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小學(xué)科學(xué)光色散與光合成實(shí)驗(yàn)改進(jìn)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(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

1.光的色散實(shí)驗(yàn)存在的不足。

在教學(xué)時(shí)，為了證明日光不是一種純色的光，一般會(huì)安排演示實(shí)驗(yàn)或?qū)W生動(dòng)手制作彩虹的實(shí)驗(yàn)?？罩胁屎缧纬傻幕驹肀砻?，當(dāng)陽(yáng)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(jìn)入水滴時(shí)，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(kāi)水滴時(shí)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(shí)踐中，根據(jù)教材所提供的參考實(shí)驗(yàn)進(jìn)行教學(xué)存在以下問(wèn)題：方法1采用室外噴霧實(shí)驗(yàn)，容易受到天氣因素的影響，且現(xiàn)象停留的時(shí)間過(guò)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(dāng)學(xué)生手持手電筒照射時(shí)，手會(huì)抖動(dòng)；當(dāng)合作探究時(shí)，學(xué)生會(huì)觸碰到桌子，導(dǎo)致水面晃動(dòng)，造成色散現(xiàn)象不穩(wěn)定，不利于長(zhǎng)時(shí)間細(xì)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(jià)值的應(yīng)屬臺(tái)灣逢甲大學(xué)光電學(xué)系的細(xì)小玻璃珠示范彩虹現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)裝置，通化師范學(xué)院物理系鄭明財(cái)和于海對(duì)彩虹演示所進(jìn)行的裝置改進(jìn)，改進(jìn)裝置將演示材料主體玻璃珠改為透明樹(shù)脂珠。這個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置較接近真實(shí)的場(chǎng)景，效果明顯，但是器材不易準(zhǔn)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(lái)制造彩虹，但實(shí)驗(yàn)時(shí)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(yáng)光下的肥皂泡，采用VCD光盤(pán)反射太陽(yáng)光等方法，實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)原理。還有的教師利用幻燈機(jī)和三棱鏡來(lái)制造彩虹，將三棱鏡以一定角度放在幻燈機(jī)上方的凸透鏡上，通電后，幕布上就會(huì)出現(xiàn)明亮、色彩飽滿的弧形七彩光譜。然而，幻燈機(jī)已經(jīng)被多數(shù)學(xué)校所淘汰，顯然不易準(zhǔn)備。

2.實(shí)驗(yàn)改進(jìn)。

該課的彩虹實(shí)驗(yàn)，其實(shí)僅是為了說(shuō)明光能分解成多種色光，因此，通過(guò)三棱鏡做光的色散實(shí)驗(yàn)，就能達(dá)到同樣的效果，較好地引起學(xué)生對(duì)白光是不是純色的光的質(zhì)疑。為了方便開(kāi)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(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯穩(wěn)定。通過(guò)研究與嘗試，筆者采用以下改進(jìn)方案。首先拆下一個(gè)鐵架臺(tái)的豎桿，然后利用十字夾將其固定在鐵架臺(tái)上，此時(shí)豎桿變成了橫桿。把兩個(gè)十字夾固定在橫桿左側(cè)，在橫桿的另一端，固定兩個(gè)試管夾。靠外側(cè)的試管夾用來(lái)固定強(qiáng)光LED手電筒，靠鐵架臺(tái)的試管夾用來(lái)固定三棱鏡。在另一側(cè)放上白色KT板作為屏幕，接下來(lái)，通過(guò)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(gè)裝置的組裝。在調(diào)節(jié)過(guò)程中，注意調(diào)節(jié)器材，保證重心，避免裝置不穩(wěn)。實(shí)驗(yàn)改進(jìn)遵循就地取材的原則，選用實(shí)驗(yàn)室常見(jiàn)器材進(jìn)行組裝，制作簡(jiǎn)單，穩(wěn)定可靠。選用強(qiáng)光手電筒，使透過(guò)三棱鏡的光線能傳播得更遠(yuǎn)，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(shí)驗(yàn)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(guò)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(kāi)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(shí)驗(yàn)，使實(shí)驗(yàn)更具探究性。

二、光的合成實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

1.光的合成實(shí)驗(yàn)存在的不足。

采用簡(jiǎn)易“牛頓盤(pán)”來(lái)探究光的合成實(shí)驗(yàn)，通過(guò)高速旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)，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(guó)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(jué)暫留這一生理現(xiàn)象。以紅藍(lán)兩色圓盤(pán)為例，當(dāng)物體快速運(yùn)動(dòng)時(shí)，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(shí)，又看到藍(lán)色，結(jié)果由于視覺(jué)暫留，形成紅、藍(lán)等顏色混合的現(xiàn)象。顯然，這個(gè)實(shí)驗(yàn)有兩個(gè)比較大的科學(xué)性問(wèn)題值得商討，一是實(shí)驗(yàn)中所用的不是發(fā)光體，而是反光體，實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)利用視覺(jué)暫留原理，不能直接演示不同顏色單色光的混合。

2.實(shí)驗(yàn)改進(jìn)。

如何才能讓實(shí)驗(yàn)的原理更科學(xué)，觀察更直接、更直觀呢？經(jīng)過(guò)研究，筆者對(duì)光的合成進(jìn)行了創(chuàng)新。實(shí)驗(yàn)需要準(zhǔn)備3只強(qiáng)光手電筒，紅、綠、藍(lán)3種顏色的氣球，一只廢棄的白色塑料瓶。實(shí)驗(yàn)時(shí)，根據(jù)濾光的基本方法和原理，有色透明物體主要透過(guò)的是跟它顏色相同的色光，其他色光幾乎都被吸收掉，藍(lán)色氣球只能透過(guò)藍(lán)色的光，而紅色氣球只能讓紅色光透過(guò)，可以讓學(xué)生將氣球套在強(qiáng)光手電筒上，并用橡皮筋扎緊，打開(kāi)手電筒的開(kāi)關(guān)，這樣就得到了3種顏色的單色光。接下來(lái)，可以引導(dǎo)學(xué)生在桌面上放一張白紙當(dāng)屏幕，將不同顏色的手電筒打開(kāi)，進(jìn)行不同組合光的混合實(shí)驗(yàn)。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(tái)上，再將手電筒放在瓶底，朝瓶?jī)?nèi)打開(kāi)開(kāi)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(shí)，可以利用手電筒制造單色光實(shí)驗(yàn)，幫助學(xué)生理解濾光原理和方法。利用“三原色光”，即紅、綠、藍(lán)3種色光無(wú)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(jìn)后的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)創(chuàng)新解決了原有示范實(shí)驗(yàn)存在的問(wèn)題。改進(jìn)之后的實(shí)驗(yàn)視覺(jué)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(wú)窮奧妙，實(shí)驗(yàn)時(shí)興趣盎然。由于材料和實(shí)驗(yàn)方法具有結(jié)構(gòu)性，因此，學(xué)生可以自主進(jìn)行不同色光的混合，還可以通過(guò)調(diào)節(jié)不同單色光的量，變換顏色。該實(shí)驗(yàn)具有很強(qiáng)的探究?jī)r(jià)值，有利于學(xué)生通過(guò)經(jīng)驗(yàn)積累，綜合所獲取的信息，通過(guò)簡(jiǎn)單的思維加工，自行建構(gòu)太陽(yáng)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(gè)結(jié)果可以反復(fù)驗(yàn)證。這套裝置在2014年全國(guó)小學(xué)科學(xué)年會(huì)上進(jìn)行展示，獲得了與會(huì)者的充分肯定。

事實(shí)上，當(dāng)年牛頓為了證明太陽(yáng)光不是單純的白光，分別做了光的色散與光的合成兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，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(yáng)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(guò)觀察光的色散實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的現(xiàn)象，引起學(xué)生對(duì)太陽(yáng)光是不是單純的光產(chǎn)生質(zhì)疑，進(jìn)而通過(guò)光的合成實(shí)驗(yàn)進(jìn)行反證，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)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(jì)，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(guò)程中所產(chǎn)生過(guò)的爭(zhēng)論、質(zhì)疑，感受科學(xué)家的思維發(fā)展過(guò)程；能讓學(xué)生了解科學(xué)家是怎樣發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)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 )