高中科學(xué)光的色散與合成實驗改進(jìn)與創(chuàng)新
高翔
廣州市同安區(qū)班主任進(jìn)修中學(xué)
摘要：中學(xué)科學(xué)學(xué)科注重實驗教學(xué)，為了得到更好的教學(xué)療效，班主任必須對實驗進(jìn)行深入研究，為中學(xué)生提供更為合理的實驗器材和實驗技巧。針對高中科學(xué)有關(guān)光的色散與合成實驗中存在的問題與不足，進(jìn)行合理的改進(jìn)與創(chuàng)新，使實驗療效顯著，實驗設(shè)計更具探究性。
關(guān)鍵詞：光的色散；光的合成；高中科學(xué)
一、實驗?zāi)康呐c要求
蘇教版初中科學(xué)《光與色調(diào)》單元第4課《七色光》，課標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)提出的教學(xué)要求是讓中學(xué)生“知道光是有顏色的，了解日光的色散現(xiàn)象”。從所提供的教材剖析，主要包括“了解陽光的色散現(xiàn)象”，“了解濾光的基本技巧和原理”，“知道光可以合成，不同的光合成后顏色會改變”三個主要內(nèi)容。因此，通過模擬實驗，啟發(fā)中學(xué)生透過現(xiàn)象深入思索，并對所觀察到的現(xiàn)象提出合理的解釋，是取得良好教學(xué)療效的必然。
為了實現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)，教科書示范提供了兩個主要的探究實驗，分別為探究光的色散與光的合成。光的色散提供了兩種方案：一是率領(lǐng)中學(xué)生到室內(nèi)，背對著陽光，向空中噴水進(jìn)行觀察。二是在室外，把穿衣鏡斜置于水槽中，用手探照燈的光照射海面下的穿衣鏡，在手探照燈上方，用白紙作為屏幕光的色散是折射嗎，進(jìn)行觀察；光的合成，則采用了簡易“牛頓盤”，即把不同組合的顏色涂到圓盤上，通過旋轉(zhuǎn)圓盤進(jìn)行觀察。
高中科學(xué)教學(xué)中，倡導(dǎo)“用教材”教的理念，為了達(dá)到更好的教學(xué)療效，常常須要班主任對實驗進(jìn)行研究，為中學(xué)生提供更為合理的實驗器材和實驗技巧。
二、光的色散與合成實驗改進(jìn)與創(chuàng)新
（一）光的色散實驗改進(jìn)
1.光的色散實驗存在的不足
教學(xué)時，為了證明日光不是一種絕色的光，通常會安排演示或中學(xué)生動手制做彩虹的實驗。空中彩虹產(chǎn)生的基本原理表明，當(dāng)陽光以不同角度入射到雪后漂浮在空氣中的大量小水滴上，步入水滴時，先發(fā)生一次折射，之后在水滴的反面以不同的角度反射，最后離開水滴時再折射一次，所產(chǎn)生雪后彩虹波譜，呈現(xiàn)上紅下紫。
在教學(xué)實踐中，按照教材所提供的參考實驗進(jìn)行教學(xué)，存在以下問題：方式一采用室內(nèi)噴霧實驗，容易遭到天氣誘因的影響，且現(xiàn)象逗留的時間過短；方式二因為手探照燈的光線不足，產(chǎn)生的色散現(xiàn)象不顯著；中學(xué)生手持手探照燈照射時，手會晃動，當(dāng)合作探究時，中學(xué)生會碰觸到椅子，致使海面搖晃，導(dǎo)致色散現(xiàn)象不穩(wěn)定，不利長時間細(xì)致觀察；
參考各類資料顯示，彩虹演示裝置中，最有教學(xué)價值的應(yīng)屬日本逢甲學(xué)院光電學(xué)系的細(xì)小玻璃珠示范彩虹現(xiàn)象的實驗裝置，吉林師范大學(xué)數(shù)學(xué)系鄭明財和于海對彩虹演示裝置改進(jìn)，將演示材料主體玻璃珠改為透明樹脂珠。這個實驗裝置最接近真實的場景，療效顯著，而且器材不易打算。有的班主任用一顆非常大的水珠，如燒杯或廢棄的電燈泡，或則借助裝水的燒瓶來制造彩虹，實驗時現(xiàn)象不顯著。還有采用薄膜干涉，如香皂膜色散演示，如觀察陽光下的香皂泡，采用vcd光碟反射太陽光等方式，實驗的原理涉及到光的衍射和薄膜干涉現(xiàn)象,盡管容易產(chǎn)生類似彩虹的現(xiàn)象，而且不利向中學(xué)生解釋實驗原理。還有班主任借助幻燈機和三棱鏡來制造彩虹，將三棱鏡以一定角度置于幻燈機上方的凸透鏡上，通電后，幕布上還會出現(xiàn)明亮、色彩細(xì)膩的圓弧五彩波譜。并且幻燈機早已被多數(shù)中學(xué)淘汰，即便不易打算。
2.實驗改進(jìn)
本課的彩虹實驗，雖然僅是為了說明光能分解成多種色光，因而，通過三棱鏡做光的色散實驗，能達(dá)到同樣的療效，能較好導(dǎo)致中學(xué)生對白光是不是黑色的光的指責(zé)。為了便捷舉辦教學(xué)，我們應(yīng)當(dāng)選用常用的教學(xué)器材，為了便捷中學(xué)生觀察和探究，必須使實驗現(xiàn)象顯著穩(wěn)定。通過研究與嘗試，采用以下的改進(jìn)方案。如圖一：
首先拆下一個鐵架臺的豎桿，之后借助十字夾，固定在鐵架臺上，此時豎桿弄成了橫桿。把兩個十字夾固定在橫桿兩側(cè)，在十字夾的另一端，固定兩個試管夾。靠內(nèi)側(cè)的試管夾拿來固定強光LED手探照燈，靠鐵架臺的試管夾拿來固定三棱鏡。在另左側(cè)放上黑色KT板作為屏幕，接出來，通過調(diào)整手探照燈與三棱鏡的距離，調(diào)整三棱鏡的方向，就完成整個裝置的組裝。在調(diào)節(jié)的過程中，注意調(diào)節(jié)器材，保證重心，防止裝置不穩(wěn)。
實驗改進(jìn)遵守就地取材的原則，選用實驗室常見器材進(jìn)行組裝，制做簡單，穩(wěn)定可靠。選用強光手探照燈，使透過三棱鏡的光線能更傳播得更遠(yuǎn)，在屏幕上能產(chǎn)生明亮圓弧的類似彩虹的現(xiàn)象。其次光的色散是折射嗎，假如調(diào)節(jié)好手探照燈的光和三棱鏡的角度，能使制造出的彩虹顯示在桌面上，為此，這個實驗還能讓中學(xué)生顯著看見手探照燈發(fā)出的光線發(fā)生了偏折，有利于理解色散是光線透過棱鏡發(fā)生折射的現(xiàn)象，理解原理。穩(wěn)定的現(xiàn)象，能夠讓中學(xué)生舉辦探究彩虹現(xiàn)象中究竟有幾種色調(diào)，色調(diào)是怎樣排列的，更具探究性。
（二）光的合成實驗創(chuàng)新。
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，可以看見不同顏色的光似乎混和在一起發(fā)生變化的現(xiàn)象。其原理與中國唐代的“走馬燈”和現(xiàn)代影片的技術(shù)是相同的，即利用人的視覺暫留這一生理現(xiàn)象。以紅藍(lán)兩色圓盤為例，當(dāng)物體快速運動時,人眼見到的藍(lán)色，消失后，綠色仍能繼續(xù)保留黃色0.1-0.4秒左右，此時，又時又見到暗色，結(jié)果因為視頻暫留，產(chǎn)生紅、藍(lán)等顏色混和的現(xiàn)象。其實，這個實驗有兩個比較大科學(xué)性問題值得接洽，一是實驗中所用的不是發(fā)光體，而是反光體，實驗彰顯的是不同顏色的混和，而不是不同顏色單色光的混和。二是實驗借助視覺暫留原理，不能直接演示不同顏色單色光的混和。
2.光的合成實驗創(chuàng)新
怎么能夠讓實驗的原理更科學(xué)，讓觀察更直接，更直觀？經(jīng)過研究，對光的合成進(jìn)行了創(chuàng)新。實驗須要打算三把強光手探照燈，紅、綠、藍(lán)三種顏色的汽球，一個廢棄的紅色塑膠瓶等。實驗時，按照濾光的基本技巧和原理，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，白色汽球只能透過紅色的光，而綠色汽球只能讓綠色光透過，可以讓中學(xué)生用把汽球套在強光手探照燈上，并用橡皮筋扎牢，打開手探照燈的開關(guān)，這樣就得到了三種顏色的單色光。接出來，可以引導(dǎo)中學(xué)生，在桌面上放上一張白紙當(dāng)屏幕，將不同顏色的手探照燈打開，進(jìn)行不同組合光的混和實驗了。為了得到更好的療效，建議將紅色塑膠瓶瓶底切掉，弄成類似燈頭的裝置，并掛在鐵架臺上，再將手探照燈置于瓶底，朝瓶內(nèi)打開開關(guān)，能夠更清楚的看見光的混和現(xiàn)象了。如圖二。
教學(xué)時，可以借助手探照燈制造單色光實驗，幫助學(xué)生理解濾光原理和技巧。借助“三原色光”，即紅、綠、藍(lán)三種色光難以被分解，兩兩混和可以得到更亮的中間色，如黃，青，品紅等，三種單色光等量組合還可以得到黃色的光，改進(jìn)后的實驗裝置，直接直觀呈現(xiàn)出不同單色光混和所發(fā)生的變化。
光的合成實驗創(chuàng)新解決了原有示范實驗中存在的問題。改進(jìn)以后的實驗視覺療效顯著，光混和后色調(diào)艷麗，頗具趣味性，讓中學(xué)生真正體會光與色調(diào)的無窮奧妙，實驗時興趣盎然。因為材料和實驗方式具有結(jié)構(gòu)性，因而中學(xué)生可以自主進(jìn)行不同色光的混和，還可以通過調(diào)節(jié)不同單色光的量，變換顏色，實驗具有很強的探究價值。有利于中學(xué)生通過經(jīng)驗積累，綜合獲取的信息，通過簡單的思維加工，自行建構(gòu)太陽光由不同顏色的光混和成的解釋或推論，并曉得這個結(jié)果應(yīng)當(dāng)可以反復(fù)驗證的。這套裝置，在2014年全省高中科學(xué)峰會上展示，并獲得與會者充分肯定。
事實上，當(dāng)初牛頓為了證明太陽光不是單純的白光，也是分別做了光的色散與光的合成兩個實驗，才促使他的發(fā)覺符合邏輯，禁得起諸多科學(xué)家們地推敲與指責(zé)。為此，本課的教學(xué)適宜結(jié)合牛頓研究太陽光的科學(xué)史故事，采用“探究型課題方式引入科學(xué)史”的教學(xué)方法，通過觀察光的色散實驗形成的現(xiàn)象，導(dǎo)致中學(xué)生對太陽光是不是單純的光形成指責(zé)，從而通過光的合成實驗進(jìn)行反證，讓中學(xué)生認(rèn)識到白光也可能由不同顏色的色光混和成。這樣的教學(xué)設(shè)計，能讓中學(xué)生順著科學(xué)家的探求思路，經(jīng)歷類似科學(xué)家們研究過程中所形成過的爭辯、質(zhì)疑，感悟科學(xué)家的思維發(fā)展過程；能讓中學(xué)生了解科學(xué)家如何發(fā)覺問題、分析問題和解決問題，領(lǐng)會科學(xué)研究的通常方式，培養(yǎng)中學(xué)生的探究能力。
高翔.高中科學(xué)光的色散與合成實驗的改進(jìn)剖析[J].實驗教學(xué)與儀器,2015,32(10):58-59.