光折射定律探究实验教具创新设计

光折射定律探究实验教具创新设计

杨燕哗   贵州师范大学

摘要：

本文深入教材研究，通过传统教学设计反思总结以及文献查阅，继续优化光的折射实验设计，致力于为学生呈现一个现象更加立体直观，实验器材成本低廉环保同时操作更加精简的实验设计，并为教师在八年级物理光的折射一节实验设计拓宽思路。

关键词：光的折射；创新实验设计；探究实验

1.引言

早在公元2世纪托勒密已经发现折射现象，并通过实验提出“折射与入射角成正比”，虽然该结论于10世纪时被阿拉伯学者阿尔哈金推翻，但它揭示了随着入射角变大，折射角也变大的光线传播时的基本规律[1]。后历经斯涅尔、笛卡尔、费马、惠更斯等人的不懈努力，逐步确定了关于光发生折射时的定量关系[2]。

折射规律的科学建立过程对实验设备要求十分精密而充满艰辛，义务教育初中物理课程标准[3]也提出要“加强实验室课程资源的开发与利用”。

因此，如何通过精心设计教学实验，使得在现有的实验条件基础上，关于光的折射特点的课堂学习能够尽量地直观且操作简易，让学生在学习的过程中有良好的体验。是每个一线教师在实验设计中应当深入思考的问题。

2.传统实验不足

人教版教材的对应实验设计思路如右图1所示[4]，是让一束光从空气以不同角度射入一长方体形状的水箱中，然后观察光束在进入水面前后的路径传播特点。                                  图1.传统折射实验图

该实验设计虽然器材准备简单，可操作性强，但色彩单一，视觉效果较差。且在验证光的折射的可逆性时，操作十分不便。                                                

3.创新实验设计

3.1设计思路与实验器材

宋伟林等人[5]依据光的折射定律实验原理设计和制作了“课前引入，三线共面，折射定律定量探究和知识拓展应用”4个实验教具。其中三线共面实验仪器包括入射激光笔，法线激光笔，安装在圆形转盘的玻璃圆球（内部装半球的水）。而定量探究实验部分实验仪器恢复成了传统所用的角度盘等关键实验仪器。戴瑞等人[6]通过纳米喷雾仪增加入射光在空气中的可视度，并用一组自改装激光光源连续调节入射角并转换光源频率，极大提高实验美观性与学习效果。

本实验基于简易直观且低成本的实验要求，结合前人实验文献，创造性地设计了以下光的折射特点的探究实验教具。实验器具包括两个塑料半球、激光笔、马克笔、蚊香（可用其他安全替代物品制作烟雾）、红糖姜粉水（可用其他安全替代物品制作悬浊液）。

3.2制作过程

将半球托在水杯上，装满半球的水确认开口所在面处于水平面位置，然后舀去一部分水，用马克笔在塑料外球面上沿水位画线，上下半球各三条，颜色对称。如右图2所示。

为确定入射位置，将半球扣在水平桌面，用激光笔贴着桌面垂直照射。当入射光路不是直径时，桌面会有明显反射现象，此时调整照射方向，直至反射光路与入射光路完全重合，即确定为半球直径如图3所示。并用马克笔标记，然后标记位置用浅黄色胶带粘贴，重复一次操作，使两胶带呈九十度交叉如图4所示。

两半球做好标记后，将下半球装满红糖姜粉水，上半球用蚊香熏一下然后盖上。用激光笔选择上半球任意一条标记线对准球心位置照射，观察光路情况。

3.3实验现象与结论

如图5所示是不同入射情况下的实验结果。观察发现，折射光路位置总比对称标记位置更低，即光从空气斜射入水中时，折射角总小于入射角。且随着入射角变小，折射角也变小，当垂直入射时，光路不改变方向。

取另一只激光笔从出射光路入射，可继续验证光的可逆现象。如图6所示。

3.4创新之处

第一，本实验器材通过在空气半球和水半球上做对称标记线，使得学生理解入射角与折射角的大小关系更加直观立体。

第二，实验器材的球状特点，可使得验证“折射现象中光的可逆性”实验操作更便捷。

第三，本实验器材制作过程简易，成本低廉，安全环保，材料可重复使用。

4.反思与不足

本实验设计虽基于教材分析与文献查阅深入探索，总结创新，但还未应用于课堂实践中进行教育对比实验。具体实验效果有待进入中学课堂中应用实践。

参考文献

[1]王立英,王文军,张一清.光的折射定律的发现与理论推导[J].聊城师院学报(自然科学版),2002,(01):98-100.

[2]唐得志,杨三春.折射定律建立的历程和变迁[J].物理教师,2008,(01):47-49.

[3]中华人民共和国教育部.义务教育物理课程标准（2022年版）.[S].北京:人民教育出版社,2022.

[4]彭前程.义务教育教科书物理八年级上册[M].北京:人民教育出版社,2012：81-84.

[5]宋伟林,代伟,张奕等.光的折射定律实验教具设计与制作[J].大学物理实验,2021,34(05):74-77+102.DOI:10.14139/j.cnki.cn22-1228.2021.05.018

[6]戴瑞,于海波,黄行健等.光的折射和全反射演示实验改进的探究[J].物理教师,2017,38(10):39-40.