光的全反射實驗創(chuàng)新設(shè)計張拓【摘要】光的全反射現(xiàn)象在自然界中很常見又有著很多應(yīng)用，但光路的不易視性給學(xué)生接受這種自然現(xiàn)象和掌握全反射規(guī)律帶來了困難。做好全反射的演示實驗或輔助實驗，使光路可見成為化解難點的有效手段?！酒诳Q】《延邊教育學(xué)院學(xué)報》【年(卷)，期】2012(000)005【總頁數(shù)】3頁(P118-120)【關(guān)鍵詞】高中物理;光全反射;實驗設(shè)計【作者】張拓【作者單位】延邊第二中學(xué)，吉林延吉133000【正文語種】中文【中圖分類】G641物理實驗的鮮明、直觀、立體等特點能使抽象的問題簡單化又常常令學(xué)生興奮不已，解決問題的同時又會萌發(fā)〃為什么這樣呢？”的想法，于是猜想、思考、尋求答案的自主學(xué)習(xí)過程就產(chǎn)生了。興趣是最好的老師。顯然，物理實驗可以很好地激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣。全反射是高中物理人教版選修3-4第十三章光的第二節(jié)課，是光這一章的重點和難點，做好演示實驗和輔助實驗，對于學(xué)生理解光的全反射現(xiàn)象非常必要和重要。而全反射現(xiàn)象可以與反射、折射等現(xiàn)象一起結(jié)合幾何知識來考察學(xué)生的空間想象能力和解題、作圖規(guī)范性等，所以是選修3-4的重中之重。一、 實驗創(chuàng)新設(shè)計的背景和目的光的全反射現(xiàn)象雖然很常見，應(yīng)用也有很多，但經(jīng)驗總是告訴人們，〃耳聽為虛、眼見為實”，光在傳播過程中的不易視性給學(xué)生接受全反射現(xiàn)象和規(guī)律帶來了困難;一些特殊的光學(xué)器材（如半圓形玻璃磚）只有在特定的課堂中才能顯示它的作用，缺少貼近生活的真實性；人教版選修3-4第十三章第二節(jié)全反射，教材在〃做一做”部分提供了水流導(dǎo)光的實驗，該實驗?zāi)軌蝻@示水流導(dǎo)光，但光路偏折情況沒有顯示出來；〃海市蜃景”這種自然奇觀一直以虛幻、神秘莫測著稱，這種現(xiàn)象需要滿足一定的條件才能發(fā)生，所以現(xiàn)實生活中真正看到海市蜃景的人并不多，這更增添了海市蜃景的神秘色彩?，F(xiàn)狀呼吁我們教師將光的全反射現(xiàn)象、光路傳播情況淺顯、直觀的展現(xiàn)在學(xué)生面前;同時，也期待我們揭開海市蜃景的神秘面紗。通過本創(chuàng)新實驗設(shè)計，希望達(dá)到以下幾個目的：1、 通過觀察水流導(dǎo)光現(xiàn)象，認(rèn)識和接受光的全反射現(xiàn)象；2、 通過觀察激光在水流中的偏折現(xiàn)象理解彎曲的玻璃棒可以導(dǎo)光的原理；3、 通過觀察光路彎曲情況，結(jié)合成像情況理解自然奇觀〃海市蜃景”形成的原因。二、 原實驗及不足之處選修3-4第十三章第二節(jié)全反射部分，教材提供的實驗是用光的全反射儀使光沿半徑方向射向玻璃和空氣的交界面上，逐漸增大入射角，觀察光的傳播情況，該實驗?zāi)茏寣W(xué)生觀察到光的整個傳播過程，但它缺乏一般性，沒有取材于生活、服務(wù)于生活的真實感；而在做一做部分，教材提供了水流導(dǎo)光的實驗，該實驗?zāi)軌虼致缘娘@示水流導(dǎo)光，但光路偏折情況沒有顯示出來，使全反射還是流于紙面；另外，教材自始至終都沒有提供海市蜃景的形成或?qū)嶒灧椒?，雖然海市蜃景的形成原因仁者見仁、智者見智，但成因與光的折射和全反射現(xiàn)象有關(guān)還是可以肯定的；海市蜃景這一自然奇觀不應(yīng)始終以虛無飄渺、若隱若現(xiàn)的姿態(tài)長期停留在學(xué)生心目中，學(xué)生學(xué)習(xí)了光的折射和全反射之后就應(yīng)該揭開海市蜃景的神秘面紗，還學(xué)生一個正確的人生觀和價值觀。三、 實驗設(shè)計思路、原理光在同一均勻介質(zhì)中會沿著直線傳播，當(dāng)介質(zhì)發(fā)生變化，傳播速度發(fā)生變化，因此出現(xiàn)了偏折情況，當(dāng)光從水中射向空氣，入射角大于或等于臨界角時，會被全部反射回水中傳播，而不能折射出去。因此，如果在水流的前方，放置一擋板，就能“接收”到流出的光；水流可以導(dǎo)光而且水是透明的，為光路可見提供了可行的條件。激光的平行性好，亮度高，因此可用激光作為光源，將光實際的傳播路徑呈現(xiàn)在學(xué)生面前；海市蜃景是由于光的折射和全反射造成的，如果能將這一自然奇觀搬上課堂，一定能讓學(xué)生在大飽眼福的同時，自然的接受這一神奇現(xiàn)象。食鹽、糖等物質(zhì)溶解后，在與水相互擴(kuò)散過程中不同濃度處的折射率并不相同，這為光的折射和全反射提供了條件。四、 實驗裝置、器材及用品不透明的鐵桶（奶粉桶），小燈泡，干電池4節(jié)，導(dǎo)線若干，激光器（或激光筆）、大塑料瓶（2L左右即可）、水、玻璃長方體容器、導(dǎo)管（輸液管即可）、夾子、食鹽等。五、 實驗操作步驟、過程（一）水流導(dǎo)光1將鐵桶在靠近底部處鉆一個直徑約1mm左右的孔，事先在桶的外側(cè)將小孔粘住;將小燈泡連接好電路放入桶中靠近小孔處，可用膠布粘牢；接通電源，可以看到光沿直線從小孔射出；關(guān)掉電源，將桶內(nèi)注入4/5容積的清水；再次接通電源，揭掉桶夕卜側(cè)膠布，可以看到水從小孔流出，同時，光不再沿直線傳播，在水流前進(jìn)的方向里用手可以接收到流出的水和“流出”的光；外加風(fēng)或其他擾動，改變水的運(yùn)動方向，但無論水向何方運(yùn)動，光始終〃逃不出〃水流的控制，其實，這是光在水和空氣的界面上，發(fā)生了全反射的緣故。（一） 水流導(dǎo)光2在2L左右的塑料瓶靠近底部鉆孔（直徑5mm左右的圓形孔）；將塑料瓶中裝滿水并先將小孔堵住，在塑料瓶內(nèi)滴入2-3滴牛奶，至混合均勻并穩(wěn)定；將激光器（或激光筆）從塑料瓶的后面對準(zhǔn)小孔，打開激光源；釋放小孔，即可看到光從小孔隨水噴出，光路彎曲及全反射情況清晰可見，但無論遇到什么干擾，光同樣都不會〃逃出”水流的控制。（二） 海市蜃景取玻璃長方體容器平放置在周圍比較寬闊的地方，加入2000L左右的水，加入食鹽100克左右，對其攪拌至充分溶解；待溶液完全穩(wěn)定后，取導(dǎo)管放入清水中，使導(dǎo)管中注滿清水，將導(dǎo)管一端從水中移出，注意用手堵住管口；松開手，見清水慢慢導(dǎo)入溶液中時，用夾子調(diào)節(jié)水流的速度，不宜太快，約一秒鐘一滴為宜；在容器前放置比較鮮艷、明亮的物體（高度視溶液高度而定）；半小時后可以看到溶液分層，約1個小時后開始透過溶液看物體，調(diào)整觀察的位置或角度，或調(diào)解物體的位置、高度等，可以看到正立和倒立的像；輕輕晃動容器，可以看到正立和倒立的像隨之搖擺、若隱若現(xiàn)，同海上呈現(xiàn)的高樓玉宇如出一轍，這樣人工海市蜃景便制作成功了。六、 實驗創(chuàng)新點及其意義隨手取材，但能將光路清晰展現(xiàn)在學(xué)生面前，增強(qiáng)感性認(rèn)識，增加現(xiàn)象的真實感和規(guī)律的可信度；實際教學(xué)過程中，既可以用作引課環(huán)節(jié)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；也可輔助理解全反射現(xiàn)象和規(guī)律，突出重點、突破難點；揭開海市蜃景的神秘面紗，做到學(xué)以致用，加強(qiáng)科學(xué)觀教育；根據(jù)光的全反射現(xiàn)象可制成光導(dǎo)纖維，用光作載體傳遞信息時，讓光發(fā)生全反射，可以減少能量損失，節(jié)約能源。七、 自我評價水流導(dǎo)光實驗改進(jìn)之后，更直觀、光路清晰可見，同時能將教學(xué)參考書上的水流彎曲的實驗整合到一起；提高了課堂效率，揭示了水流導(dǎo)光的原因；結(jié)合光路偏折及成像情況，能夠幫助學(xué)生定性理解海市蜃樓的成因。上述實驗一方面驗證了光由光密介質(zhì)射向光束介質(zhì)時，會有全反射現(xiàn)象發(fā)生，從本質(zhì)上揭示了水流導(dǎo)光、彎曲的玻璃導(dǎo)光的原理；另一方面，通過實驗驗證了光線在擴(kuò)散層內(nèi)發(fā)生彎曲，以及可以經(jīng)擴(kuò)散層全反射形成倒立的像和經(jīng)折射形成正立的像。由此說明：〃’海市蜃樓’是由光的折射產(chǎn)生的一種現(xiàn)象”和〃’海市蜃樓’是由光在密度分布不均勻的空氣中傳播時產(chǎn)生的全反射現(xiàn)象”說法都是正確的。觀察到的景物是正立的還是倒立的，只不過是觀察的位置不同；而且，若人在較高處，逆著彎曲的折射光線看去，可看到經(jīng)折射形成的懸在空中的正立的虛像；若人在較低處，逆著彎曲的反射光線看去，可