光的反射和折射教学新视域

总结出光的折射规律[1].

不难发现，在传统光的反射和折射教学中，主要是从光线的角度研究问题，而对于光在反射和折射过程中的能量分配问题却鲜有提及.

能量概念是物理学的基本概念，能量转化与守恒定律是自然界的基本规律，它把物理学中看似相互独立的力学、热学、光学、电磁学和原子物理学紧密联系起来，并用能量的概念完备地解释物理现象，从而实现了学科最大的逻辑简单性[2].

2001年颁布的义务教育物理课程标准，使“能量”首次成为课程内容的三个主题之一. 在初中物理教材中，能量的概念也贯穿始终，可见能量在中学物理中的重要性.另一方面，能量概念又非常抽象，由于现行的初中物理教材都未给能量下一个确切的定义，也未对能量概念作详尽的解释，因此，这就导致学生在理解能量概念时普遍感到困难.

以能量教学、能量概念和能量观为检索词对中国知网进行检索发现，大部分研究者都认识到了在高中阶段对能量相关知识进行教学的重要性，并在教学中突出能量概念. 但倡导在初中阶段引导学生建立能量观的文献却很少，在能量及其相关概念教学上，也缺乏较为系统的教学方法和教学策略.

由于教材编写与教师教学均未能有效地树立正确的能量观，加上未有系统的教学方法和策略，从而导致初中学生难以从能量的角度认识自然现象也就不足为奇.

因此，在初中阶段加强能量及相关知识的教学就显得尤为重要.

在光的反射和折射教学中，由于初中生已经积累了与能量相关的前概念，所以从能量角度研究光的反射和折射，就成为学生头脑中由感性认识上升到理性认识的过程，不仅符合学生的认知发展规律，而且是可行且必要的. 通过这一教学环节，能够扩展学生的能量认知图式，有助于学生建构完善的能量知识体系，帮助学生形成对光的反射和折射的全面认识，从而促进学生物理学科核心素养发展.

2 光的反射和折射过程中的能量分配

为了让初中学生更好地建构能量知识，丰富对光的反射和折射的认识，下面讨论光从一种媒质入射进另一种媒质时反射光和折射光的能量分配情况.

光入射到媒质的界面上时，一部分光反射回原来的媒质，另一部分透入另一种媒质，同时也总有一些光被媒质所吸收. 但是对于透明体来说，例如纯净的空气、清水和光洁的玻璃等，吸收的光能极少，通常可以略去不计. 根据能量守恒定律，入射光的能量应等于反射光的能量与折射光的能量之和. 反射光和折射光的能量分配是根据两媒质的光学特性（折射率n）和入射角的大小i所决定的.

下面分别讨论当光从空气入射到水中（n=1.33）反射光和折射光的能量分配情况以及光从玻璃（n=1.33）入射到空气反射光和折射光的能量分配情况.

2.1 光线从空气入射到水中

光线以不同入射角从空气入射到水中反射光和折射光的能量分配情况，见表1.

反射光和折射光能量分配图，如图1所示.

从表1和图1中可以看出，当光从空气以不同入射角分别入射到水中时，随着入射角逐步变大，反射光的能量也随之增大. 入射角在0°— 60°之间时，反射光能量增大幅度小，不超过6%. 从60°开始，增长幅度变大，当入射角达到80°时，反射光能量可达34%以上，入射角达到90°时，反射光能量达到了100%.

随着入射角增大，折射光的能量随之减小. 当入射角小于60°时，折射光能量缓慢减小，当入射角大于60°，折射光能量急剧下降，入射角从80°上升到89°时，折射光能量从65.5%大幅下降到10%，入射角达到90°时，折射光能量减少为0.

当反射光能量和折射光能量的趋势线相交时，反射光能量与折射光能量相等，此时对应的入射角为i=i1 ，当i<i1 时，反射光能量小于折射光能量，当i>i1 时，反射光能量大于折射光能量.

2.2 光线从玻璃进入空气中

上面讨论的是光线从光疏媒质（空气）入射到光密媒质（水）反射光和折射光的能量分配情况，下面讨论当光线从光密媒质（玻璃）进入光疏媒质（空气）时反射光和折射光的能量分配情况.

与光线从空气入射到水中的情况不同的是，光线从玻璃进入空气会发生全反射现象. 所谓全反射现象是指当入射角达到临界角时，折射角r=90°，因而当入射角等于或大于临界角时，光线就不再折射而是全部被反射. 由水到空气的全反射临界角约为49°，由各种玻璃到空气的临界角在30°-40°之间. 光线从玻璃进入空气时，其反射光和折射光能量分配的百分比见表2.

反射光和折射光能量分配图，如图2所示.

由表2和图2可知，当光线从光密媒质入射到光疏媒质时，反射光的能量同样也是随着入射角的增大而增大. 不同的是，当入射角接近临界角i=42°时，入射角若有微小变化，反射光能量便急剧增大. 当入射角达到临界角时，反射光能量达到100%，自此随着入射角的持续增加，反射光的能量都是100%，即发生了全反射现象.

在发生全反射之前，折射光能量随着入射角的增大缓慢减少，并在总能量中占很大比重，当入射角达到临界角后，折射光能量降为0.

图2中反射光能量和折射光能量趋势线的交点同样表示在此时的入射角下，反射光能量与折射光能量相等.

需要说明的是，反射定律和折射规律只有在媒质分界面尺寸大大超过波长时才是正确的. 如果小水滴或小玻璃片的尺寸小于0.01毫米时，将出现衍射现象，此时，反射光能量和折射光能量的分配，就不再符合以上各表的数据了[3].

3 研究启示

通过对光的反射和折射现象中反射光能量和折射光能量分配情况的分析可知，在光学教学中引入能量概念，能够使学生更为全面地理解光的反射和折射现象，丰富初中学生的物理认知，为后续的物理学习奠定基础. 還能够培养学生学习光学的兴趣，并有助于学生物理学科核心素养的达成，这显然具有重要的教学意义.

3.1 物理教学应树立正确的能量观

一切物质运动都与能量有关，能量概念渗透于初中物理的每一个教学内容中，因此教师要树立正确的能量观念，善于把与能量相关的知识勾勒出来，为学生提供建立能量观念的机会，从而构建完善的知识体系. 为此，教师要准确把握能量概念的教学要求，既要注重能量内涵的教学，又要把握能量外延的教学. 这是因为，在初中阶段如果教师讲得太深，教学效果反而会适得其反.由于初中学生已经积累了与能量相关的前概念，因此，在光的反射和折射教学中实现从光线角度到能量角度的跨越，同时符合初中学生的认知发展规律，能够深化初中学生对光的反射和折射的认识.值得注意的是，除光学外，初中物理其他部分同样也与能量有着密不可分的联系.譬如，声音具有声能、运动的物体具有动能、发生弹性形变的物体具有弹性势能、被举高的物体具有重力势能、电具有电能等，这些都是能量的各种形式.教师在整个初中阶段的物理教学中应逐步渗透能量的各种形式，力求为学生构建完备的能量知识体系，使学生对能量有更全面而具体的认识，激发他们学习物理的兴趣，进而启发学生科学思维.

3.2 物理教学应渗透量变质变规律

量变是指事物量的规定性的变化，质变是指事物根本性的变化. 《荀子》说：“不积跬步，无以至千里;不积小流，无以成江海.”，说明了量变与质变相互转变的规律. 初中物理很多内容都体现了量变与质变的思想，如物体温度的量变会引起物态的质变;透镜成像时，物距的量变会引起像的质变等[4] .在讨论光线从玻璃进入空气的情况时，当入射角小于临界角时，反射光能量远小于折射光能量，而当入射角达到临界角时，能量分配情况发生了突变，反射光能量达到100%，折射光能量降为0，发生了全反射现象，这一过程就是一个从量变到质变的过程. 物理学中诸多概念和规律都渗透着量变与质变的规律，将量变与质变的辩证思想应用到物理教学中，不仅有利于学生更好地理解知识，同时学生的科学思想、科学方法等都能得以发展. 更为重要的是，这一思想对学生树立“千里之行，始于足下”的人生观也可以产生潜移默化的影响.

3.3 物理教学应注重理论联系实际

根据皮亚杰的认知发展理论，初中生的认知发展水平还停留在前运算阶段和具体运算阶段，因此，教师在教学中就应当注重理论联系实际，培养学生利用物理知识解决生活与学习中的实际问题的能力，从而帮助学生更好地建构认知图式.在现实生活中，光的反射、光的折射以及光的全反射现象都有着广泛的应用，家中的穿衣镜，汽车上的后视镜等运用了光的反射原理;斜放在水中的筷子看上去被“折断”、河里的水看上去比实际的浅、光学眼镜、显微镜、放大镜、照相机等均运用了光的折射原理;胃镜、潜水镜、光纤通信等都使用了全反射的原理. 此外，在自然界中，水中或玻璃中的气泡看起来特别明亮，其原因就是因为光线从水或玻璃射向气泡时，一部分光在界面发生了全反射. 因此，通过将生活中的全反射现象引入到物理教学中，将理论联系实际，就能够使学生更全面地了解光的反射和折射现象从而发展他们的科学思维.

参考文献：

[1]人民教育出版社课程教材研究所，物理课程教材研究开发中心.物理（八年级上册） [M].北京：人民教育出版社，2012.

[2]谭世略.初中物理能量及相关概念教学的研究与实践[D].苏州：苏州大学，2009.

[3]何汝鑫.中学物理解疑[M].南京：江苏人民出版社，1982.

[4]庄运武.完成量的积累 实现质的飞跃[J].中小学教学研究，2015（11）：36-39.

（收稿日期：2019-07-23）

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