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        高中物理自制教具的“智造”
        ——以“全反射”課程中教具制作為例

        2018-02-28 06:25:57張威明
        物理教師 2018年1期
        關(guān)鍵詞:臨界角斜槽智造

        張威明

        (新昌中學(xué),浙江 紹興 312500)

        物理實(shí)驗(yàn)是物理的靈魂,體現(xiàn)著物理科學(xué)的特點(diǎn).在高中物理教學(xué)中,實(shí)驗(yàn)更是起著培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科素養(yǎng)的關(guān)鍵所在.開(kāi)展與課程相適宜的實(shí)驗(yàn),不僅能提升學(xué)生的理解能力、推理能力、綜合分析能力和動(dòng)手實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ?更能培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)習(xí)興趣和科學(xué)品質(zhì),使學(xué)生具備科學(xué)精神.實(shí)驗(yàn)教具作為實(shí)驗(yàn)的載體,有著不可或缺的地位,然而現(xiàn)實(shí)中物理實(shí)驗(yàn)器材缺少、更新速度慢以及實(shí)驗(yàn)器材與知識(shí)不相適應(yīng)等因素,導(dǎo)致課堂實(shí)驗(yàn)達(dá)不到預(yù)期效果.教師通過(guò)對(duì)所教知識(shí)特性的理解和對(duì)課堂的設(shè)想,自制實(shí)驗(yàn)器材以達(dá)到預(yù)想效果,使實(shí)驗(yàn)與課堂更相融合,對(duì)學(xué)生更具啟發(fā)性.同時(shí),實(shí)物展臺(tái)、傳感器、無(wú)線同屏技術(shù)等現(xiàn)代多媒體技術(shù)的成熟為物理課堂實(shí)驗(yàn)的可觀測(cè)性提供了技術(shù)支持.本文以“全反射”課程中教具制作為例,探索教具制作的過(guò)程,以此拋磚引玉,希望從具體案例的剖析中展現(xiàn)教具制作的范式,為一線物理教師提供思路和方法,使自制教具更好地為教學(xué)服務(wù).

        1 探索教具制作的過(guò)程

        1.1 教材學(xué)情的鉆研與分析

        教具的目的是服務(wù)于教學(xué),因此需要對(duì)教材和學(xué)情進(jìn)行深入了解,明確教具的使用目的和設(shè)計(jì)意圖.

        “全反射”選自人教版高中物理選修3-4第13章“光”的第2節(jié).全反射作為一種特殊的折射現(xiàn)象,安排在光的反射和折射之后,是反射和折射的交匯點(diǎn).全反射現(xiàn)象的研究是對(duì)反射和折射知識(shí)的鞏固與深化.全反射現(xiàn)象與人們的日常生活以及現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展緊密相關(guān),突出了物理學(xué)的技術(shù)應(yīng)用的特色并強(qiáng)調(diào)了科學(xué)技術(shù)與生活的聯(lián)系.因此學(xué)習(xí)這部分知識(shí)有著重要的現(xiàn)實(shí)意義.而此時(shí)的高二學(xué)生在認(rèn)知特點(diǎn)上表現(xiàn)為思維活躍、求知欲強(qiáng),有較好的形象思維和逆向思維.在通過(guò)了光的反射和折射學(xué)習(xí)之后,他們對(duì)幾何光學(xué)的性質(zhì)有一定的了解,同時(shí)也具備一定的計(jì)算能力.但是學(xué)生對(duì)于抽象的、理論定性的問(wèn)題,尤其是枯燥的公式推導(dǎo),不是很感興趣;而對(duì)于演示、影像、聲音、動(dòng)畫(huà)等感性的事物更能提高注意力.因此,通過(guò)一個(gè)富有趣味的且與本課知識(shí)緊密相關(guān)的演示實(shí)驗(yàn)便能最大程度地激起學(xué)生的求知欲,培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科素養(yǎng),為下面課堂的教學(xué)做好鋪墊.

        1.2 知識(shí)原理的剖析與運(yùn)用

        為了使演示實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚓o密與本課知識(shí)相結(jié)合,應(yīng)再次從課本出發(fā),剖析理論原理.根據(jù)知識(shí)特性并查閱相關(guān)的資料,然后在生活中尋找靈感.

        在設(shè)計(jì)全反射教具的過(guò)程中,筆者再次研讀知識(shí)點(diǎn).日常生活中具有標(biāo)志性的全反射現(xiàn)象就是“海市蜃樓”,但在課堂中展示較為困難,且不能讓學(xué)生直觀感受到全反射的原理,因此需要另尋出路.當(dāng)光從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)時(shí),同時(shí)發(fā)生折射和反射.如果入射角逐漸增大,折射光離法線會(huì)越來(lái)越遠(yuǎn),而且越來(lái)越弱,反射光卻越來(lái)越強(qiáng).當(dāng)入射角增大到某一角度,使折射角達(dá)到90°時(shí),折射光完全消失,只剩下反射光,這種現(xiàn)象叫做全反射(total reflection),這時(shí)的入射角叫做臨界角(critical angle).當(dāng)光從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)時(shí),如果入射角等于或大于臨界角,就會(huì)發(fā)生全反射現(xiàn)象.[1]如圖1所示.也就是說(shuō)要想發(fā)生全反射現(xiàn)象,就必須滿足兩個(gè)條件:一是光必須從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì),二是入射角必須大于或者等于臨界角.接下來(lái)便帶著這兩個(gè)條件在生活中尋找靈感,首先當(dāng)光從水射向空氣時(shí)便滿足了第一個(gè)條件,調(diào)整入射光的角度便能滿足第二個(gè)條件.剩下的就是需要找到裝水的容器以及使演示實(shí)驗(yàn)具有趣味性.容器采用玻璃比較恰當(dāng)(透光率高,易于加工,成本低),但是如何讓演示實(shí)驗(yàn)具有趣味性,筆者陷入了沉思.

        圖1 觀察全反射現(xiàn)象

        圖2 全反射演示儀

        筆者通過(guò)中國(guó)知網(wǎng)、萬(wàn)方、維普等數(shù)據(jù)庫(kù)查詢(xún)前人的經(jīng)驗(yàn).查看多篇資料,如楊燕婷的《自制光的全反射演示儀》[2]、徐忠岳的《幾何光學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)》[3]、周亞洲的《全反射現(xiàn)象的演示》[4]等.在此過(guò)程中筆者了解到可以通過(guò)不同顏色的光線、圖片來(lái)使課堂的實(shí)驗(yàn)更鮮明,更易于學(xué)生觀察,但同時(shí)由于全反射發(fā)生需要滿足角度的條件,所以有些教具要看見(jiàn)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象是有一定的位置要求的,觀看的時(shí)候要注意找到適合的角度,但是在課堂上做演示實(shí)驗(yàn)的時(shí)候有些學(xué)生就會(huì)觀察不到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象.如楊燕婷的全反射演示儀只能在儀器上方進(jìn)行觀察,并且因普通激光筆不能較好地達(dá)到實(shí)驗(yàn)預(yù)期效果,需另購(gòu)置兩只不同顏色的大功率激光手電,無(wú)論是課堂展示效果還是材料籌備都存在問(wèn)題,其實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示.

        1.3 創(chuàng)新教具的設(shè)計(jì)與“智”作

        在理清思路后,對(duì)實(shí)驗(yàn)有了初步設(shè)想,此時(shí)應(yīng)對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的原理進(jìn)行反復(fù)考量,并通過(guò)圖紙初步構(gòu)建實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)模型,反復(fù)修改,使模型的各個(gè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無(wú)誤,提高實(shí)驗(yàn)精度.

        在本案例中,筆者不斷探索,根據(jù)水的折射率為1.33,透明玻璃的折射率為1.5,空氣的折射率為1,為了讓光從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)時(shí),入射角能大于臨界角,因此在設(shè)想實(shí)驗(yàn)的立方體水槽對(duì)角線上做一個(gè)斜槽,使其排空水時(shí)能形成空氣層.現(xiàn)假設(shè)在斜槽兩側(cè)以及斜槽本身加滿水,當(dāng)光線從水中射向斜槽玻璃時(shí),由于是光疏到光密,并不發(fā)生全反射,且玻璃較薄,光線只發(fā)生微小側(cè)移,可忽略不計(jì).接著光線從斜槽玻璃射向斜槽中的水,雖然是光密到光疏,但臨界角C約為60.1°,而入射角為45°,未達(dá)到全反射條件,光線亦只發(fā)生微小側(cè)移.接下來(lái)的情況與之前的相似,所以光線幾乎沿直線傳播到觀察者的眼中,此時(shí)紅蘋(píng)果的像在圖紙附近,如圖3所示.接下來(lái)把斜槽中的水抽出,那么斜槽就變成了一個(gè)空氣層.當(dāng)光線從水中射向斜槽玻璃時(shí),情況與之前相同,光線只發(fā)生微小側(cè)移.接著光線從斜槽玻璃射向斜槽中的空氣層,臨界角C約為41.8°,而入射角為45°,發(fā)生全反射.光線便被反射到平面鏡,再經(jīng)平面鏡反射到人的眼中,此時(shí)紅蘋(píng)果的像出現(xiàn)在平面鏡后面,至此便完成了傳送蘋(píng)果這個(gè)演示實(shí)驗(yàn),如圖4所示.

        圖3 實(shí)驗(yàn)原理示意圖A

        在確定實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)之后,開(kāi)始用maya繪制教具的三維設(shè)計(jì)圖,進(jìn)一步確定教具制作的可行性以及所需玻璃的用量.設(shè)計(jì)圖紙如圖5所示.

        圖5 三維設(shè)計(jì)圖

        在此基礎(chǔ)上,筆者開(kāi)始準(zhǔn)備所需材料,本案例需要25 cm×30 cm×0.5 cm玻璃4塊、25.5 cm×25.5 cm×0.5 cm玻璃1塊、33 cm×30 cm玻璃2塊、玻璃膠1支、玻璃膠槍1支、平面鏡1塊以及1張印有彩色蘋(píng)果的圖紙.

        由于自制教具的經(jīng)費(fèi)受限以及環(huán)保理念的影響,自制教具的材料可以通過(guò)撿、借、拆、買(mǎi)等方式獲?。谌粘I钪邪l(fā)現(xiàn)一些具有利用價(jià)值的遺棄物,如易拉罐、電器等,可以有計(jì)劃地收集,這需要教具制作者對(duì)材料有一定的敏感性;一些工具,如玻璃槍等不常備的工具,可以通過(guò)向校園后勤師傅借用;對(duì)一些已經(jīng)用壞的儀器或日用品拆解后保留可能會(huì)用到的部分,如日光燈、變壓器等將其內(nèi)部的線圈、電阻電容等零部件拆下來(lái)備用;當(dāng)以上情況不能滿足教具制作時(shí),我們也可以通過(guò)買(mǎi)的方式解決.

        1.4 實(shí)驗(yàn)教學(xué)的反思與改進(jìn)

        加滿水效果

        在完成自制教具后,通過(guò)預(yù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證設(shè)計(jì)原理的準(zhǔn)確性,在預(yù)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并解決問(wèn)題.實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,先在立方體水槽中的相互獨(dú)立的三個(gè)區(qū)域內(nèi)加滿水,此時(shí)會(huì)看到蘋(píng)果影像呈現(xiàn)在水槽上的畫(huà)面;接著把一根細(xì)管插到中間的斜槽中,利用虹吸原理,使中間斜槽的水位逐漸降低.隨著中間斜槽水位的降低,便能看到蘋(píng)果影像從水槽逐漸轉(zhuǎn)移至平面鏡的過(guò)程;當(dāng)中間斜槽里的水被徹底抽干,此時(shí)紅蘋(píng)果的像全部呈現(xiàn)在平面鏡上,至此便完成了傳送蘋(píng)果這個(gè)演示實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)效果如圖6所示.

        中間斜槽排水時(shí)效果

        筆者通過(guò)預(yù)實(shí)驗(yàn)成功驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的合理性,達(dá)到了實(shí)驗(yàn)的預(yù)期效果.但同時(shí),筆者也發(fā)現(xiàn),由于全反射發(fā)生需要滿足角度的條件,所以看見(jiàn)蘋(píng)果傳輸是有一定的位置要求的,觀看的時(shí)候要注意找到合適的角度.一旦找到合適的位置,便能達(dá)到不錯(cuò)的演示效果.這就意味著上課時(shí)有部分學(xué)生無(wú)法觀察到這個(gè)神奇的實(shí)驗(yàn)效果.為了解決這個(gè)問(wèn)題,筆者應(yīng)用現(xiàn)代多媒體技術(shù)中的無(wú)線同屏技術(shù),投影大屏幕實(shí)時(shí)呈現(xiàn)演示實(shí)驗(yàn).這樣無(wú)論學(xué)生坐在哪里,都能通過(guò)大屏幕實(shí)時(shí)清晰地觀察整個(gè)演示實(shí)驗(yàn).現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)效果如圖7所示.

        圖7 課堂實(shí)驗(yàn)效果圖

        2 總結(jié)與建議

        近年來(lái),部分一線物理教師積極開(kāi)發(fā)適合高中物理課堂的實(shí)驗(yàn)與教具,為課堂教學(xué)水平的提升做出了巨大貢獻(xiàn),但還存在致力于自制教具開(kāi)發(fā)的教師人數(shù)較少、資源較分散以及經(jīng)驗(yàn)指導(dǎo)較缺乏等不足之處.

        (1) 在設(shè)計(jì)自制教具時(shí),教師應(yīng)回歸理論,對(duì)知識(shí)進(jìn)行深度剖析,明確實(shí)驗(yàn)所需條件,從知識(shí)特性和所需條件入手,為實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)提供切入點(diǎn).

        (2) 教師應(yīng)多關(guān)注生活.從生活中發(fā)現(xiàn)解決問(wèn)題的途徑、可以利用的材料等,從生活中得到啟發(fā).

        (3) 教師充分利用計(jì)算機(jī)軟件的功能,幫助我們提高實(shí)驗(yàn)精度或處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).如可以用excel來(lái)簡(jiǎn)易地處理數(shù)據(jù),也可以用matlab高精度地?cái)M合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),還可以借助maya、autocad等來(lái)設(shè)計(jì)教具的3D模型,使教具的加工精度得到提升.

        (4) 在教具的展示過(guò)程中,教師可以多學(xué)習(xí)多媒體技術(shù).根據(jù)不同的現(xiàn)實(shí)需求,利用如實(shí)物展臺(tái)、傳感器、無(wú)線同屏技術(shù)等現(xiàn)代信息技術(shù).

        (5) 教具制作可以充分發(fā)揮教研組、備課組的力量,努力形成物理自制教具教師的隊(duì)伍.當(dāng)然,通過(guò)校本課程等途徑給學(xué)生發(fā)揮想象、動(dòng)手制作平臺(tái)也是非常好的收獲教具資源的過(guò)程.隨著時(shí)間的積累,學(xué)校便能擁有豐富的教具資源.

        1 張大昌. 人教版高中物理選修3-4[M]. 北京:人民教育出版社,2016: 48-53.

        2 楊燕婷, 邵溫怡. 自制光的全反射演示儀[J]. 物理實(shí)驗(yàn), 2014(9):20-21.

        3 徐忠岳, 曾裕, 蔣富華. 幾何光學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)[J]. 物理教師, 2014, 35(4):34-36.

        4 趙麗, 周亞洲. 全反射現(xiàn)象的演示[J]. 物理通報(bào), 2009(12):56-57.

        5 陳穎,韓敘虹.運(yùn)用無(wú)線同屏技術(shù)構(gòu)建物理探究課堂[J].物理教師,2017(7):72-73.

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