示教用光的反射与折射规律教具设计与制作

刘忠民 周琳 徐学翔 李雯雯

摘  要 物理學是一门以实验为基础的科学。学生实验教学离不开实验仪器，同样，学生或一线教师参加教学竞赛，都离不开实验仪器或自制的实验教具。详细介绍光的反射与折射规律教具的设计要求、制作技巧及细节处理。

关键词 物理;光的反射与折射;教具;演示教学

中图分类号：G642.0    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2020）20-0045-03

Abstract Physics is a science based on experiments. Student experi-mental teaching cant do without experimental instruments. Similarly， university students or teachers front line take part in Physics Com-petition cant do without experimental instruments or self-made experimental teaching instruments. In this paper， It introduces the design requirements， fabrication techniques and details of light reflection and refraction teaching instruments in great detail.

Key words physics; reflection and refraction of light; teaching instruments; demonstration teaching

1 问题提出

学生参赛中的问题  学生在参加高等物理教育研究会2018年组织的第六届“华夏杯”全国物理教学技能大赛及物理教育论坛时，参加教学竞赛的题目是：光的折射定律。因缺乏教具，学生便从淘宝网购买，而所购教具水槽直径仅20 cm，尺寸太小，评委老师无法看清光路，演示效果不佳，影响了比赛成绩。中学常规班级人数约50人，小尺寸的教具用于课堂演示教学，坐后排的学生无法看清物理现象与物理过程。2019年上半年，学生参加江西省内物理教学竞赛，笔者制作了水槽直径50 cm的教具，收效甚好。在第七届“华夏杯”全国物理教学技能大赛及物理教育论坛的教学竞赛中，该教具获得创新奖，学生讲课也获得一等奖。

课堂教学光的反射与折射规律演示教具中的问题  江西省中小学教师国培计划自2010年开始实施，2019年下半年，国培学员看了笔者做的教具非常感兴趣，有学员反映：“中学物理光的反射与折射是光学部分重要内容之一，但教育行政部门配发的教具尺寸较小，无法满足教师课堂上演示教学需求。”可是，由于一是缺乏工具，二是工具尤其电动工具不会也太敢用，加之经费等问题，因此，绝大部分教师没有做过教具，在自制教具方面任重而道远。

2 光的反射与折射规律示教教具的设计要求

本示教用教具用于教师课堂演示现象或研究规律，在设计时提出三点要求。

仪器尺寸要大，结构要牢，质量要好  作为演示教具，一般是使用者上课时，教具放在讲台上，以便演示现象或规律时全班学生都能看到。故仪器必须大气，即有足够大的尺寸。教具若在中学使用，每一届常有多个班，且年年要用，所以教具必须坚固耐用且使用方便。若是教师或学生用来参赛，要求仪器在比赛过程中不能出现任何纰漏，以免影响比赛成绩。尤其异地参赛，需经过颠簸运输，对仪器的质量和稳定性要求更高。

仪器可不断改进  物理教师或学生在设计教具过程中不可能面面俱到，在使用过程中常会发现不足之处，需进行改进。如本仪器刻度盘的刻度线最早时使用黑色，发现仪器给人压抑的感觉;后改成蓝色，仪器给人敞亮、舒适、快乐的感觉。教师或学生用于竞赛的教具，若需长途运输，尤其仪器尺寸过大，最好设计成可随时拆卸和组装的方式，以方便运输。

仪器必须能科学演示出物理实验现象或规律  仪器在设计时首先要考虑的是仪器可给学生演示：光在二种介质界面反射时，反射角等于入射角;当光从光疏介质进入光密介质时，折射角小于入射角;当光从光密介质进入光疏介质时能测出全反射角;验证光路是可逆的。并进一步通过较准确测量读取角度值，测算出液体槽中不同液体、同一液体不同密度或温度时的折射率，从而达到探究与初步研究光的反射、折射、全反射、光路可逆等规律。

3 光的反射与折射规律示教教具的制作

液体槽的制作  液体槽由三块板组成：厚5 mm、半径25 cm亚克力圆背板一块，厚5 mm、半径25 cm亚克力半圆面板（如图1所示）一块，厚2 mm、长82.5 cm、宽4 cm的长方形板一块。将三块板用亚克力专用胶水胶接成一半圆柱体形（如图2所示），即是液体槽。在胶接时，如何确保液体槽盛装的液体是标准半圆柱体？可用5 mm厚的亚克力板切割一内径44 cm、宽度1 cm的定位用加强筋，即图1中红色部分。先半定位加强筋粘接在亚克力半圆板和圆背板上，再将长方形2 mm厚亚克力粘接在圆板上，半圆板最好等刻度盘（图3）贴在圆背板上后再粘接。图1、图2、图3中圆点即圆心，往液体槽内装液体时，液面到达圆心点的水平线时，液体成标准半圆柱体。如果觉得液体槽太大，可依自己尺寸设计。

刻度盘的制作  刻度盘用白底不干胶制成，刻度线选蓝色，最小刻度2度（图3）;若要求高，可做成1度。但是刻度线太密，视觉效果会很差，可采用错位的办法，即1度刻线的圆半径小一定尺寸。过圆心画一水平实线，用于实验时察看水位和调节仪器水平;过圆心画一竖虚线当法线。若液体槽内径为44 cm，刻度盘可做成43.5 cm。

水槽支架的制作  水槽支架要求稳固、不易形变，在水槽装满水时，水的重力不会对稳定性产生任何影响。实际制作的支架正面如图4所示，为增强稳定性，添加加强条以便形成三角形稳定结构。加强条在固定时要确保背板与底板垂直。为便于调液面水平，在底板四个脚安装水平调节螺丝。

图5是水槽支架反面。为便于激光笔支架与背板紧密结合，制作并安装两块弧形平滑铁皮。在水槽支架反面，激光支架转轴的定位非常重要，将影响到在激光支架转动过程中，激光是否能始终指向圆心。这要求激光支架转轴在液体槽的圆心位置，激光笔与支架完全对称。

激光笔支架的制作  激光笔支架做成L形，要求稳定性好，不易形变，否则影响激光入射角变化时对准圆心。其结构见图6与图7。激光笔支架上装有一圆环体磁铁，磁铁由自攻螺丝固定在木制激光笔支架上，磁铁与平滑铁皮紧密吸合且不晃动，如有晃动则是自攻螺丝所致，需将自攻螺丝顶端磨平。在激光笔连接处的木支架上钻一孔，激光笔刚好放入孔中，用热熔胶固定激光笔。在激光笔支架转动过程中，激光应始终指向液体槽的圆心，如未指向圆心，则用热风枪吹软热熔胶后冷却时再固定激光管，使激光轴心、支架轴心在一平面内。如在转动初位置能指向圆心，转动一定角度后又不能严格指向圆心，则与支架转轴的定位或激光支架在转轴处的孔不在正中心有关。

4 激光与杂光的处理

本仪器中，激光笔是线激光，射入水中后不利于光路的观察和刻度的读取，需在激光出口处粘接一小段玻璃细圆柱或塑料细圆柱，使线激光变成面激光。激光笔固定在支架上时需调节好角度，使面激光平面与水面平行。

实验时，面激光从光疏介质进入光密介质时，反射光线周边会出现较强的杂光干扰，杂光来自水槽弧形底端的反射，可在弧形底端粘一2 cm宽的黑色玻璃膜或黑色绝缘胶带，将射光吸收掉。

5 小结

在2003年发布的《普通高中物理课程标准（实验）》中没有专门列出学生必做的实验，导致中学物理实验教学迷茫且有弱化趋势。《普通高中物理课程标准（2017年版）》提出12个必做实验和9个选做实验[1]，强化学校与教师要引导学生做中学，做中体会科学探究内涵，以发展学生物理学科核心素养。实验教学能否成功，關键在教师，若教师意识到实验教学对培养学生核心素养的重要性，对学生的将来发展有责任心，必对实验教学、实验教具、制作教具有兴趣和动力，实验教学也一定会越来越好。希望本文所述示教用教具在帮助中学物理实验教学方面能发挥作用。

参考文献

[1]教育部.普通高中物理课程标准（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.