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小學(xué)科學(xué)光色散與光合成實驗改進的探析

湖南省華容縣禹山鎮(zhèn)終南中學(xué) 喻安森

一、光的色散實驗的改進

1.光的色散實驗存在的不足。

在教學(xué)時，為了證明日光不是一種純色的光，一般會安排演示實驗或?qū)W生動手制作彩虹的實驗。空中彩虹形成的基本原理表明，當陽光以不同角度入射到雨后懸浮在空氣中的大量小水滴并進入水滴時，先發(fā)生一次折射，然后在水滴的背面以不同的角度反射，較后離開水滴時再折射一次，從而形成雨后彩虹光譜，呈現(xiàn)上紅下紫的現(xiàn)象。在教學(xué)實踐中，根據(jù)教材所提供的參考實驗進行教學(xué)存在以下問題：方法1采用室外噴霧實驗，容易受到天氣因素的影響，且現(xiàn)象停留的時間過于短暫；方法2由于手電筒的光線不足，形成的色散現(xiàn)象不明顯；當學(xué)生手持手電筒照射時，手會抖動；當合作探究時，學(xué)生會觸碰到桌子，導(dǎo)致水面晃動，造成色散現(xiàn)象不穩(wěn)定，不利于長時間細致觀察。各種參考資料顯示，在彩虹演示裝置中，較有教學(xué)價值的應(yīng)屬臺灣逢甲大學(xué)光電學(xué)系的細小玻璃珠示范彩虹現(xiàn)象的實驗裝置，通化師范學(xué)院物理系鄭明財和于海對彩虹演示所進行的裝置改進，改進裝置將演示材料主體玻璃珠改為透明樹脂珠。這個實驗裝置較接近真實的場景，效果明顯，但是器材不易準備。有的教師用一顆十分大的水珠，如燒瓶或廢棄的電燈泡，或者利用裝水的燒杯來制造彩虹，但實驗時現(xiàn)象不明顯。還有的教師采用薄膜干涉，如肥皂膜色散演示，觀察陽光下的肥皂泡，采用VCD光盤反射太陽光等方法，實驗原理涉及到光的衍射和薄膜干涉現(xiàn)象，雖然容易形成類似彩虹的現(xiàn)象，但是不利于向?qū)W生解釋實驗原理。還有的教師利用幻燈機和三棱鏡來制造彩虹，將三棱鏡以一定角度放在幻燈機上方的凸透鏡上，通電后，幕布上就會出現(xiàn)明亮、色彩飽滿的弧形七彩光譜。然而，幻燈機已經(jīng)被多數(shù)學(xué)校所淘汰，顯然不易準備。

2.實驗改進。

該課的彩虹實驗，其實僅是為了說明光能分解成多種色光，因此，通過三棱鏡做光的色散實驗，就能達到同樣的效果，較好地引起學(xué)生對白光是不是純色的光的質(zhì)疑。為了方便開展教學(xué)，我們應(yīng)該選用常用的教學(xué)器材，為了方便學(xué)生觀察和探究，必須使實驗現(xiàn)象明顯穩(wěn)定。通過研究與嘗試，筆者采用以下改進方案。首先拆下一個鐵架臺的豎桿，然后利用十字夾將其固定在鐵架臺上，此時豎桿變成了橫桿。把兩個十字夾固定在橫桿左側(cè)，在橫桿的另一端，固定兩個試管夾?？客鈧?cè)的試管夾用來固定強光LED手電筒，靠鐵架臺的試管夾用來固定三棱鏡。在另一側(cè)放上白色KT板作為屏幕，接下來，通過調(diào)整手電筒與三棱鏡的距離，調(diào)整三棱鏡的方向，這樣就完成了整個裝置的組裝。在調(diào)節(jié)過程中，注意調(diào)節(jié)器材，保證重心，避免裝置不穩(wěn)。實驗改進遵循就地取材的原則，選用實驗室常見器材進行組裝，制作簡單，穩(wěn)定可靠。選用強光手電筒，使透過三棱鏡的光線能傳播得更遠，在屏幕上能形成明亮弧形的類似彩虹的現(xiàn)象。此外，如果調(diào)節(jié)好手電筒的光和三棱鏡的角度，就能使制造出的彩虹顯示在桌面上。因此，該實驗還能讓學(xué)生明顯看到手電筒發(fā)出的光線發(fā)生了偏折，有利于學(xué)生理解色散是光線透過棱鏡發(fā)生折射的現(xiàn)象。此外，穩(wěn)定的現(xiàn)象有利于學(xué)生開展探究彩虹現(xiàn)象中到底有幾種色彩、色彩是如何排列的等實驗，使實驗更具探究性。

二、光的合成實驗的改進

1.光的合成實驗存在的不足。

采用簡易“牛頓盤”來探究光的合成實驗，通過高速旋轉(zhuǎn)圓盤，可以看到不同顏色的光好像混合在一起發(fā)生變化的現(xiàn)象。其原理與中國古代的“走馬燈”以及現(xiàn)代電影的技術(shù)是相同的，即利用人的視覺暫留這一生理現(xiàn)象。以紅藍兩色圓盤為例，當物體快速運動時，人眼看到的紅色消失后，紅色仍能繼續(xù)保留0.1~0.4s左右，此時，又看到藍色，結(jié)果由于視覺暫留，形成紅、藍等顏色混合的現(xiàn)象。顯然，這個實驗有兩個比較大的科學(xué)性問題值得商討，一是實驗中所用的不是發(fā)光體，而是反光體，實驗體現(xiàn)的是不同顏色的混合，而不是不同顏色單色光的混合。二是實驗利用視覺暫留原理，不能直接演示不同顏色單色光的混合。

2.實驗改進。

如何才能讓實驗的原理更科學(xué)，觀察更直接、更直觀呢？經(jīng)過研究，筆者對光的合成進行了創(chuàng)新。實驗需要準備3只強光手電筒，紅、綠、藍3種顏色的氣球，一只廢棄的白色塑料瓶。實驗時，根據(jù)濾光的基本方法和原理，有色透明物體主要透過的是跟它顏色相同的色光，其他色光幾乎都被吸收掉，藍色氣球只能透過藍色的光，而紅色氣球只能讓紅色光透過，可以讓學(xué)生將氣球套在強光手電筒上，并用橡皮筋扎緊，打開手電筒的開關(guān)，這樣就得到了3種顏色的單色光。接下來，可以引導(dǎo)學(xué)生在桌面上放一張白紙當屏幕，將不同顏色的手電筒打開，進行不同組合光的混合實驗。為了得到更好的效果，建議將白色塑料瓶瓶底剪掉，做成類似燈罩的裝置，并掛在鐵架臺上，再將手電筒放在瓶底，朝瓶內(nèi)打開開關(guān)，這樣就能更清楚地看到光的混合現(xiàn)象了。在教學(xué)時，可以利用手電筒制造單色光實驗，幫助學(xué)生理解濾光原理和方法。利用“三原色光”，即紅、綠、藍3種色光無法被分解，兩兩混合可以得到更亮的中間色，如黃、青、品紅等，將3種單色光等量組合還可以得到白色的光，改進后的實驗裝置能直接呈現(xiàn)出不同單色光混合后所發(fā)生的變化。光的合成實驗創(chuàng)新解決了原有示范實驗存在的問題。改進之后的實驗視覺效果明顯，光混合后色彩鮮艷，富有趣味性，讓學(xué)生真正感受到光與色彩的無窮奧妙，實驗時興趣盎然。由于材料和實驗方法具有結(jié)構(gòu)性，因此，學(xué)生可以自主進行不同色光的混合，還可以通過調(diào)節(jié)不同單色光的量，變換顏色。該實驗具有很強的探究價值，有利于學(xué)生通過經(jīng)驗積累，綜合所獲取的信息，通過簡單的思維加工，自行建構(gòu)太陽光是由不同顏色的光混合而成的解釋或結(jié)論，并知道這個結(jié)果可以反復(fù)驗證。這套裝置在2014年全國小學(xué)科學(xué)年會上進行展示，獲得了與會者的充分肯定。

事實上，當年牛頓為了證明太陽光不是單純的白光，分別做了光的色散與光的合成兩個實驗，這樣就使得他的發(fā)現(xiàn)符合邏輯，經(jīng)得起眾多科學(xué)家的推敲與質(zhì)疑。因此，該課的教學(xué)適合結(jié)合牛頓研究太陽光的科學(xué)史故事，采用“探究型課題形式引入科學(xué)史”的教學(xué)方式，通過觀察光的色散實驗產(chǎn)生的現(xiàn)象，引起學(xué)生對太陽光是不是單純的光產(chǎn)生質(zhì)疑，進而通過光的合成實驗進行反證，讓學(xué)生認識到白光也可能由不同顏色的色光混合而成。這樣的教學(xué)設(shè)計，能讓學(xué)生沿著科學(xué)家的探索思路，經(jīng)歷類似科學(xué)家在研究過程中所產(chǎn)生過的爭論、質(zhì)疑，感受科學(xué)家的思維發(fā)展過程；能讓學(xué)生了解科學(xué)家是怎樣發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的，掌握科學(xué)研究的一般方法，培養(yǎng)學(xué)生的探究能力。

(湖南省華容縣禹山鎮(zhèn)終南中學(xué) 喻安森 )