光的反射定律的立体实验观测

文亚龙 马昭

摘  要：探究光的反射定律是初中学生最早接触到的探究性实验之一。教材中相关的实验设计存在一些不足，使学生学习中缺少知识生成的过程。通过自制的旋转圆盘反射演示仪让学生能从多角度立体观察实验现象，完善知识构建过程，为形成物理观念奠定基础。

关键词：光的反射;旋转圆盘反射演示仪;立体实验观测

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2021）5-0047-3

实验探究能够帮助学生在基于实验观察的基础上建构物理概念，发现物理规律，理解物理知识，是物理教学的重要组成部分，也是发展学生物理学科核心素养的重要手段。但是，教材中部分实验设计、实验器材还存在一些不合理之处，没有考虑到学生作为初学者容易遇到的思维障碍。为了完成学习目标，学生不得不去死记硬背最终的实验结论。因此，在教学过程中需要创新实验来激发学生的认知需求，重塑知识生成的过程。笔者所在学校备课组对人教版教材中“探究光的反射定律”实验的设计方案进行了分析，对该实验方案进行了优化与创新，并在平常的教学活动和优质课比赛中进行了实践，效果不错。

1    教材实验的优缺点

教材中的实验设计具有器材简单、步骤简洁等优点。但在教学过程中，笔者发现该设计仍存在以下不足：

（1）教材中利用纸板显示光路，在实际实验操作中需要光线紧贴着纸板才能在纸板上同时观察到入射光线和反射光线。这一操作不易控制和调节，使得纸板上显示的光线时有时无，现象不够明显。

（2）为了多次测量，需要换用不同颜色的笔记录每束光的径迹，再取下纸板，用量角器测量角度，记录数据。操作繁琐，不够方便。

（3）在探究三线共面时，向后折纸板，在后折的纸板上没有呈现反射光线，从而证明入射光线和反射光线不在这两个平面上，进而间接证明入射光线和反射光线在同一个平面内。但将纸板后折之后，由于无法直观观察到反射光线，从而学生容易产生迷惑——反射光线到底去哪里了？消失了吗？初中生正处于具体形象思维向抽象思维发展的初始阶段，需提供感性材料，才能与直接经验建立联系。若用间接证明法，学生思维难度过大，容易给学生制造思维障碍。

（4）教材的实验探究，我们观察到的光线只是呈现在纸板这一直观的平面上，学生无法多角度、全方位地观察整个空间中的光线情况。因为课堂上学生座位固定，只能观察到单一平面的光线，会使大多位置的学生观察效果不好，从而使他们缺乏对立体光路的感知。

2    利用自制器材进行实验改进

2.1    實验器材

自制带支架的旋转圆盘、激光笔（四支）、平面镜、量角器、加湿器。

2.2    实验步骤

（1）将自制带支架的旋转圆盘放在水平桌面上;将小平面镜放在圆盘正中央，将一只激光笔夹在平面镜正上方的夹子上;将其余三只激光笔依次夹在旁边的支架上;将量角器竖直固定在激光笔后方，并与激光笔所在平面平行（图1）。

（2）接通加湿器的电源，待水雾连续喷出形成“烟雾缭绕”的环境时，打开一号激光笔，这时通过水雾呈现真实的入射光线和反射光线（图2）。

（3）通过旋转圆盘，使不同方位的学生即使在自己固定的座位上也能发现反射光线和入射光线总是呈现“你前我后，你左我右”的状态。此时，打开正上方的激光笔，发出的红光通过水雾竖直射到平面镜上，调整其红色光和一号激光笔的红色光在镜面的交点重合，这时引导学生观察入射光线和反射光线分居在竖线两侧（图3），提出法线的概念，引导学生发现“两线分居”的规律。

（4）不停地旋转圆盘，使学生坐在固定的座位上可以从多个角度进行观察，当圆盘旋转到某一角度，刚好从光线侧面观察时，可以看到三条线重合，引导学生发现“三线共面”的规律（图4）。

（5）依次打开1号、2号激光笔，重复第3、4步骤，寻求普遍规律。

（6）观察三组入射光线和反射光线，引导学生发现反射光线和入射光线可能是关于法线成轴对称，提出入射角和反射角的概念。通过量角器连续读出三组入射角和反射角的大小并记录，最终由学生得到“两角相等”的结论（图5）。

2.3    改进实验的优点和功能

（1）利用自制的教具以及加湿器，将光路具体化且立体化，直接呈现光路，相比于用纸板呈现光路更加明显和稳定。

（2）同时使用三只激光笔发射入射光线，经反射后可以在水雾中清晰地观察到三条反射光线，并可通过后方固定的量角器直接比较两角的大小，从而使实验更具连续性和普遍性。

（3）利用自制的旋转圆盘，学生即使坐在固定的座位上也能从多个角度进行观察，当从光线侧面观察时，教室里所有的学生都可以看到三条线重合，即可发现三线共面的规律。从间接证明过渡到直观的现象观察，也更加符合初中学生的认知特征，才能解开学生思维上的困惑，帮助学生更加直观、深刻地理解入射光线、反射光线、法线为什么在同一平面上，课堂教学达到事半功倍的效果。

（4）该实验改进将教材中纸板上的二维光路呈现在三维立体空间中，使实验现象更加直观、形象，使探究更具科学性。

3    小  结

本实验改进的灵感来源于2017年江苏泰州的中考试题（图6），我们对于考题的利用往往局限于解题训练，而其中显性或隐性蕴藏的实验教学契机却往往被我们忽略了。将中考实验试题转化为教学资源，是开发物理实验教学资源的重要策略。

在自制（改进）实验教具时，需要围绕实验教学内涵和外延的要素开展，需要把握住使操作更方便、现象更清楚、结果更准确的自制（改进）教具的宗旨，并把实际情况与科学知识密切结合，从而在基于实验的基础上发展学生的物理学科核心素养。

参考文献：

[1]文亚龙.对阿基米德原理实验几种改进的实践[J].湖南中学物理， 2020（06）：55-56+85.

[2]文亚龙，王安民.将中考试题转化为实验教学资源的实践[J].中学物理教学参考， 2017，48（08）：7-10.

[3]曹键粮，彭朝阳，朱兴磊.利用自制加湿喷雾器改进“光的反射”相关实验[J].物理通报，2019（04）：69-72.

（栏目编辑    王柏庐）