陈灵松

“光的折射”是浙教版《科学》教材[1](下文简称“教材”)中“对环境的察觉”中的重要实验,在光的直线传播、光的反射的基础上，进一步认识光从一种介质进入另一种介质时发生的变化及规律。光模块知识在初中阶段主要有直线传播(同种介质中如何传播)、反射与折射(传播过程中遇到障碍物时会发生什么现象)等，使抽象的知识、规律得以清晰呈现，对于思维特征处于感性思维向理性思维过渡的初中生显得尤为重要。

光的传播特点与传播规律的寻找，通常都是借光路的呈现进行研究。教材实验器材选择、活动内容如图1所示。

图1 教材安排的活动

根据教材提供的实验方案，涉及的器材有玻璃水槽、激光笔、玻璃砖等。从实验要求上看，本实验只要能够观察到明显的实验现象即可，不需要测出折射角和入射角的大小。从实验操作和对应的现象看，光从空气斜射入水中时，折射光线向法线靠拢；改变入射角时，折射角随之改变；光从空气斜射入玻璃再射出玻璃时，情况类似。

一、教材实验的困难与原因

(1)为了让学生看到光的传播路径，需要在空气、水中加入小颗粒物，利用丁达尔(J.Jyndall)效应，即小颗粒的散射显示光束。如在水面上喷些烟雾、水中滴几滴牛奶，这些方法从理论层面上看是可行的，但是实际操作起来难度较大，而且效果也不尽人意。主要体现在以下两点。

一是烟雾分布的均匀程度很难控制，烟雾的稳定性很难维持。

二是滴入水中的牛奶数量很难掌控。少了，激光在水中的传播路径很难看清；多了，透光度降低，在明亮的教室中很难看到亮度较低的激光。

(2)活动中难以验证折射光线、入射光线、法线是否在同一平面上。

(3)由于入射角、折射角没有定量的数据呈现，单凭眼睛观察、头脑中模糊的记忆来判断，比较折射角随入射角的变化情况，难以得出较精准的结论。

(4)活动中很难验证光的折射中光路具有可逆性。

二、实验改进方案

1.实验器材

长方体水槽(含水)、激光笔、长方形可折叠有机塑料板(如图2所示)。

可折叠有机塑料板的制作：先打印出由两个量角器组合的圆形图案，再沿中轴线裁成两半，粘贴在有机塑料板上，在背面用透明胶带把两张有机塑料板粘在一起。

图2 实验器材

2.实验操作及效果

(1)研究折射光线、入射光线、法线是否共面。先往水槽中加水，使水面高度与圆形图案的水平直径相平。再把可折叠有机塑料板竖直立在水槽中，让激光从一侧入射到水面，当两边有机塑料板在同一平面上时，在另一侧可清晰看到折射光线(如图3a所示)；向后转动另一面塑料板使两边有机塑料板不在同一平面上时，看不到折射光线(如图3b所示)，再向前转动塑料板使两边有机塑料板又在同一平面上时，看到折射光线。

图3 折射光线与入射光线共面

(2)研究折射光线随入射光线变化的定性认识和折射角与入射角定量关系。选定某角度将光从空气斜射入水中，读出折射角与入射角大小；然后增大入射角，读出相应的折射角大小(如图4所示)；比较每次折射角与入射角的大小关系，归纳得出折射角小于入射角；分析入射角增大时折射角的变化情况，归纳得出折射角随入射角增大而增大，随入射角减小而减小。

图4 折射角与入射角的关系

(3)研究光在折射时是否遵循光路可逆性。把水槽放在桌子边缘，部分悬在桌外，用激光笔从下往上入射，从图4中任选一组或多组入射角与折射角的对应关系，沿某折射角的角度入射时，读出相应的折射角(如图5所示)，发现折射角等于原入射角，说明光在折射时遵循光路可逆性。

图5 光路可逆

三、改进实验的操作注意点

(1)水槽中加水后要使水面高度与圆形图案的水平直径相平。

(2)在观察实验现象时视线要与水面相平且与有机塑料板垂直，否则会看到“错位现象”。