陳靈松

“光的折射”是浙教版《科學》教材[1](下文簡稱“教材”)中“對環(huán)境的察覺”中的重要實驗,在光的直線傳播、光的反射的基礎上，進一步認識光從一種介質進入另一種介質時發(fā)生的變化及規(guī)律。光模塊知識在初中階段主要有直線傳播(同種介質中如何傳播)、反射與折射(傳播過程中遇到障礙物時會發(fā)生什么現(xiàn)象)等，使抽象的知識、規(guī)律得以清晰呈現(xiàn)，對于思維特征處于感性思維向理性思維過渡的初中生顯得尤為重要。

光的傳播特點與傳播規(guī)律的尋找，通常都是借光路的呈現(xiàn)進行研究。教材實驗器材選擇、活動內容如圖1所示。

圖1 教材安排的活動

根據(jù)教材提供的實驗方案，涉及的器材有玻璃水槽、激光筆、玻璃磚等。從實驗要求上看，本實驗只要能夠觀察到明顯的實驗現(xiàn)象即可，不需要測出折射角和入射角的大小。從實驗操作和對應的現(xiàn)象看，光從空氣斜射入水中時，折射光線向法線靠攏；改變入射角時，折射角隨之改變；光從空氣斜射入玻璃再射出玻璃時，情況類似。

一、教材實驗的困難與原因

(1)為了讓學生看到光的傳播路徑，需要在空氣、水中加入小顆粒物，利用丁達爾(J.Jyndall)效應，即小顆粒的散射顯示光束。如在水面上噴些煙霧、水中滴幾滴牛奶，這些方法從理論層面上看是可行的，但是實際操作起來難度較大，而且效果也不盡人意。主要體現(xiàn)在以下兩點。

一是煙霧分布的均勻程度很難控制，煙霧的穩(wěn)定性很難維持。

二是滴入水中的牛奶數(shù)量很難掌控。少了，激光在水中的傳播路徑很難看清；多了，透光度降低，在明亮的教室中很難看到亮度較低的激光。

(2)活動中難以驗證折射光線、入射光線、法線是否在同一平面上。

(3)由于入射角、折射角沒有定量的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)，單憑眼睛觀察、頭腦中模糊的記憶來判斷，比較折射角隨入射角的變化情況，難以得出較精準的結論。

(4)活動中很難驗證光的折射中光路具有可逆性。

二、實驗改進方案

1.實驗器材

長方體水槽(含水)、激光筆、長方形可折疊有機塑料板(如圖2所示)。

可折疊有機塑料板的制作：先打印出由兩個量角器組合的圓形圖案，再沿中軸線裁成兩半，粘貼在有機塑料板上，在背面用透明膠帶把兩張有機塑料板粘在一起。

圖2 實驗器材

2.實驗操作及效果

(1)研究折射光線、入射光線、法線是否共面。先往水槽中加水，使水面高度與圓形圖案的水平直徑相平。再把可折疊有機塑料板豎直立在水槽中，讓激光從一側入射到水面，當兩邊有機塑料板在同一平面上時，在另一側可清晰看到折射光線(如圖3a所示)；向后轉動另一面塑料板使兩邊有機塑料板不在同一平面上時，看不到折射光線(如圖3b所示)，再向前轉動塑料板使兩邊有機塑料板又在同一平面上時，看到折射光線。

圖3 折射光線與入射光線共面

(2)研究折射光線隨入射光線變化的定性認識和折射角與入射角定量關系。選定某角度將光從空氣斜射入水中，讀出折射角與入射角大??；然后增大入射角，讀出相應的折射角大小(如圖4所示)；比較每次折射角與入射角的大小關系，歸納得出折射角小于入射角；分析入射角增大時折射角的變化情況，歸納得出折射角隨入射角增大而增大，隨入射角減小而減小。

圖4 折射角與入射角的關系

(3)研究光在折射時是否遵循光路可逆性。把水槽放在桌子邊緣，部分懸在桌外，用激光筆從下往上入射，從圖4中任選一組或多組入射角與折射角的對應關系，沿某折射角的角度入射時，讀出相應的折射角(如圖5所示)，發(fā)現(xiàn)折射角等于原入射角，說明光在折射時遵循光路可逆性。

圖5 光路可逆

三、改進實驗的操作注意點

(1)水槽中加水后要使水面高度與圓形圖案的水平直徑相平。

(2)在觀察實驗現(xiàn)象時視線要與水面相平且與有機塑料板垂直，否則會看到“錯位現(xiàn)象”。