全反射实验套组的设计与使用||实验研究
全反射实验套组的设计与使用
天津市第二中学
摘 要：全反射实验套组由远程全反射演示仪 (含“整圆水槽”与“半圆水槽”配件) 、水流导光、“移花接木”三部分组成。文中介绍全反射实验套组的设计思路、原理及在教学中的实际应用, 简述实验套组的制作过程、设计的创新点及优势。实验套组在形式上的推陈出新, 其环环相扣的设计理念是该套组最大的创新, 这些创新所带来的优势在实际教学中得到了充分的展现。
关键词：远程全反射演示仪; 整圆水槽; 半圆水槽; 移花接木;
《全反射》是人教版高中《物理 (选修3-4) 》第十三章《光》的重点内容, 全反射是生活中常见的物理现象。本节课程从光的折射入手, 探讨了光发生全反射现象的条件及相关应用。同时, 本节内容与生产和科技应用紧密相联, 体现了“从生活走向物理, 从物理走向社会”的思想。
一、实验套组的设计思路
《全反射》实验套组由“水流导光”、“移花接木”和远程全反射演示仪三部分构成。下面笔者将介绍该实验套组的整体设计思路。
首先, 全反射现象及发生全反射的两个条件是本节课的教学重点。两个条件分别为: (1) 光从光密介质射入光疏介质; (2) 入射角等于或大于临界角。通常采用查阅表格、进行比较的方法先得出光疏介质与光密介质的概念, 再观察光从水射入空气及光从玻璃射入空气这两个实验, 总结发生全反射的两个条件。但这样做容易让学生产生一个认知误区, 即光疏介质就是空气。学生并没有见过光从一种介质射入另一种非空气介质的实验现象, 而教材中也仅仅在小字部分提到了该实验情景。为了创设让光从一种介质射入另一种非空气介质的实验情境, 笔者设计出一个“整圆水槽”, 实现了让光从玻璃射入水中的实验情境。为了让传统的“半圆水槽”和创新的“整圆水槽”在仪器上得到整合, 笔者通过固定螺母将它们制作成了可替换的模式, 这样做既方便操作又节省空间。 (见图1, 图2)
其次, 解释生活中的全反射现象是本节课的教学难点。网络上关于《全反射》这节课的小实验非常多。为了与远程全反射演示仪创设的“半圆水槽”相呼应, 笔者制作了“水流导光”演示仪;为了与“整圆水槽”相呼应制作了“移花接木”演示仪。这两个仪器在教学的开篇起到了抛砖引玉的作用。当学习完本节课后, 再让学生利用学到的知识解释发生这两个现象的原因, 达到前后呼应的效果。
图1 远程全反射演示仪机身
图2 安装“半圆水槽”的仪器
二、实验套组的设计原理
(一) 远程全反射演示仪 (见图3, 图4)
图3“半圆水槽”原理图
图4“整圆水槽”原理图
(二) “移花接木”演示仪 (见图5, 图6)
当光从光密介质 (折射率为n1) 射入光疏介质 (折射率n2, 且n1>n2) 时, 折射角大于入射角, 当入射角增大至某一数值
, 折射光完全消失, 只剩下反射光, 这种现象叫做全反射, 这时的入射角叫做临界角。
图5 放水前“移花接木”原理图
图6 放水后“移花接木”原理图
在入射角一定的情况下, 通过改变光密介质折射率n1与光疏介质折射率n2的比值, 即可控制全反射能否发生。
三、实验套组的制作
(一) 远程全反射演示仪
(1) 制作材料:8mm和5mm厚的透明亚克力板、5mm厚的白色亚克力板、30mm厚的亚克力管、一字激光笔2只 (绿光) 、激光笔架、金属舵机、轴承、铝盘 (配重) 、螺母若干、航模遥控器、排线、半圆形玻璃砖、三氯甲烷、热熔枪 (含热熔胶) 、玻璃漏斗。
(2) 技术支持的仪器设备:激光切割机、3D打印机、相关机床。
(3) 制作过程:使用软件Auto CAD绘制效果图。将摇臂的形状设计成“双镰刀”形状, 这样就实现了入射光360°无死角射入, 表盘上四个象限的刻度被全部利用。利用激光切割机将所有的零部件切割完成, 利用三氯甲烷将所有的零件进行粘贴组装。在能转动的摇臂上留有孔位, 将激光笔的笔托 (根据激光笔的直径进行设计, 再用3D打印机制作而成) 固定住, 将激光笔嵌入笔托, 这样就完成了激光笔的组装。在机器后面安装好舵机, 配合航模遥控器实现了摇臂的远距离控制。最后制作两个水槽。为了达到可以替换的效果, 在水槽的背后安装上固定螺母, 达到自由安装和拆卸的目的。
(二) “移花接木”演示仪 (见图7, 图8)
图7 安装黑盖的“移花接木”
(1) 制作材料:8mm和5mm厚的透明亚克力板、5mm厚的白色亚克力板、3mm厚的黑色亚克力板、2块50mm厚的全反射棱镜、点状激光笔2个 (绿光和红光各1个) 、直径2mm的石英棒 (扩束器) 、激光笔架、排线、半圆形玻璃砖、三氯甲烷、热熔枪 (含热熔胶) 、止水夹、漏斗。
图8 打开黑盖的“移花接木”
(2) 技术支持的仪器设备:激光切割机、3D打印机、相关机床。
(3) 制作过程:使用软件Auto CAD绘制效果图。演示仪设计的巧妙之处是竖置, 这样就可以在讲台前直接演示, 无需借助实物投影仪, 学生就可以直接观察现象;其次亚克力板为镂空设计, 全反射棱镜镶嵌其中而不是粘贴上去, 这样更加牢固, 不用担心全反射棱镜坠落;再次, 为了令其具有魔术效果, 将黑色亚克力板制作成黑盖, 盖在正方形透明亚克力盒的外部, 这样学生只能观察到出射光的变化, 却无法得知内部构造, 极大地激发了学生的学习热情。为了让所有的光路显而易见, 在正方形的亚克力盒内外侧均粘上白色亚克力板。最后在亚克力盒上端和下端分别打孔, 上孔用于注水, 下孔用于放水, 止水夹可以控制水的流速。
四、实验套组的创新与优势
(一) 远程全反射演示仪
(1) 遥控器的使用给学生带来了强烈的视觉冲击和感官冲击, 调动了学生的学习热情。
(2) 该仪器若用于演示实验, 远距离操控的优势主要表现在教师可以边在教室中走动边与学生进行交流, 根据学情随时随地改变光路, 观察现象, 教师不再被禁锢在讲台上;若用于分组实验, 远距离操控的优势主要表现为操作者也可以从正面边操作边观察, 并且不对其他观察者形成任何遮挡。
(3) 传统的全反射水槽实验仪器, 虽然周围有四个象限的完整刻度, 但是受到仪器底座的限制, 三四象限的部分刻度是无用的。远程全反射演示仪的摇臂, 其“双镰刀”形状的设计可以做到360°无死角地调节入射光的角度, 所有的刻度都可以有效地利用上, 满足了学生想从各个方向观察光路的期望。
(4) 可以自由地替换“半圆水槽”与“整圆水槽”, 观察两种情境下的全反射现象, 相比于只让学生观察从其他介质射入空气发生全反射的情况, 这样做更利于让学生深刻地理解光密介质和光疏介质的相对性概念。
(二) “移花接木”演示仪
(1) 竖置结构, 现象便于观察, 不再借助实物投影仪。
(2) 黑盖设计产生了魔术般的实验效果, 在教学上起到了抛砖引玉的作用, 突出趣味性。
(3) 手提一体式设计, 极大降低了操作难度, 使用起来方便快捷。
五、全反射实验套组的应用
本节课由三个部分组成, 分别是实验引入新课, 实验探索真知, 实验拓展应用。
(一) 实验引入新课
教师演示“水流导光”和“移花接木”两个实验。目的是为后面学习光导纤维和全反射棱镜做好铺垫。自行设计的“移花接木”更像是魔术, 在黑箱中注满水, 打开激光器, 发现横着看绿光进去, 绿光出来, 竖着看红光进去, 红光出来。接着将黑箱中的水放出, 发现红色与绿色的出射光互换了位置。这样就引发了学生的认知冲突, 将学生带入到探索的情境之中。
(二) 实验探索真知
安装好“半圆水槽”。水槽上半部分是空气, 下半部分是水。组织学生开展活动一:观察结构、使用仪器。活动一主要是让学生自由地“玩”一会儿。活动期间发现有的学生让入射光快速地旋转, 大体观察一下光路的变化情况;有的则是一动一停地缓慢转动, 360°无死角地细致观察每个角度的光路情况。
在教师巡视的时候, 有学生说他们发现了当入射光射到某些位置的时候, 折射光就消失了。教师告诉学生他们发现的就是全反射现象。这块内容的传统教学模式是先画图猜想再验证观察, 但考虑到全反射现象并不难被发现, 于是为了锻炼学生的观察能力, 教师设计出让学生“玩”出全反射的创新模式。紧接着提出问题:全反射现象是怎么形成的呢?
让学生带着这个问题开展活动二:初步探究发生全反射的条件。有的小组观察得到两个条件: (1) 光由其他介质射入空气; (2) 入射角必须等于或者大于某一角度。这时就有学生提出了这样的问题:一定是光射入空气吗?如果让光从一种介质射入到另一种介质就一定不会发生全反射吗?
受教材第49页小字部分的启发, 笔者设计出可以替换的配件———“整圆水槽”。将水注满, 在其圆心处镶上一块“半圆形玻璃砖”, 让光沿半径射到玻璃与水形成的界面上, 这样就创设出了“光从一种介质射入另一种介质”的实验条件。
随后开展活动三:探究在该条件下光是否可以发生全反射。学生发现光从玻璃射入水中可以发生全反射, 从水射入玻璃则不会。
前后两次探究实验说明发生全反射的条件究竟是什么呢?随后开展活动四:归纳总结发生全反射的条件。
让学生查阅教材第46页的“表1”, 得知水相对于空气折射率较大, 相对于玻璃折射率较小, 学生归纳总结出发生全反射的条件是: (1) 光从折射率较大的介质射入折射率较小的介质; (2) 入射角等于或大于某个角度。此时教师引出光疏介质与光密介质及临界角的相关概念。学生就准确地总结出两个条件为: (1) 光从光密介质射入光疏介质; (2) 入射角等于或大于临界角。该环节锻炼了学生归纳总结的能力。
至此由四个学生活动层层递进地突破了全反射现象及发生全反射的条件这个教学重点。
随后开展活动五:组织学生阅读教材第50页的“思考与讨论”, 推导得出公式
。这时有学生提出问题:如果想求得光从玻璃射入水的临界角该怎么办?教师告诉学生高中阶段n都是指其他介质相对于真空而言的折射率, 叫做绝对折射率。而介质到介质的情况, n的含义发生了变化, 高中阶段不具体介绍, 大学课程中会继续学习, 让感兴趣的学生课下查阅资料, 与教师一起探讨。
(三) 实验拓展应用
对于物理而言比较难的就是用已经学过的物理模型去解释生活中的实际问题, 所以解释全反射现象就是本节课的难点。
引导学生从全反射的条件入手解释“水流导光”现象, 随后由教师拓展介绍光纤的结构与原理。再解释移花接木, 打开黑箱发现里面有两块相同的等腰直角三棱镜, 由此引出全反射棱镜的教学内容。再演示一次打开黑箱后的“移花接木”实验, 由于原理较难, 教师将以设问的形式引导学生逐步揭秘:问题 (1) 判断放水前后光是否都是由光密介质射入到光疏介质的?学生可以答出光先是从玻璃射入水, 放水后由玻璃射入空气, 符合光密到光疏的条件。那矛盾只能出在另一个条件上。问题 (2) 激光器位置固定说明了什么?学生可以答出说明入射角不变。问题 (3) 放水究竟改变了什么?这时学生就能够想到由水变成空气改变的只能是临界角。让入射角从小于临界角变成了大于临界角, 满足了全反射发生的条件, 出射光发生互换。至此, 之前的全反射演示仪展现的是“临界角不变, 改变入射角”的传统思维模式, 而“移花接木”则展现了“入射角不变, 改变临界角”的创新思维模式, 两个实验从不同视角应用了发生全反射的条件, 再次强化了该重点。
在此做个说明, “移花接木”本质上会涉及到相对折射率的知识, 但是高中阶段课本只要求掌握绝对折射率, 所以教师在这里只要像上述这样从两个条件入手来引导学生, 就可以做到既避开敏感问题又应用了新的知识。如果还有学生依旧存在疑问, 可以课下与教师进行交流。
最后学生进行课堂小结, 对本节课的内容进行梳理。
课后学生们利用远程全反射演示仪开展了课外延展活动, 他们利用仪器根据全反射现象和公式sinC=1/n测出了自带液体的折射率, 具体数值见表1。
表1 自带液体的折射率
作者简介：穆丁蕊, 天津市第二中学, 一级教师。
文章发表在《教育与装备研究 》2017,11(33),83-87