小学科学光色散与光合成实验改进的探析
湖南省华容县禹山镇终南中学 喻安森
一、光的色散实验的改进
1.光的色散实验存在的不足。
在教学时，为了证明日光不是一种纯色的光，一般会安排演示实验或学生动手制作彩虹的实验。空中彩虹形成的基本原理表明，当阳光以不同角度入射到雨后悬浮在空气中的大量小水滴并进入水滴时，先发生一次折射，然后在水滴的背面以不同的角度反射，较后离开水滴时再折射一次，从而形成雨后彩虹光谱，呈现上红下紫的现象。在教学实践中，根据教材所提供的参考实验进行教学存在以下问题：方法1采用室外喷雾实验，容易受到天气因素的影响，且现象停留的时间过于短暂；方法2由于手电筒的光线不足，形成的色散现象不明显；当学生手持手电筒照射时，手会抖动；当合作探究时，学生会触碰到桌子，导致水面晃动，造成色散现象不稳定，不利于长时间细致观察。各种参考资料显示，在彩虹演示装置中，较有教学价值的应属台湾逢甲大学光电学系的细小玻璃珠示范彩虹现象的实验装置，通化师范学院物理系郑明财和于海对彩虹演示所进行的装置改进，改进装置将演示材料主体玻璃珠改为透明树脂珠。这个实验装置较接近真实的场景，效果明显，但是器材不易准备。有的教师用一颗十分大的水珠，如烧瓶或废弃的电灯泡，或者利用装水的烧杯来制造彩虹，但实验时现象不明显。还有的教师采用薄膜干涉，如肥皂膜色散演示，观察阳光下的肥皂泡，采用VCD光盘反射太阳光等方法，实验原理涉及到光的衍射和薄膜干涉现象，虽然容易形成类似彩虹的现象，但是不利于向学生解释实验原理。还有的教师利用幻灯机和三棱镜来制造彩虹，将三棱镜以一定角度放在幻灯机上方的凸透镜上，通电后，幕布上就会出现明亮、色彩饱满的弧形七彩光谱。然而，幻灯机已经被多数学校所淘汰，显然不易准备。
2.实验改进。
该课的彩虹实验，其实仅是为了说明光能分解成多种色光，因此，通过三棱镜做光的色散实验，就能达到同样的效果，较好地引起学生对白光是不是纯色的光的质疑。为了方便开展教学，我们应该选用常用的教学器材，为了方便学生观察和探究，必须使实验现象明显稳定。通过研究与尝试，笔者采用以下改进方案。首先拆下一个铁架台的竖杆，然后利用十字夹将其固定在铁架台上，此时竖杆变成了横杆。把两个十字夹固定在横杆左侧，在横杆的另一端，固定两个试管夹。靠外侧的试管夹用来固定强光LED手电筒，靠铁架台的试管夹用来固定三棱镜。在另一侧放上白色KT板作为屏幕，接下来，通过调整手电筒与三棱镜的距离，调整三棱镜的方向，这样就完成了整个装置的组装。在调节过程中，注意调节器材，保证重心，避免装置不稳。实验改进遵循就地取材的原则，选用实验室常见器材进行组装，制作简单，稳定可靠。选用强光手电筒，使透过三棱镜的光线能传播得更远，在屏幕上能形成明亮弧形的类似彩虹的现象。此外，如果调节好手电筒的光和三棱镜的角度，就能使制造出的彩虹显示在桌面上。因此，该实验还能让学生明显看到手电筒发出的光线发生了偏折，有利于学生理解色散是光线透过棱镜发生折射的现象。此外，稳定的现象有利于学生开展探究彩虹现象中到底有几种色彩、色彩是如何排列的等实验，使实验更具探究性。
二、光的合成实验的改进
1.光的合成实验存在的不足。
采用简易“牛顿盘”来探究光的合成实验，通过高速旋转圆盘，可以看到不同颜色的光好像混合在一起发生变化的现象。其原理与中国古代的“走马灯”以及现代电影的技术是相同的，即利用人的视觉暂留这一生理现象。以红蓝两色圆盘为例，当物体快速运动时，人眼看到的红色消失后，红色仍能继续保留0.1~0.4s左右，此时，又看到蓝色，结果由于视觉暂留，形成红、蓝等颜色混合的现象。显然，这个实验有两个比较大的科学性问题值得商讨，一是实验中所用的不是发光体，而是反光体，实验体现的是不同颜色的混合，而不是不同颜色单色光的混合。二是实验利用视觉暂留原理，不能直接演示不同颜色单色光的混合。
2.实验改进。
如何才能让实验的原理更科学，观察更直接、更直观呢？经过研究，笔者对光的合成进行了创新。实验需要准备3只强光手电筒，红、绿、蓝3种颜色的气球，一只废弃的白色塑料瓶。实验时，根据滤光的基本方法和原理，有色透明物体主要透过的是跟它颜色相同的色光，其他色光几乎都被吸收掉，蓝色气球只能透过蓝色的光，而红色气球只能让红色光透过，可以让学生将气球套在强光手电筒上，并用橡皮筋扎紧，打开手电筒的开关，这样就得到了3种颜色的单色光。接下来，可以引导学生在桌面上放一张白纸当屏幕，将不同颜色的手电筒打开，进行不同组合光的混合实验。为了得到更好的效果，建议将白色塑料瓶瓶底剪掉，做成类似灯罩的装置，并挂在铁架台上，再将手电筒放在瓶底，朝瓶内打开开关，这样就能更清楚地看到光的混合现象了。在教学时，可以利用手电筒制造单色光实验，帮助学生理解滤光原理和方法。利用“三原色光”，即红、绿、蓝3种色光无法被分解，两两混合可以得到更亮的中间色，如黄、青、品红等，将3种单色光等量组合还可以得到白色的光，改进后的实验装置能直接呈现出不同单色光混合后所发生的变化。光的合成实验创新解决了原有示范实验存在的问题。改进之后的实验视觉效果明显，光混合后色彩鲜艳，富有趣味性，让学生真正感受到光与色彩的无穷奥妙，实验时兴趣盎然。由于材料和实验方法具有结构性，因此，学生可以自主进行不同色光的混合，还可以通过调节不同单色光的量，变换颜色。该实验具有很强的探究价值，有利于学生通过经验积累，综合所获取的信息，通过简单的思维加工，自行建构太阳光是由不同颜色的光混合而成的解释或结论，并知道这个结果可以反复验证。这套装置在2014年全国小学科学年会上进行展示，获得了与会者的充分肯定。
事实上，当年牛顿为了证明太阳光不是单纯的白光，分别做了光的色散与光的合成两个实验，这样就使得他的发现符合逻辑，经得起众多科学家的推敲与质疑。因此，该课的教学适合结合牛顿研究太阳光的科学史故事，采用“探究型课题形式引入科学史”的教学方式，通过观察光的色散实验产生的现象，引起学生对太阳光是不是单纯的光产生质疑，进而通过光的合成实验进行反证，让学生认识到白光也可能由不同颜色的色光混合而成。这样的教学设计，能让学生沿着科学家的探索思路，经历类似科学家在研究过程中所产生过的争论、质疑，感受科学家的思维发展过程；能让学生了解科学家是怎样发现问题、分析问题和解决问题的，掌握科学研究的一般方法，培养学生的探究能力。
(湖南省华容县禹山镇终南中学 喻安森 )
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