1 教材分析

 “全反射”是人教版全日制普通高级中学5物理6(实验修定本#必修加选修)第三册“光的传播”一章的第四节内容.“光的传播”一章内容在实验修定本使用以来,经历了多次删减和修编,现行教材中只保留了四节.通览全章内容,“全反射”是全章的重点,具有承上启下的作用.承上——通过本节内容总结性的应用直线传播、反射、折射知识,进一步从本质上理解和应用折射定律和折射率,有效体会和熟练应用光路可逆解决光的传播问题;启下——可指导性地研究和学习“棱镜”、“测玻璃砖折射率”等内容.同时,本节内容与生产和科技应用联系紧密,是实现课堂知识学习走向课外、走向生产、走向科技的重要教学内容.高考对光的传播的考查也主要体现在本节,以全面考查光传播中的临界、范围、光路作图等问题.

现行教材对本章内容的处理很简洁,主要是基于初中已较系统地学习过,而现在的学习对象又是高三学生.所以,不论是对演示实验的分析与处理,还是对光学模型的光路特点分析,都是一带而过.同时,教师由于上述原因,对本节内容简化处理,没有思想方法引导环节和思维能力训练环节.这样,教材的方法教育功能就削弱了,同时也淡化了对学生空间思维能力的考查与培养.

2 教学设计

  鉴于上述教材特点和教学背景,笔者认为,在教学中不能简单地处理“全反射”,必须通过扎实的教学手段和环节,实现如下教学目标.

(1)贯彻用实验手段研究物理问题和解释物理现象的学习精神,并在实验中学习实验,掌握实验技能.

(2)突破折射光路可逆在知识理解和应用上的难点,能灵活解决折射光路问题.

(3)突出本节在全章的重点地位和临界角在本节的重点地位,掌握解决折射问题及全反射问题的思路方法.

(4)实现课堂知识贴进生活、走向生产、服务科技的目标教育,使学生真切感受到学有所用、学以致用的学习效果.

为实现上述教学目标,笔者采用对比式演示实验、互动式探究活动的教学手段和程序.其次,由于探究式教学的特点决定了获得知识的过程加长,所以在教学中一方面要处处渗透探究教学的思想,同时又不能对所有的教学内容都进行完整的探究式教学.对于一些概念和规律还必需通过讲授、点拨等方法给学生搭建平台,降低自主探究的难度.例如探究焦耳定律时,学生提出了如下的猜想:通电导体发热的多少可能跟导体的电阻、通过导体的电流和通电的时间有关;学生们也能运用控制变量的科学方法进行实验设计,但要求学生自主设计出科学合理的实验装置,是非常困难的.因此,在课堂上笔者采用将自主设计实验方案降级为对给定实验方案进行探究的方法,让学生思考:在这个实验中,研究的导体是什么?用什么方法来反映导体发热的多少?如何对变量进行控制?这样的教学设计可以大大降低学生自主探究的难度,同时也节约了时间.多年的教学实践证明,在探究式课堂教学中,教师值得注意的是,问题解决的探究往往带有“部分”探究的性质,要防止教学过程中过度重复人类发现知识的过程而使学习效率低下,或过度追求问题情境的“新、奇、特”而使教学严重偏离教学目标的现象,必须注重教学活动的成效,追求课堂教学的有效性.

l 课题引入

上课伊始,教师直接出示一玩具装饰手电筒(如图1),开灯后将细塑料柱弯向各个方向让学生观察,询问学生,你们知道这种手电筒其中的物理原理吗?(由此引出课题——全反射,把学生的注意力快速转移到探究知识的方向上)

l 新课教学

光疏介质和光密介质

先提问学生折射率的概念和公式,再布置学生查折射率表,读出水、玻璃、金刚石的折射率,比较后定义光疏介质和光密介质,并特别强调其名称的相对性.对于全反射概念的引入和处理,笔者没有按教材的方式直接由实验引入,而是引导学生以复习上节内容的方式先理性总结,这有助于高三学生分析思维能力的训练,同时也展示了知识的连贯性和系统性.教师出示一半圆玻璃砖,特意介绍其半圆面和直径面,然后提出系列问题:

(1)由空气和半圆玻璃砖组成的光学模型,怎样实现光从光疏介质射向光密介质和光从光密介质射向光疏介质?画出相应光路图.(评价学生的板演图,以正确图示如图2继续提问)

(2)图2(b)中的AO光线从空气进入玻璃为什么不改变方向?此时发生折射了吗?学生讨论后给予正确解答,以解决此处存在的学习难点,并使学生明确,折射的本质是传播方向、传播能量及传播速度的改变,不能仅从传播方向判断折射是否发生.

 

(3)在图2中,入射角逐渐增大,请判断分析将会发生什么结果?学生讨论后,归纳出光从光疏介质射向光密介质和光从光密介质射向光疏介质的光路特点——从疏到密,入射角大于折射角,且当入射角等于90度时,入射角小于90度,折射光线和反射光线一直同时存在.从密到疏,入射角小于折射角,且当入射角等于C(C为临界角)时,折射角等于90度,折射光线与两介质分界面重合,若H入再增大,折射光线消失,只有反射光线.之后教师提出一个趣味性的问题:有个成语叫“坐井观天”,现由图2(a)的光路特点,请设计一个方案,使青蛙坐井能看到地面189度范围内的世界.以此提高学生学习兴趣,巩固对光路特点的理解,并为后面例题中的鱼眼观世界埋下伏笔.通过上述环节,学生在自己动手和动脑中感受光路可逆特点,并由此自然引入全反射.

全反射

为了使学生从感性上再认识光路可逆和全反射发生的环境条件,设计用两套J2513激光光学演示仪装置对比进行演示(一套进行光疏到光密,一套进行光密到光疏,且保证入射角总是相等).实验前板书

实验任务——实验器材与装置、实验程序与手段、实验现象与结论、实验中的特殊光路图,要求学生在观察实验中同时予以总结归纳,其中的光路图可随机请学生板画,以培养学生良好的实验品质和学习的思维品质.在实验现象观察中尤其要提示学生注意比较反射光和折射光强弱的变化,从能量的角度理解光的折射.在实验基础上对全反射进行全面总结,归纳其定义、条件,从条件中提取出临界角并进行定义.之后,教师设置问题:“若光从某介质射向真空,如何求解临界角?”学生充分讨论推导后,教师板书归纳,得到全反射临界角的计算公式,以展示解决全反射问题的一种思路方法.如何在具体的光学问题中引导学生灵活应用临界角?在例题的安排上,由于课文例题用光路可逆原理联系到临界角,学生易出现思维障碍.为此,笔者采用循序渐进的原则,先安排一个自编例题(例1),

待学生理清应用临界角解题的思路程序后,再出示课文中的例题,并提示学生联系前面“坐井观天”的成语问题,这样,学生受例1的启发将会自然的想到用光路可逆,由此就能突破因不善于用光路可逆而造成的临界角应用的教学难点.例题由多媒体投影展示,具体如下.

例1:一游泳池,假设池壁都为黑色不反光,池面足够大,在水面下h处有一强点光源,已知水的折射率为n,则水面上的发亮部分面积有多大?

例2:在水中的鱼看来,水面上和岸上的所有景物都出现在顶角约为97.6度的倒立圆锥里,为什么?解答例题时,教师不要充当数学老师的角色,应引导学生通过例题,总结、归纳解决光路问题的思路和程序(根据题意画出光路图,由光路图展示的几何关系——三角形的边角关系,综合光学知识解答问题),作为教师活动的主要任务.之后,教师简略讲述一些生活和自然界中的全反射现象,如水或玻璃中的气泡很明亮、首饰中的宝石闪光、沙漠中的蜃景等,并板画玩具装饰手电筒中塑料柱传导光的原理示意图(图3),以使学生能在课余探索思考.

教师再用多媒体投影一张国家邮政局1995年发行的纪念邮票——中韩海底光缆系统开通,简单介绍后,引入光导纤维,达到吸引学生关注现代科技的教学效果.

光导纤维

板书阅读提纲,布置学生阅读,总结归纳光导纤维的相关知识.

(1)光导纤维材料、技术指标、构成.

(2)光导纤维的技术应用领域和特点.

(3)我国光导纤维的发展.

用J2516光导纤维应用演示仪进行光导纤维传递图像信号和声音信号的演示实验,进一步加强学生的感性认识和理性思考,实现课堂知识贴进生活、走向生产、服务科技的目标教育,使学生真切感受到学有所用、学以致用的学习效果.

l 课后练习

若中韩光缆总长为L,光缆材料折射率为n,求光信号在光缆中传递的最短时间.