提升物理核心素养的趣味实验教学探索
——以“光的反射”为例

杨金彭 肖 艳

（1.扬州大学物理科学与技术学院，江苏 扬州 225009；2.扬州江都区仙女镇张纲中学，江苏 扬州 225211）

在中学物理教学过程中，实验教学是实现提升学生核心素养的重要环节.通过相关的物理知识联系和分析生活中所看到的物理现象可以极大地促进学生学习物理知识的热情，［1-3］在落实“科学思维”和“科学探究”的物理核心素养内涵培养方面有着独特的作用和价值.本文介绍了一种生活化的光学实验，其原理主要涉及光的反射和衍射，利用生活中广泛使用的手机屏幕作为“理想”的平面镜来探讨光的反射现象，研究通过手机屏幕反射的光斑特征，一方面让学生能够更好地理解光的反射和衍射原理，另一方面可以拓展学生的科学兴趣，提升他们的科学思维，培养他们的科学探索本领.此外，也可以作为实验教学展示资源，供广大教师在物理教学中参考和借鉴.

1 现象介绍

使用红色的激光笔，将一束激光（平行光，波长大小为650nm）照射在手机屏幕上（iPhone7），由于手机屏幕的反光特性，会出现镜面反射现象.由反射定律可知光在空气中沿直线传播发生镜面反射时，反射角等于入射角.图1（a）中可以直接看到入射的光线经过手机屏幕的反射之后出射光线与法线成的角度为40°，与入射角度基本一致，满足光的反射定律.然而有趣的是，如果我们进一步观察反射光线入射到墙面上所形成的光斑形状［图1（b）所示］，会发现其形状并不是简单的圆形光斑（类似于入射的激光笔光源形状）而是出现了明显规则排列的衍射亮点阵列.利用镜面反射的知识，我们知道如果入射的光线是平行光，经过镜面反射之后也应该出现平行光，光斑的大小只与出射光线与屏幕所形成的夹角有关.进一步的研究发现，当我们使用绿色激光笔来代替红色激光笔时，我们仍然可以发现明显的绿色衍射亮点阵列［图1（c）所示］.因此，在墙面上所形成的衍射亮点阵列应该只与手机屏幕的结构有关.

图1

通过网上调研发现目前市场的手机屏幕种类主要分为两类：一类是以使用液晶（LCD）显示技术的屏幕；另一类是使用有机发光（OLED）显示技术的屏幕.因而进一步我们选取了市场上这两种不同类型的屏幕（iPhone7的屏幕为LCD，而华为P40的手机屏幕是OLED）来研究反射光斑的特点.图2给出了利用这两种不同类型的显示屏作为镜面获得的不同排列的光斑阵列详细分布图.图2（a）中除了可以直观的看到反射光最强的斑点之外，成长方形规则排列的点阵列清晰可见.另一方面，对于OLED显示屏而言，呈现平行四边形规则排列的亮点阵列清晰可见，反射最亮的光斑相比于LCD显示屏而言更为精细.

图2

2 现象解释

对于反射光斑中存在的呈现矩阵排列的亮点，笔者首先利用数码显微镜放大观察了这两种屏幕的结构图，如图3所示.在一定的放大倍数下，我们可以直观地分辨出显示屏上的像素排布特点（LCD中每个小的矩形块为像素，OLED中每个长条和小点都为像素）.LCD显示屏上像素的排布成矩形排布，像素之间上下距离看的很清楚，它们之间的排布如图3（a）中的插图所示.而华为P40的OLED显示屏中像素排布明显存在着不同：一方面，像素的排列方式呈现平行四边形排布，上一排的像素与下一排的像素存在着明显的错位；另一方面每一排的像素排布中绿色小像素是分成了上下两个小点，而红色和蓝色像素成长条形.通过查阅该类型显示屏的说明书，这种排布类型被称为“周冬雨”排列，示意图如图3（b）中的插图所示.从这两种不同类型的显示屏实物图中可以看出，平行光经过这些规则排列的像素小点，反射的光斑会明显呈现出“光的衍射”效应；矩阵排列的亮点揭示着显示屏上像素排布的规则和类型，如经过矩形排布像素反射的光斑呈现矩形的阵列，而错位排布的OLED像素反射的光斑呈现出平行四边形阵列.

图3

使用的激光笔发射出的光源其方向性较好，根据几何和波动光学的知识可知，当一束激光照射到有规则排布的“反射镜面阵列”上的时候，除了会发生光的反射之外，还会出现光的衍射现象.在实验中所看到情况的确也证实了这两种现象的存在：最亮的、较大的光斑的确验证了镜面反射定律；而其他规则排列的亮点阵列也意味着光的衍射不可避免.利用光的衍射［如图4（a）所示］中的反射光栅方程，当平行光照射到反射光栅上，反射的光之间由于存在着干涉现象，其光强的分布位置满足d（sinθ-sinθ0）=mλ，其中d为光栅常数（实验中代表这像素之间相邻的间隔），θ0为入射角，θ为出射角，m为衍射级数.图4（b）中给出了考虑实际实验中的三维特性，相应地画出了在实际空间中存在的光的衍射阵列示意图：图中W代表墙面到屏幕入射点的距离，实验中为33cm［图1（b）所示］；H0代表手机屏幕到出射光斑的垂直距离；h为衍射点的上下间隔；Δw为衍射点的左右间隔；θud为衍射点上下方向上的出射角；θlr为衍射点左右方向上的出射角.根据方程（1），我们可以计算手机屏幕像素之间沿着入射方

图4

向上的距离间隔d1为

而手机像素在前后方向上的距离间隔d2为

利用表达式（1）和 （2），计算得到 LCD 和OLED显示屏每个像素在沿光线入射方向和垂直于入射方向之间的实验数据，如表1所示.

表1 不同类型手机屏幕所测的数据与报道的数据对比

通过实验数据分析，我们可以得到以下结论：（1）所测量得到的像素间隔与网络上实际报道的数据基本吻合；（2）测得的像素间隔都略大于实际报道的像素间隔，主要是因为每个像素之间还是存在着一定的缝隙，如图3所示；（3）OLED手机屏的像素排布明显要密集于LCD手机屏，这也是为什么使用OLED手机屏的观看效果要好于LCD的原因.由于OLED显示屏上面的像素排布并不是垂直于入射方向，因而我们在这里不考虑计算其d1的大小.

3 教学运用与探究

基于物理学科核心素养的“科学思维”主要包含模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新等要素.通过光学反射现象的趣味实验教学引入和演示，不仅可以增强学生对光反射概念的掌握和对光反射知识的运用，同时还能够实现引导学生迁移、拓展科学知识的运用能力，培养学生运用归纳与演绎推理方法解决生活中的实际物理问题.对于光的反射教学过程中，具体表现在如下4点.

（1）课堂中使用的激光笔照射在普通的镜面上，直接能够展示出光反射的物理现象，通过对入射光和反射光的角度观测，归纳出反射定律，实现光反射的物理定律掌握.

（2）利用激光笔照射在手机屏幕上，除了演示出光反射的现象外，还能够展示“额外”的衍射亮点，引导学生自我提出问题，衍射亮点的来源于哪里？

（3）通过对比普通镜面的实验结果和利用不同手机屏幕来观察衍射图案，引导学生推理出“额外”衍射亮点的来源应该与手机屏幕的结构有关.

（4）结合网上调研和屏幕微观结构的展示，引出微小结构的“小镜面-像素”阵列可以实现反射光斑出现衍射图案，引起学生的直接思考与质疑，最终得出光的传输具有波动性.

此外，科学探究是学生认识物理现象、研究物理规律的重要手段.在物理课堂中开展趣味物理实验对于全面提高学生的核心素养具有重要意义.“生活化”的趣味光反射实验的引入，能让学生在高度专注的课堂状态下，深入理解光反射的物理概念和反射定律，同时还能够引导学生探究出光传输的特性不仅仅是直线传输（光的粒子性），光的传输还可以类比于“波”（光的波动性），从而激发学生在对于光传输的“额外亮点”的相关物理知识学习和探索.这样有助于学生的科学探究素养的培养，其具体表现在如下几点.

（1）问题的引入，直线传输的光，对应的光斑为什么会出现衍射阵列？

（3）结合光栅方程，解释衍射光斑图形与屏幕像素之间的对应关系，理解二维光栅的概念、光传输的波动性.

（4）拓展学生自主探讨不同类型的手机屏幕与衍射光斑的关系，得出如何通过物理手段验证不同屏幕之间像素的疏密和排布等性质.

4 归纳总结

笔者在基于中学物理知识的基础上对光的反射所形成的光斑呈现矩阵排列的亮点形成的原理做了简单的分析，利用光的反射和衍射知识进行了定性的理解，并通过实验进行了计算，揭示了手机显示屏内部的像素分布结构和其像素排列的间隔，其结果与理论分析基本一致.相比于传统的光的反射实验，利用生活中的常见物品展现并拓展相关的物理知识，本实验更具有趣味性，不仅仅是教师可以在课堂上直接展示，学生在家庭里也可以进行自主探索，因而既丰富了教学内容，也提升了学生的“科学思维”和“科学探究”能力.当然，教师也可以对实验进行进一步研究，例如，考虑不同距离、不同入射角度探索光的反射和衍射带来的亮点阵列的演变.最后，通过学习书本中的物理知识，结合现代社会中的“虚拟化”、“数字化”平台的载体-智能手机，希望能够让生活化的物理实验在学生提升科学思维能力、增强科学探究能力方面充分发挥其特色优势.