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全反射實(shí)驗(yàn)套組的設(shè)計(jì)與使用 天津市第二中學(xué) 摘 要：全反射實(shí)驗(yàn)套組由遠(yuǎn)程全反射演示儀 (含“整圓水槽”與“半圓水槽”配件) 、水流導(dǎo)光、“移花接木”三部分組成。文中介紹全反射實(shí)驗(yàn)套組的設(shè)計(jì)思路、原理及在教學(xué)中的實(shí)際應(yīng)用, 簡(jiǎn)述實(shí)驗(yàn)套組的制作過(guò)程、設(shè)計(jì)的創(chuàng)新點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)。實(shí)驗(yàn)套組在形式上的推陳出新, 其環(huán)環(huán)相扣的設(shè)計(jì)理念是該套組最大的創(chuàng)新, 這些創(chuàng)新所帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)在實(shí)際教學(xué)中得到了充分的展現(xiàn)。 關(guān)鍵詞：遠(yuǎn)程全反射演示儀; 整圓水槽; 半圓水槽; 移花接木; 《全反射》是人教版高中《物理 (選修3-4) 》第十三章《光》的重點(diǎn)內(nèi)容, 全反射是生活中常見(jiàn)的物理現(xiàn)象。本節(jié)課程從光的折射入手, 探討了光發(fā)生全反射現(xiàn)象的條件及相關(guān)應(yīng)用。同時(shí), 本節(jié)內(nèi)容與生產(chǎn)和科技應(yīng)用緊密相聯(lián), 體現(xiàn)了“從生活走向物理, 從物理走向社會(huì)”的思想。 一、實(shí)驗(yàn)套組的設(shè)計(jì)思路 《全反射》實(shí)驗(yàn)套組由“水流導(dǎo)光”、“移花接木”和遠(yuǎn)程全反射演示儀三部分構(gòu)成。下面筆者將介紹該實(shí)驗(yàn)套組的整體設(shè)計(jì)思路。 首先, 全反射現(xiàn)象及發(fā)生全反射的兩個(gè)條件是本節(jié)課的教學(xué)重點(diǎn)。兩個(gè)條件分別為: (1) 光從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì); (2) 入射角等于或大于臨界角。通常采用查閱表格、進(jìn)行比較的方法先得出光疏介質(zhì)與光密介質(zhì)的概念, 再觀察光從水射入空氣及光從玻璃射入空氣這兩個(gè)實(shí)驗(yàn), 總結(jié)發(fā)生全反射的兩個(gè)條件。但這樣做容易讓學(xué)生產(chǎn)生一個(gè)認(rèn)知誤區(qū), 即光疏介質(zhì)就是空氣。學(xué)生并沒(méi)有見(jiàn)過(guò)光從一種介質(zhì)射入另一種非空氣介質(zhì)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象, 而教材中也僅僅在小字部分提到了該實(shí)驗(yàn)情景。為了創(chuàng)設(shè)讓光從一種介質(zhì)射入另一種非空氣介質(zhì)的實(shí)驗(yàn)情境, 筆者設(shè)計(jì)出一個(gè)“整圓水槽”, 實(shí)現(xiàn)了讓光從玻璃射入水中的實(shí)驗(yàn)情境。為了讓傳統(tǒng)的“半圓水槽”和創(chuàng)新的“整圓水槽”在儀器上得到整合, 筆者通過(guò)固定螺母將它們制作成了可替換的模式, 這樣做既方便操作又節(jié)省空間。 (見(jiàn)圖1, 圖2) 其次, 解釋生活中的全反射現(xiàn)象是本節(jié)課的教學(xué)難點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)上關(guān)于《全反射》這節(jié)課的小實(shí)驗(yàn)非常多。為了與遠(yuǎn)程全反射演示儀創(chuàng)設(shè)的“半圓水槽”相呼應(yīng), 筆者制作了“水流導(dǎo)光”演示儀;為了與“整圓水槽”相呼應(yīng)制作了“移花接木”演示儀。這兩個(gè)儀器在教學(xué)的開(kāi)篇起到了拋磚引玉的作用。當(dāng)學(xué)習(xí)完本節(jié)課后, 再讓學(xué)生利用學(xué)到的知識(shí)解釋發(fā)生這兩個(gè)現(xiàn)象的原因, 達(dá)到前后呼應(yīng)的效果。 圖1 遠(yuǎn)程全反射演示儀機(jī)身 圖2 安裝“半圓水槽”的儀器 二、實(shí)驗(yàn)套組的設(shè)計(jì)原理 (一) 遠(yuǎn)程全反射演示儀 (見(jiàn)圖3, 圖4) 圖3“半圓水槽”原理圖 圖4“整圓水槽”原理圖 (二) “移花接木”演示儀 (見(jiàn)圖5, 圖6) 當(dāng)光從光密介質(zhì) (折射率為n1) 射入光疏介質(zhì) (折射率n2, 且n1>n2) 時(shí), 折射角大于入射角, 當(dāng)入射角增大至某一數(shù)值 圖5 放水前“移花接木”原理圖 圖6 放水后“移花接木”原理圖 在入射角一定的情況下, 通過(guò)改變光密介質(zhì)折射率n1與光疏介質(zhì)折射率n2的比值, 即可控制全反射能否發(fā)生。 三、實(shí)驗(yàn)套組的制作 (一) 遠(yuǎn)程全反射演示儀 (1) 制作材料:8mm和5mm厚的透明亞克力板、5mm厚的白色亞克力板、30mm厚的亞克力管、一字激光筆2只 (綠光) 、激光筆架、金屬舵機(jī)、軸承、鋁盤 (配重) 、螺母若干、航模遙控器、排線、半圓形玻璃磚、三氯甲烷、熱熔槍 (含熱熔膠) 、玻璃漏斗。 (2) 技術(shù)支持的儀器設(shè)備:激光切割機(jī)、3D打印機(jī)、相關(guān)機(jī)床。 (3) 制作過(guò)程:使用軟件Auto CAD繪制效果圖。將搖臂的形狀設(shè)計(jì)成“雙鐮刀”形狀, 這樣就實(shí)現(xiàn)了入射光360°無(wú)死角射入, 表盤上四個(gè)象限的刻度被全部利用。利用激光切割機(jī)將所有的零部件切割完成, 利用三氯甲烷將所有的零件進(jìn)行粘貼組裝。在能轉(zhuǎn)動(dòng)的搖臂上留有孔位, 將激光筆的筆托 (根據(jù)激光筆的直徑進(jìn)行設(shè)計(jì), 再用3D打印機(jī)制作而成) 固定住, 將激光筆嵌入筆托, 這樣就完成了激光筆的組裝。在機(jī)器后面安裝好舵機(jī), 配合航模遙控器實(shí)現(xiàn)了搖臂的遠(yuǎn)距離控制。最后制作兩個(gè)水槽。為了達(dá)到可以替換的效果, 在水槽的背后安裝上固定螺母, 達(dá)到自由安裝和拆卸的目的。 (二) “移花接木”演示儀 (見(jiàn)圖7, 圖8) 圖7 安裝黑蓋的“移花接木” (1) 制作材料:8mm和5mm厚的透明亞克力板、5mm厚的白色亞克力板、3mm厚的黑色亞克力板、2塊50mm厚的全反射棱鏡、點(diǎn)狀激光筆2個(gè) (綠光和紅光各1個(gè)) 、直徑2mm的石英棒 (擴(kuò)束器) 、激光筆架、排線、半圓形玻璃磚、三氯甲烷、熱熔槍 (含熱熔膠) 、止水夾、漏斗。 圖8 打開(kāi)黑蓋的“移花接木” (2) 技術(shù)支持的儀器設(shè)備:激光切割機(jī)、3D打印機(jī)、相關(guān)機(jī)床。 (3) 制作過(guò)程:使用軟件Auto CAD繪制效果圖。演示儀設(shè)計(jì)的巧妙之處是豎置, 這樣就可以在講臺(tái)前直接演示, 無(wú)需借助實(shí)物投影儀, 學(xué)生就可以直接觀察現(xiàn)象;其次亞克力板為鏤空設(shè)計(jì), 全反射棱鏡鑲嵌其中而不是粘貼上去, 這樣更加牢固, 不用擔(dān)心全反射棱鏡墜落;再次, 為了令其具有魔術(shù)效果, 將黑色亞克力板制作成黑蓋, 蓋在正方形透明亞克力盒的外部, 這樣學(xué)生只能觀察到出射光的變化, 卻無(wú)法得知內(nèi)部構(gòu)造, 極大地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。為了讓所有的光路顯而易見(jiàn), 在正方形的亞克力盒內(nèi)外側(cè)均粘上白色亞克力板。最后在亞克力盒上端和下端分別打孔, 上孔用于注水, 下孔用于放水, 止水夾可以控制水的流速。 四、實(shí)驗(yàn)套組的創(chuàng)新與優(yōu)勢(shì) (一) 遠(yuǎn)程全反射演示儀 (1) 遙控器的使用給學(xué)生帶來(lái)了強(qiáng)烈的視覺(jué)沖擊和感官?zèng)_擊, 調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。 (2) 該儀器若用于演示實(shí)驗(yàn), 遠(yuǎn)距離操控的優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)在教師可以邊在教室中走動(dòng)邊與學(xué)生進(jìn)行交流, 根據(jù)學(xué)情隨時(shí)隨地改變光路, 觀察現(xiàn)象, 教師不再被禁錮在講臺(tái)上;若用于分組實(shí)驗(yàn), 遠(yuǎn)距離操控的優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)為操作者也可以從正面邊操作邊觀察, 并且不對(duì)其他觀察者形成任何遮擋。 (3) 傳統(tǒng)的全反射水槽實(shí)驗(yàn)儀器, 雖然周圍有四個(gè)象限的完整刻度, 但是受到儀器底座的限制, 三四象限的部分刻度是無(wú)用的。遠(yuǎn)程全反射演示儀的搖臂, 其“雙鐮刀”形狀的設(shè)計(jì)可以做到360°無(wú)死角地調(diào)節(jié)入射光的角度, 所有的刻度都可以有效地利用上, 滿足了學(xué)生想從各個(gè)方向觀察光路的期望。 (4) 可以自由地替換“半圓水槽”與“整圓水槽”, 觀察兩種情境下的全反射現(xiàn)象, 相比于只讓學(xué)生觀察從其他介質(zhì)射入空氣發(fā)生全反射的情況, 這樣做更利于讓學(xué)生深刻地理解光密介質(zhì)和光疏介質(zhì)的相對(duì)性概念。 (二) “移花接木”演示儀 (1) 豎置結(jié)構(gòu), 現(xiàn)象便于觀察, 不再借助實(shí)物投影儀。 (2) 黑蓋設(shè)計(jì)產(chǎn)生了魔術(shù)般的實(shí)驗(yàn)效果, 在教學(xué)上起到了拋磚引玉的作用, 突出趣味性。 (3) 手提一體式設(shè)計(jì), 極大降低了操作難度, 使用起來(lái)方便快捷。 五、全反射實(shí)驗(yàn)套組的應(yīng)用 本節(jié)課由三個(gè)部分組成, 分別是實(shí)驗(yàn)引入新課, 實(shí)驗(yàn)探索真知, 實(shí)驗(yàn)拓展應(yīng)用。 (一) 實(shí)驗(yàn)引入新課 教師演示“水流導(dǎo)光”和“移花接木”兩個(gè)實(shí)驗(yàn)。目的是為后面學(xué)習(xí)光導(dǎo)纖維和全反射棱鏡做好鋪墊。自行設(shè)計(jì)的“移花接木”更像是魔術(shù), 在黑箱中注滿水, 打開(kāi)激光器, 發(fā)現(xiàn)橫著看綠光進(jìn)去, 綠光出來(lái), 豎著看紅光進(jìn)去, 紅光出來(lái)。接著將黑箱中的水放出, 發(fā)現(xiàn)紅色與綠色的出射光互換了位置。這樣就引發(fā)了學(xué)生的認(rèn)知沖突, 將學(xué)生帶入到探索的情境之中。 (二) 實(shí)驗(yàn)探索真知 安裝好“半圓水槽”。水槽上半部分是空氣, 下半部分是水。組織學(xué)生開(kāi)展活動(dòng)一:觀察結(jié)構(gòu)、使用儀器?；顒?dòng)一主要是讓學(xué)生自由地“玩”一會(huì)兒?；顒?dòng)期間發(fā)現(xiàn)有的學(xué)生讓入射光快速地旋轉(zhuǎn), 大體觀察一下光路的變化情況;有的則是一動(dòng)一停地緩慢轉(zhuǎn)動(dòng), 360°無(wú)死角地細(xì)致觀察每個(gè)角度的光路情況。 在教師巡視的時(shí)候, 有學(xué)生說(shuō)他們發(fā)現(xiàn)了當(dāng)入射光射到某些位置的時(shí)候, 折射光就消失了。教師告訴學(xué)生他們發(fā)現(xiàn)的就是全反射現(xiàn)象。這塊內(nèi)容的傳統(tǒng)教學(xué)模式是先畫圖猜想再驗(yàn)證觀察, 但考慮到全反射現(xiàn)象并不難被發(fā)現(xiàn), 于是為了鍛煉學(xué)生的觀察能力, 教師設(shè)計(jì)出讓學(xué)生“玩”出全反射的創(chuàng)新模式。緊接著提出問(wèn)題:全反射現(xiàn)象是怎么形成的呢? 讓學(xué)生帶著這個(gè)問(wèn)題開(kāi)展活動(dòng)二:初步探究發(fā)生全反射的條件。有的小組觀察得到兩個(gè)條件: (1) 光由其他介質(zhì)射入空氣; (2) 入射角必須等于或者大于某一角度。這時(shí)就有學(xué)生提出了這樣的問(wèn)題:一定是光射入空氣嗎?如果讓光從一種介質(zhì)射入到另一種介質(zhì)就一定不會(huì)發(fā)生全反射嗎? 受教材第49頁(yè)小字部分的啟發(fā), 筆者設(shè)計(jì)出可以替換的配件———“整圓水槽”。將水注滿, 在其圓心處鑲上一塊“半圓形玻璃磚”, 讓光沿半徑射到玻璃與水形成的界面上, 這樣就創(chuàng)設(shè)出了“光從一種介質(zhì)射入另一種介質(zhì)”的實(shí)驗(yàn)條件。 隨后開(kāi)展活動(dòng)三:探究在該條件下光是否可以發(fā)生全反射。學(xué)生發(fā)現(xiàn)光從玻璃射入水中可以發(fā)生全反射, 從水射入玻璃則不會(huì)。 前后兩次探究實(shí)驗(yàn)說(shuō)明發(fā)生全反射的條件究竟是什么呢?隨后開(kāi)展活動(dòng)四:歸納總結(jié)發(fā)生全反射的條件。 讓學(xué)生查閱教材第46頁(yè)的“表1”, 得知水相對(duì)于空氣折射率較大, 相對(duì)于玻璃折射率較小, 學(xué)生歸納總結(jié)出發(fā)生全反射的條件是: (1) 光從折射率較大的介質(zhì)射入折射率較小的介質(zhì); (2) 入射角等于或大于某個(gè)角度。此時(shí)教師引出光疏介質(zhì)與光密介質(zhì)及臨界角的相關(guān)概念。學(xué)生就準(zhǔn)確地總結(jié)出兩個(gè)條件為: (1) 光從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì); (2) 入射角等于或大于臨界角。該環(huán)節(jié)鍛煉了學(xué)生歸納總結(jié)的能力。 至此由四個(gè)學(xué)生活動(dòng)層層遞進(jìn)地突破了全反射現(xiàn)象及發(fā)生全反射的條件這個(gè)教學(xué)重點(diǎn)。 隨后開(kāi)展活動(dòng)五:組織學(xué)生閱讀教材第50頁(yè)的“思考與討論”, 推導(dǎo)得出公式 (三) 實(shí)驗(yàn)拓展應(yīng)用 對(duì)于物理而言比較難的就是用已經(jīng)學(xué)過(guò)的物理模型去解釋生活中的實(shí)際問(wèn)題, 所以解釋全反射現(xiàn)象就是本節(jié)課的難點(diǎn)。 引導(dǎo)學(xué)生從全反射的條件入手解釋“水流導(dǎo)光”現(xiàn)象, 隨后由教師拓展介紹光纖的結(jié)構(gòu)與原理。再解釋移花接木, 打開(kāi)黑箱發(fā)現(xiàn)里面有兩塊相同的等腰直角三棱鏡, 由此引出全反射棱鏡的教學(xué)內(nèi)容。再演示一次打開(kāi)黑箱后的“移花接木”實(shí)驗(yàn), 由于原理較難, 教師將以設(shè)問(wèn)的形式引導(dǎo)學(xué)生逐步揭秘:問(wèn)題 (1) 判斷放水前后光是否都是由光密介質(zhì)射入到光疏介質(zhì)的?學(xué)生可以答出光先是從玻璃射入水, 放水后由玻璃射入空氣, 符合光密到光疏的條件。那矛盾只能出在另一個(gè)條件上。問(wèn)題 (2) 激光器位置固定說(shuō)明了什么?學(xué)生可以答出說(shuō)明入射角不變。問(wèn)題 (3) 放水究竟改變了什么?這時(shí)學(xué)生就能夠想到由水變成空氣改變的只能是臨界角。讓入射角從小于臨界角變成了大于臨界角, 滿足了全反射發(fā)生的條件, 出射光發(fā)生互換。至此, 之前的全反射演示儀展現(xiàn)的是“臨界角不變, 改變?nèi)肷浣恰钡膫鹘y(tǒng)思維模式, 而“移花接木”則展現(xiàn)了“入射角不變, 改變臨界角”的創(chuàng)新思維模式, 兩個(gè)實(shí)驗(yàn)從不同視角應(yīng)用了發(fā)生全反射的條件, 再次強(qiáng)化了該重點(diǎn)。 在此做個(gè)說(shuō)明, “移花接木”本質(zhì)上會(huì)涉及到相對(duì)折射率的知識(shí), 但是高中階段課本只要求掌握絕對(duì)折射率, 所以教師在這里只要像上述這樣從兩個(gè)條件入手來(lái)引導(dǎo)學(xué)生, 就可以做到既避開(kāi)敏感問(wèn)題又應(yīng)用了新的知識(shí)。如果還有學(xué)生依舊存在疑問(wèn), 可以課下與教師進(jìn)行交流。 最后學(xué)生進(jìn)行課堂小結(jié), 對(duì)本節(jié)課的內(nèi)容進(jìn)行梳理。 課后學(xué)生們利用遠(yuǎn)程全反射演示儀開(kāi)展了課外延展活動(dòng), 他們利用儀器根據(jù)全反射現(xiàn)象和公式sinC=1/n測(cè)出了自帶液體的折射率, 具體數(shù)值見(jiàn)表1。 表1 自帶液體的折射率
作者簡(jiǎn)介：穆丁蕊, 天津市第二中學(xué), 一級(jí)教師。 文章發(fā)表在《教育與裝備研究 》2017,11(33),83-87 |
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