利用自制加湿喷雾器改进“光的反射”相关实验

曹键粮 彭朝阳 朱兴磊

(云南师范大学物理与电子信息学院 云南 昆明 650500) (会泽县茚旺高级中学 云南 曲靖 654200)

物理实验教学能够帮助学生有效地建立物理概念、理解物理规律和掌握物理知识，是物理教学的重要组成部分，也是提高学生核心素养的重要途径.但是教材中有些实验方案、实验仪器还存在一些不足之处，再考虑到不同的实验环境和条件使得实验进行起来不易操作或者现象不够明显直观，无法充分发挥实验在实际教学中的重要作用及优势.以“光的反射”为例，笔者对沪科版教材中“光的反射”这一节内容中的实验设计进行了分析，并对该实验进行了改进与创新.

1 “光的反射”实验分析

1.1 教材中的实验设计

沪科版八年级物理第4章第1节中“光的反射”是学生接触到的第一个有关光学规律的探究实验，也是后面探究学习其他光学知识的基础，并且课程标准对本节内容的要求是通过实验探究总结得出光的反射定律，可见本节实验的重要性.

教材中的实验设计原文引述如下.

探究光的反射规律：

实验所需的器材有光源、平面镜、可折转的光屏.按图1装配好实验器材.

图1 教材中光的反射实验装置

(1)让入射光线沿光屏投射到平面镜上，观察反射光线的方向.

(2)将有反射光线的半个光屏向后折转一个角度，观察光屏上还有反射光吗？为什么？

(3)研究反射光线、法线、入射光线之间的相互位置关系.

(4)研究反射角和入射角的大小关系.

从大量实验研究总结得出光的反射规律.

1.2 教材中实验存在的不足

教材上探究光的反射规律实验设计可谓是简单、明了，但是在实际教学中操作起来并不简单，并且逻辑不够严谨、实验效果不够理想，具体分析如下.

(1)实验中需要光线紧贴着光屏而且刚好投射到入射点才能在光屏上同时观察到入射光线和反射光线，这一过程不易调节；并且在探究两角相等时需要不断改变入射光线，就需花很长时间不断调节光线保证它出现在光屏上，实验效率低下.

(2)教材中实验分为4个步骤，第一步让学生观察光的反射现象，第二步探究三线共面，第三步探究两线异侧，第四步探究两角相等.教材中是通过光屏呈现出光路，并且首先让学生观察光屏上的入射光线和反射光线，这相当于已经默认了反射光线、法线、入射光线在同一平面内，接下来又进行三线共面的探究，这样的设计逻辑上并不严谨.导致出现这样的结果原因就在于呈现光路的方式出现了问题.

(3)实验中的光的反射现象只是呈现在某一个平面上，无法让学生多角度、全方位地观察整个空间中的入射光线和反射光线；单一平面光线的呈现形式也使大多方位的学生观察效果欠佳.

(4)在探究三线共面时，当半个光屏向后折转一个角度后，在光屏上只观察到入射光线而反射光线不见了，这就能说明三线共面吗？那反射光线到底在哪？是否也发生了折转？这一系列的问题还未解决就得出三线共面的规律并不具有说服力.

(5)实验中在白色光屏上探究两角相等时，不断改变入射角，需要在白色光屏上描绘出各次入射光线和反射光线的径迹，之后再来量取角度，这样操作起来烦琐、耗时.

2 自制加湿器改进“光的反射”实验

上述存在的问题不仅影响实验效果，而且也会使学生怀疑实验结论的科学性.经过分析可以发现最为突出的问题出现在光路的呈现形式上，所以笔者通过自制的加湿喷雾器来改变光路的呈现形式从而突破以上问题，具体如下.

实验器材:塑料盒、雾化头、小风扇、发红光和绿光的激光笔各一只、小平面镜、铁架台、标有角度的光屏.

实验原理:加湿器的主要原件是雾化头，雾化头上装有超声波雾化片，通过雾化片的高频谐振将液态水分子结构打散而产生自然飘逸的水雾，再通过小风扇把水雾朝某一方向吹去，就能形成连续不断的水雾，通过水雾把光传播的路径呈现出来实现让光线回归到三维空间,如图2所示，有利于进行“光的反射”实验探究.

图2 实验原理示意图

实验设计及过程:(1)接通自制加湿喷雾器的电源，水雾从出雾口连续喷出，激光笔发出的光线穿过水雾射到平面镜上，便可以观察到清晰、真实的入射光线和反射光线,如图3所示.

图3 通过水雾呈现光传播的路径

并且可以在空间中任意方位、任意角度演示光的反射现象,便于不同方位学生观察.在观察反射现象的基础上,学生会发现反射光线和入射光线总是呈现“你左我右，你前我后”的状态，便容易想到反射光线和入射光线可能是对称的，从而由对称轴引出“法线”的概念可加深学生的理解，进一步进行两线异侧的实验探究.以激光笔发出的红色光线作为法线，绿色光线作为入射光线，让入射光线以入射点为基点任意变换让学生观察，发现不管任意方位入射光线与反射光线总是位于法线两侧，进而总结出两线异侧的规律,如图4所示.

图4 演示入射光线和反射光线的关系

(2)三线共面是两角相等的前提，所以接下来进行三线共面的实验探究.在上一步两线异侧的基础上用光屏进行参照引导学生猜想三线是否共面,如图5所示.接着将有反射光线的半个光屏向后折转一个角度，学生仍然可以清楚地看到反射光线，并且同时也可以看到反射光线并没有跟随光屏折转,如图6所示.说明反射光线仍处于刚才那一平面，进一步总结出三线共面的规律.

图5 利用光屏进行参照，演示三线关系

图6 将光屏折转，观察反射光线

(3)探究两角关系时，只需要将标有角度的光屏直接贴近入射光线和反射光线便可以快速读出入射角与反射角的大小,如图7所示.以此重复多次记录下多组反射角和入射角的大小，分析数据总结得出两角相等的关系.

图7 观察入射角和反射角的大小

3 效果及评价

(1)通过对教材上实验的改进与创新突破了光路的呈现形式，能够将光屏上的二维光路跳出光屏呈现在三维空间中，使实验现象更加形象、直观，更具有科学性.改进后的实验不易受到环境光照情况的影响，便于全体学生多方位的观察，大大增加了实验现象的可见度与可视范围；同时降低实验操作难度，能够很好地帮助学生探究、理解光的反射定律.

(2)在实验设计上利用改进后的实验仪器让学生先观察立体空间的光的反射现象，再回到某一平面探究三线共面，避免了原有实验逻辑上不够严谨的弊端.

(3)成品加湿器价格昂贵出雾量小，但通过自制的方式可增加雾化头数量增大出雾量，且成本低可大量制作；实验操作简单，除了可以进行演示，也可以实现学生的分组实验.

(4)自制加湿喷雾器突破了原有光路的呈现形式，不仅可以改进光的反射实验，还可以完成一些初中常见的光学实验，例如光的直线传播、光路可逆、镜面反射与漫反射、凸面镜和凹面镜对光线的作用、光的折射、凸透镜和凹透镜对光线的作用等.

1)镜面反射与漫反射.在关于镜面反射和漫反射的实际教学中，大多都是让学生直接看教材上镜面反射和漫射的光路图或者让学生动手作图来学习该知识点，然后通过学生的想象再解释一些自然现象.而利用加湿喷雾器便可把光路真实、形象地呈现出来，更利于学生理解与学习,如图8(a)，(b)所示.

图8 镜面反射与漫反射实验演示

2)凸面镜与凹面镜对光线的作用.凸面镜和凹面镜是生活中应用广泛的两类球面镜，学生在学习了平面镜成像的知识后需要对生活中凸面镜和凹面镜应用现象进行解释.但是目前平面光路的呈现形式是无法演示出凸面镜和凹面镜对光线的作用，所以学生对知识的学习仅停留在对知识记忆的层面.自制加湿喷雾器可呈现出三维空间的光路便可以突破这一问题，图9所示为利用该仪器可清晰地演示出凹面镜对光线的汇聚作用.

图9 凹面镜对光线的汇聚

3)凸透镜与凹透镜对光线的作用.利用加湿喷雾器可呈现出三维空间的光路这一特点，也可以将凸透镜与凹透镜的空间光路呈现出来，图10清楚地呈现出了凸透镜对光线具有汇聚作用.

图10 凸透镜对光线的汇聚