自制立体光学演示器 改进“光的反射”实验

摘 要：传统的“光的反射”实验器材存在空间立体性不够、探究性不强的问题，已经不能充分满足教学的要求，笔者利用身边的器材进行改进和创新，自制教具“立体光学演示器”.透明的半球形旋转烟室能够呈现出清晰的光路，可用于探究光的反射规律，探究反射光路的可逆性、探究凹面镜和凸面镜对光的作用，比较镜面反射和漫反射的空间关系.

关键词：自制教具;光的反射;旋转烟室;立体空间

中图分类号：G633.7 文献标识码：B 文章编号：1008-4134（2021）02-0016-03

基金项目：江苏省教育科学“十三五”规划青年专项重点自筹课题“基于单元设计理念的初中物理綜合实践活动研究”（项目编号：C-b/2020/02/52）.

作者简介：王莉（1991-），女，江苏徐州人，硕士，中学二级教师，研究方向：初中物理教学研究.

义务教育物理课程作为科学教育的组成部分，是以提高全体学生科学素养为目标的自然科学基础课程.此阶段的物理课程不仅应注重科学知识的传授和技能的训练，而且应注重对学生学习兴趣、探究能力、创新意识以及科学态度、科学精神等方面的培养[1].物理实验教学是初中物理教学的重点和学生学习物理知识的必要手段，而实验仪器是实验教学的重要载体.在具体的教育教学过程中，教师对现有教具的改进和创新，不仅可以激发学生学习物理的热情，也可以提高教师自身的专业素养，教师的创新意识以及动手能力，也会潜移默化地影响着学生，让学生慢慢的爱上动手、爱上创新、爱上生活.

1 解读课标和教材

《义务教育物理课程标准（2011年版）》指出，光的反射一课属于一级主题“运动和相互作用”，二级主题“声和光”的部分，要求学生的认知性目标在“了解”层面.课标要求学生经历光的反射规律的探究过程，会描述光的反射现象，初步理解光的反射规律，且该实验是八年级物理光学部分的重要实验之一.教材中设计的实验器材是将平面镜水平放置，一块标有刻度的白色纸板竖直立在平面镜上，纸板由A、B两部分组成，可以绕接缝ON翻折[2]（如图1所示）.

2 教具改进的背景

生活中的光现象无处不在，如何显示光路，如何使实验现象更易于观察，是光学实验探究成功的关键.虽然学校实验室普遍配有相应的教学仪器，但实验效果并不理想，传统的实验教具主要有两种（如图2、图3所示）.图2为学校自制器材——竖直放置的木板面上贴白纸，图3为购买的光学演示器，这两种实验器材均是在白屏上标记出角度作为量角器.在实验时，入射光线到平面镜上的入射点与量角器的圆心重合，利用白屏显示出光的传播路径.在实际教学中现有的实验器材在探究光的反射规律时经常遇到如下问题.

问题1：图2中的器材在实际操作中，激光笔的光线很难在白屏上显示出来，实验现象不易观察.图3中的器材价格较贵，个头较小，且无法探究三线共面的问题.

问题2：光的反射发生在立体空间内，但是以上实验装置只能通过白屏承接光线观察光路，没有放置白屏的地方就无法观察到是否有光线经过.

问题3：入射光线只能在白屏所在的平面内改变入射角，无法从任何方向来改变入射角.

问题4：学生在操作时只能观察到反射光线和入射光线，虽然强化记忆了反射光线、入射光线在同一平面内，但是却忽略了这个平面是由入射光线和法线所决定的.

基于上述原因，笔者自制了“立体光学演示器”，用于探究光的反射规律.

3 自制教具的改进与创新点

立体光学演示器的主体为一个直径为60cm的透明的亚克力塑料半球，半球罩放置在木板上，木板下面装有旋转展台，通过展台开关的通断，烟室可以任意角度转动，在木板上面可放置一小段蚊香以及平面镜等所需光学仪器（木板上面可放置一小段蚊香以及平面镜等所需的光学仪器，木板下面装有旋转展台，通过展台开关的通断，烟室可以任意角度转动）.半球与木板能无缝盖合，使其内部空气不与外部交换，形成一个密闭烟室（如图4所示）.

利用两个强磁体，一个固定在激光笔上，一个放置在烟室外面，既可在烟室外面任意改变光源的位置，还可以在半球形烟室的顶点固定激光笔，随时显示出法线的位置（如图5所示）.

在常规教学过程中，教师总是强调白色纸板需要垂直于平面镜放置，否则就无法在白纸上观察到反射光线.学生在实验时也确实发现了这样的现象，但是却并不能理解，反而产生了“没有出现在白纸上的反射光线去哪里了？是消失了吗？”等疑问.传统教具无法解决这样一个问题，但是教师利用旋转烟室可以将白色纸板倾斜放置在平面镜上，之后将一束光紧贴纸板射向镜面，学生会观察到反射光线还是存在，并且存在入射光线、法线所确定的那个平面内（如图6所示）.

利用黑色记号笔在烟室外面标记角度，半球形罩子的顶点即为0°，每隔10°标记一下，这就是一个大的量角器，可通过光线在烟室上形成的光斑位置直接读出反射角和入射角的大小（如图7所示）.

打开展台，整个装置会旋转起来，教室里坐在各个方位的学生都可以在某一角度观察到光线，多次调节入射光线的角度，重复上述操作.相比教材上的设计方案，“将纸板绕接缝ON向前或向后翻折，观察在什么情况下纸板B上能呈现反射光束”，该演示器的实验现象更为直观，可以更好地让学生从空间立体的角度，去理解反射光线、入射光线、法线在同一平面内.

在已有的红色激光的光路基础上，利用绿色激光笔沿着原来红色激光的反射光线方向逆向射入，可以观察到红色、绿色两个光路重合，可以研究反射光路的可逆性（如图8所示）.

4 自制教具的进一步探索

该教具除了可以用于探究光的反射规律外，还可以用于以下两个方面的探究.

4.1 探究镜面反射和漫反射的空间关系

将三支激光笔平行放置在塑料板上，用热熔胶枪固定，这样就获得了一束平行光.平行光线入射到平面镜上，可观察到反射光线的平行关系.将镜子打碎，粘在一块板上，注意黏贴的碎玻璃高低不平，这样就获得了一个“粗糙”的反射面.平行光线入射到碎镜片上，可见观察到反射光线向各个方向射出.利用传统方法演示漫反射，很容易让学生产生“反射只能发生在一个平面内”的错误想法，该装置则能更好地让学生体会光的反射是存在一个空间立体的环境中（如图9、图10所示）.

4.2 探究凹面镜和凸面镜对光的作用

将凹面镜、凸面镜放置在木板上，可观察到凹面镜对光线有会聚作用，凸面镜对光线有发散作用（如图11、图12所示）.

5 结语

本文介绍的仪器部件，其材质和规格并不是固定不变的，可以根据实际的情况作出调整，比如可以直接购买光线更强光束更多的平行光源，也可以选用直径更大的亚克力半球，使实验现象更为震撼.在实验时发现，若底板为有机玻璃或塑料材质制成，实验中很容易出现折射光线，这样就会干扰学生对实验现象的观察，所以该演示器的底板选择的是不透明的木板，当然也可以选择磨砂表面的材质作为底板.该教具在日常教学中效果卓越，可呈现出清晰的光路，学生可以全方位多角度地观察光的传播路径，提升空间立体感，感受光的传播特点，通过观察实验现象、提出猜想、实验探究、获取证据等环节，从而培养学生的科学探究能力，帮助学生构建了真实的光的反射模型，在潜移默化之中培养学生的物理观念和科学思维.这样可视度更高的实验教具的自制与应用，可以充分调动学生各种感官，优化课堂教学氛围.在后续教学中继续利用旋转烟室还可以开发其他功能，如探究光的折射规律，探究凸透镜的成像规律.

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.义务教育物理课程标准（2011年版）[M].北京：北京师范大学出版社，2012.

[2]刘炳昇.义务教育教科书物理（九年级上册）[M].南京：江苏凤凰科学技术出版社，2012.

[3]李海冰.光的反射定律实验的改进[J].农村青少年科学探究，2019（12）：14-15.

[4]马顺存.光的反射、折射实验仪器的改进[J].湖南中学物理，2019，34（12）：67-68.

[5]蒋炜波，王宏.关于光的反射的实验改进[J].新课程教学（电子版），2019（08）：6-8.

（收稿日期：2020-09-19）