗，将止水夹套在乳胶导管上;用口径稍大的缝衣针在塑料吸管上穿刺出密密麻麻的小孔后，将塑料吸管插入纱布网袋中。

    ③将内有塑料吸管的纱布网袋放入水槽底部。

    （三） 实验操作

    1.光沿直线传播实验的操作

    （1）将“矿泉水瓶”的瓶盖拧开，用火柴将香点燃，然后再把瓶盖置于矿泉水瓶上并拧好，稍待一会儿，让烟雾充盈矿泉水瓶的上部空间。

    （2）用激光笔先后分别照射矿泉水瓶中充盈着烟雾的空气、水、固态水晶滴胶（如图3）。可清晰地观察到光在以上三种不同状态的物质中传播的路径是直的，由此得出“光在气体、液体、透明固体中都是沿直线传播的”这一结论。

    2.光在不均匀介质中弯曲传播实验的操作

    （1）先通过漏斗往水槽中注入适量的水，紧接着通过漏斗将适量的浓赤砂糖水注入水槽底部。在以上过程中应注意对止水夹的控制，防止在注入水和浓赤砂糖水的时候混入空气，以及水和浓赤砂糖水在漏斗锥形部分内混合。

    （2）静置一会儿，待浓赤砂糖水和水经自由扩散形成浓度渐变的分层区域。然后用激光笔从水槽侧壁稍斜向上照射分层区域，可观察到光在不均匀介质中弯曲传播的现象（如图4）。进而用筷子搅匀分层区域，又可观察到光路由弯曲变成了直线。

    （四） 实验创新改进的优点

    1.凸显主体

    与已有改进实验相比，这样改进后的实验，更方便教师演示光在气体、液体、固体中的直线传播，也便于学生分组实验，有利于营造学生在做中学、研中学的氛围，让学生真正成为课堂的主人，便于学生动手实验，主动探究物理现象、获取物理知识。

    2.取材方便

    矿泉水瓶、奶粉、香、铁线、纱布、塑料吸管、缝衣针等都是日常生活中常见的物品，乳胶导管、漏斗、止水夹等是实验室必备的器材，均容易获取;制作水晶滴胶固体用的超透明水晶滴胶，可通过网购获得，且物美价廉。

    3.操作简单

    操作简便是较为突出的一个优点。光分别在气体、液体、固体中的直线传播三个实验，可通过一个“矿泉水瓶”来完成，提升了实验的整合性，操作的简单性，为课堂教学的顺利完成节约了时间。在演示光在不均匀介质中弯曲传播实验时，在用漏斗往水槽底部加注浓赤砂糖水的过程中，纱布网袋以及塑料吸管上小孔的分流作用能有效地减缓对流的发生，很好地阻止了机械混合，因此不必担心加注浓赤砂糖水的流速问题。

    4.现象明显

    光在瓶内充满烟雾的空气中以及在滴了牛奶的水中，沿直线传播的现象一目了然;在加了奶粉的固态水晶滴胶中，沿直线传播的现象也十分明显。在演示光在不均匀介质中弯曲传播实验时，可清晰地观察到浓赤砂糖水跟水的分层区域;同时借助希沃投屏，能让学生饱览类似“海市蜃楼”的光路弯曲现象。

    5.经久耐用

    用来探究光在空气、水、固态水晶滴胶中直线传播的“矿泉水瓶”，以及光在不均匀介质中弯曲传播的演示器可以循环使用，基本上达到一劳永逸的目的。

    三、实验内容的拓展

    拓展1：探究光的反射。照图5那样在“矿泉水瓶”上安装一个量角器，让量角器的底线紧贴空气与水的分界面。用激光笔从矿泉水瓶侧壁斜向下照射，让光从瓶中空气斜射到量角器的O点处。可观察到一部分光反射回空气中，通过量角器的读数以及进一步分析，得到“在光的反射中，反射光线、入射光线分居法线两侧，并且反射角等于入射角”的结论（图6）。

    拓展2：探究光路是可逆的。在拓展1实验中，用不同颜色的激光笔逆着反射光路照射到量角器的O处，可看出反射出来的光线与原入射光线重合，说明光路是可逆的。

    拓展3：探究光的折射。在图5装置的基础上，在量角器的下方对称安装一个量角器（需将两个量角器底线下面多余的部分裁掉），让两个量角器的底线紧贴并与空气和水的分界面齐平。用激光笔从矿泉水瓶侧壁斜向下照射，让光从瓶中空气斜射到量角器的O点处。可观察到一部分光反射回空气的同时，一部分光进入水中，并在界面处发生向下偏折的现象，通过观察量角器的示数以及调整入射光线的角度，分析得到光的折射规律。

    拓展4：探究光垂直入射时光路不变的现象。将矿泉水瓶瓶盖上的香取出，用激光笔通过瓶盖上的洞口照射，让光从空气垂直入射到水和固态水晶滴胶中。一方面观察光从空气垂直入射到水时，光路是否改变;另一方面观察光从水垂直进入到固态水晶滴胶时，光路是否改变。从而说明光从一种透明物质垂直进入另一种透明物质时，传播方向不改变。

    四、实验创新改进后的反思

    1.在制作水晶滴胶固体时，应严格按产品说明书的配制方法进行配制，待A、B胶充分混合后才加入奶粉，并搅拌均匀。然后将其放置于水槽中凝固，以利于水晶滴胶凝固过程中产生热量的传导，避免因温度过高导致奶粉热熟而使滴胶固体出现“黄口”。

    2.因实验时需将香点燃，并插回矿泉水瓶内，在此过程中，必须注意实验操作的安全性，既要注意不被香烫伤，也不要烧坏矿泉水瓶。

    3.在“光在不均匀介质中弯曲传播演示器”的制作中，可选用分液漏斗替代锥形漏斗和止水夹，但操作不够细致时，容易混入空气，或者水和浓赤砂糖水在分液漏斗中混合。

    [? ?参? ?考? ?文? ?献? ?]

    [1]? 刘凤田，王志永.自制烟雾箱演示光学实验[J].中國现代教育装备，2014（12）：29-30.

    [2]? 王浩.光在不均匀介质中弯曲传播的实验改进[J].物理教师，2016（12）：37.

    （责任编辑 易志毅）