第四章 光现象
第2节 光的反射 · 自主阅读问题链引导设计(逐句精读版)
费曼式以教代学 · 五列轮次问题链 · 含完整参考答案
课标要求:
2022年版义务教育物理课程标准(2.3 声和光):
2.3.3 探究并了解光的反射定律。通过实验,了解光的折射现象及其特点。
4.2.6 探究光的反射定律。
学习目标:
1. 通过实验,认识光的反射现象,能够说出光的反射定律;能够利用光的反射定律解释日常生活中的镜面反射和漫反射等相关现象。
2. 通过利用光线模型描述光反射的现象、分析光的反射定律,深化对于光线模型的理解;基于实验数据分析归纳光的反射定律,发展科学思维能力。
3. 基于大量光反射现象的观察,提出问题,形成对光反射特点的猜想和假设;基于提出的问题,尝试设计简单的探究方案,并进行实验探究;对实验现象及数据进行分析论证,总结出光的反射定律。
4. 在探究光的反射定律活动中,形成实事求是的态度;在分享与交流中,勇于表达和修正自己的观点,形成正确的科学态度;以塔式光热电站为例,了解科技发展对社会进步的意义,增强科技强国的责任感;关注光污染的危害,形成环境保护意识。
重点难点:
通过实验探究得出光的反射定律。
设计理念:
费曼以教代学——把教材原句拆成“原句+追问+抠字”的问题链,每轮配可执行的抠字动作与费曼讲解任务,逼你用自己的话把“什么是光的反射、怎样用纸板把光路‘抓’住、反射定律的三条从哪来、为什么说反射角等于入射角、光路为什么可逆、镜面反射与漫反射差在哪”讲清楚;每部分末尾双保险(动态打断自查+误区预警+极简实验)兜底,最后全局费曼闭环。
教材结构:
本节按“问题(定日镜为什么能把太阳光准确反射到塔顶)→光的反射定律(光的反射现象·图4.2-2、实验·探究光的反射定律·图4.2-3/4.2-4、法线与入射角反射角·图4.2-5、反射定律)→光路的可逆性(图4.2-6)→镜面反射和漫反射(图4.2-7、想想议议、光污染)→练习与应用(5题)”展开。
使用规则:
五列表格从左到右读:轮次→教材关键句(含定位)→问题链(追问/抠字)→抠字动作+费曼任务(动手做、动嘴讲)→参考答案。先盖住“参考答案”自己答,再对照;每完成一部分做“动态打断自查”,有漏洞立刻回看对应轮次。
知识主线:
光遇到物体表面会发生反射,我们能看见不发光的物体是因为它反射的光进入了眼睛→用纸板显示光路、量角器测角,探究反射光与入射光的位置关系→法线(过入射点且垂直于反射面)、入射角与反射角(都是光线与法线的夹角)→光的反射定律:三线共面、两线分居、两角相等→光路可逆→反射分为镜面反射(表面平整光滑、平行光平行反射)与漫反射(表面凹凸不平、把光向四面八方反射,二者都遵守反射定律)→应用(定日镜、自行车尾灯、激光测距)与危害(黑板反光、玻璃幕墙的光污染)。
第一部分 光的反射与光的反射定律
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| 甘肃敦煌的熔盐塔式光热电站使用了超过1.2万面定日镜。当太阳位置发生变化时,自动控制系统可以调整光热电站定日镜的角度,将太阳光准确地反射到吸热塔的顶端(图4.2-1),从而达到聚热的效果。这些定日镜为什么能将太阳光准确反射到指定位置?……光遇到桌面、水面以及其他许多物体的表面都会发生反射(reflection)。我们能够看见不发光的物体,就是因为物体反射的光进入了我们的眼睛(图4.2-2),那么,光发生反射时遵循什么规律?也就是说,反射光是沿着什么方向射出的? | ①定日镜为什么能把太阳光准确反射到吸热塔顶端?(先存疑,学完本节再回来回答)②什么是光的反射?③我们为什么能看见不发光的物体?④反射光沿什么方向射出、遵循什么规律? | 抠“将太阳光准确地反射到吸热塔的顶端”“光遇到桌面、水面以及其他许多物体的表面都会发生反射”“物体反射的光进入了我们的眼睛”。任务:说出光的反射现象与“看见不发光物体”的道理;带着“反射光沿什么方向”的问题进入实验。 | 甘肃敦煌的熔盐塔式光热电站用超过1.2万面定日镜,通过自动控制系统调整镜面角度,把太阳光准确地反射到吸热塔顶端,从而聚热。光遇到桌面、水面以及其他许多物体的表面都会发生反射(reflection)——我们能够看见不发光的物体,就是因为物体反射的光进入了我们的眼睛。那么光发生反射时遵循什么规律、反射光沿什么方向射出,就是本节要探究的问题(定日镜正是利用这一规律工作的)。 |
| (探究光的反射定律·实验思路)当光发生反射现象时,每一束反射光对应着一束入射光。因此,要探究光反射时的规律,就要找到反射光与入射光的位置关系。要找到这个关系应该测量哪些角度?选用什么样的器材?如何测量呢?说说你的想法。……(实验过程)我们可以把一块平面镜放在水平桌面上,再把一张用来显示光的传播路径的纸板竖直地立在平面镜上,纸板上的直线ON垂直于镜面,如图4.2-3所示。实验中应注意使光沿不同角度入射,经过多次测量,分析实验数据,找出反射光与入射光之间的位置关系。1. 使一束光贴着纸板沿某一个角度射到O点,经平面镜反射,沿另一个方向射出。在纸板上用笔描出入射光EO和反射光OF。改变光束入射的角度,观察反射光的方向是否改变。多做几次,换用不同颜色的笔记录每次光的径迹。取下纸板,用量角器测量ON两侧的∠i和∠r,将数据记录在下表中。2. 纸板ENF是用两块纸板连接起来的。把纸板NOF向前折或向后折(图4.2-4),在纸板上还能看到反射光吗? | ①每一束反射光与入射光有什么关系?要研究什么?②为什么用纸板?纸板上的ON起什么作用?③为什么要“改变入射角度、多做几次”?④为什么要测ON两侧的∠i和∠r?⑤把纸板NOF向前折或向后折,还能看到反射光吗?这说明什么? | 抠“每一束反射光对应着一束入射光”“用来显示光的传播路径的纸板”“纸板上的直线ON垂直于镜面”“使光沿不同角度入射,经过多次测量”“用量角器测量ON两侧的∠i和∠r”“把纸板NOF向前折或向后折”。任务:说出实验器材与步骤;说出“折纸板后看不到反射光”说明三线共面。 | 因为每一束反射光都对应着一束入射光,所以要探究的是反射光与入射光的位置关系。实验把一块平面镜平放在桌面上,把一张能显示光传播路径的纸板竖直立在镜面上,纸板上的直线ON垂直于镜面;让一束光贴着纸板沿某一角度射到O点,描出入射光EO和反射光OF,改变入射角度多做几次(用不同颜色笔记录每次径迹),再取下纸板用量角器测ON两侧的∠i和∠r。把纸板NOF向前折或向后折,在纸板上就看不到反射光了——这说明反射光线、入射光线和法线在同一平面内。 |
| 经过入射点O并垂直于反射面的直线ON叫作法线,入射光线与法线的夹角i叫作入射角,反射光线与法线的夹角r叫作反射角(图4.2-5)。……经过大量实验,人们归纳出如下规律:在反射现象中,反射光线、入射光线和法线在同一平面内;反射光线和入射光线分别位于法线两侧;反射角等于入射角。这就是光的反射定律(law of reflection)。光热电站的定日镜就是利用这个规律将太阳光反射到吸热塔顶端的。 | ①什么是法线、入射角、反射角?②光的反射定律包括哪三条?③“反射角等于入射角”能不能说成“入射角等于反射角”?为什么?④定日镜怎样利用反射定律? | 抠“经过入射点O并垂直于反射面的直线ON叫作法线”“入射光线与法线的夹角i叫作入射角”“反射角等于入射角”“在同一平面内”“分别位于法线两侧”。任务:完整复述“三线共面、两线分居、两角相等”;说清“入射角、反射角都是光线与法线的夹角,不是与镜面的夹角”;强调“反射角随入射角改变,不能说成入射角等于反射角”。 | 经过入射点O并垂直于反射面的直线ON叫作法线;入射光线与法线的夹角i叫入射角,反射光线与法线的夹角r叫反射角。光的反射定律(law of reflection):在反射现象中,①反射光线、入射光线和法线在同一平面内;②反射光线和入射光线分别位于法线两侧;③反射角等于入射角。注意:应说“反射角等于入射角”(因为先有入射光、后有反射光,反射角由入射角决定),不能说成“入射角等于反射角”。光热电站的定日镜就是利用这个规律把太阳光反射到吸热塔顶端的。 |
动态打断自查:
能不能说出光的反射现象与“看见不发光的物体”的道理?能不能说出实验器材与关键步骤(纸板显示光路、测ON两侧的∠i与∠r、把纸板NOF折起)?能不能完整复述反射定律的三条,并说明“反射角等于入射角”不能反过来说?全过进第二部分。
误区预警(中考高频):
①把“法线”当成光线(法线是过入射点垂直于反射面的辅助线,不是光)。
②把“入射角”当成入射光线与镜面的夹角(应是入射光线与法线的夹角)。
③把定律说成“入射角等于反射角”(反射角由入射角决定,应说“反射角等于入射角”)。
④只做一次实验就下结论(应改变入射角多次测量)。
⑤折起纸板后看不到反射光,却得出“反射光消失了”的结论(这说明三线共面)。
极简实验 · 生活现象检验:
用平面镜和激光笔(或手电筒)在墙上打出反射光斑,改变入射方向,观察反射光斑移动的方向,体会“入射角改变、反射角随之改变”。
第二部分 光路的可逆性
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| 在上面的实验中,如果让光逆着反射光的方向射到镜面,那么,它被反射后就会逆着原来的入射光的方向射出(图4.2-6)。这表明,在反射现象中,光路可逆。生活中有很多现象可以说明光路的可逆性。例如,如果你在一块平面镜中看到了一位同学的眼睛,那么这位同学也一定会通过这面镜子看到你的眼睛。 | ①让光逆着反射光的方向射到镜面,反射光沿什么方向射出?②这说明什么?③生活中有哪些现象说明光路可逆? | 抠“逆着反射光的方向射到镜面”“逆着原来的入射光的方向射出”“在反射现象中,光路可逆”“看到了一位同学的眼睛……也一定会……看到你的眼睛”。任务:说出光路可逆的含义与一个生活实例。 | 如果让光逆着反射光的方向射到镜面,它被反射后就会逆着原来入射光的方向射出,这表明在反射现象中光路可逆。生活中的例子:你在平面镜中看到了一位同学的眼睛,那么这位同学也一定会通过这面镜子看到你的眼睛;同学之间能互相看见,也是因为光路可逆。 |
动态打断自查:
能不能说出光路可逆的实验现象与含义?能不能举出两个生活实例?全过进第三部分。
误区预警(中考高频):
①把“光路可逆”理解为“光可以任意返回”(它是指沿原反射光方向入射时,反射光沿原入射光方向射出)。
②不能用光路可逆解释“互相看得见”的现象。
③以为只有镜面反射才遵守光的反射定律(漫反射的每一条光线同样遵守反射定律)。
极简实验 · 生活现象检验:
与同学用一面小镜子互相“对视”——你从镜中看到他,他也能从镜中看到你,体会光路可逆。
第三部分 镜面反射和漫反射
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| 阳光射到镜子上,迎着反射光的方向可以看到刺眼的光,而在其他方向却看不到反射的阳光。如果阳光射到白纸上,那么无论从哪个方向看,都能看到纸被照亮了,但不会感到刺眼。这是为什么?……原来,镜面很平整、光滑,一束平行光照射到镜面上后,会被平行地反射(图4.2-7甲)。这种反射叫作镜面反射(mirror reflection)。而看上去很平的白纸,如果在显微镜下观察,可以看到实际是凹凸不平的。凹凸不平的表面会把一束平行光向着四面八方反射(图4.2-7乙)。这种反射叫作漫反射(diffuse reflection)。正是由于桌椅、书本等物体会对照射到其上的光产生漫反射,我们才可以从不同方向看到它们。……(想想议议)有时,黑板反射的光会很亮,使一些同学看不清黑板上的字。请画出这种现象的光路。为了保护同学们的眼睛,请你根据所学的知识提出改变这种状况的建议。……当强烈的太阳光照射到这些光滑的表面时,就会发生镜面反射,炫目的光干扰人们的正常生活,造成“光污染”。 | ①阳光射到镜子和白纸上,看到的现象有什么不同?为什么?②什么是镜面反射、漫反射?③我们为什么能从不同方向看到桌椅、书本?④黑板“反光”看不清字,怎样画光路、怎样改进?⑤玻璃幕墙为什么会造成“光污染”? | 抠“镜面很平整、光滑……被平行地反射”“凹凸不平的表面会把一束平行光向着四面八方反射”“镜面反射(mirror reflection)”“漫反射(diffuse reflection)”“从不同方向看到它们”“光污染”。任务:说出两种反射的区别(表面是否平整、反射光是否平行);用漫反射解释“从各方向都能看到物体”;提出减少黑板反光的办法。 | 阳光射到镜子上,迎着反射光方向能看到刺眼的光、其他方向看不到;射到白纸上则无论从哪个方向都能看到纸被照亮,但不刺眼。原因:镜面平整光滑,一束平行光照射后会被平行地反射,这种反射叫镜面反射;白纸表面凹凸不平(显微镜下可见),会把平行光向四面八方反射,这种反射叫漫反射。正因为桌椅、书本等物体对光发生漫反射,我们才能从不同方向看到它们。黑板“反光”是黑板面(涂漆后较光滑)发生了镜面反射:平行光射到黑板上被近乎平行地反射,若反射光正好射入某些座位同学的眼睛,这些同学就会看到一片刺眼的光、看不清字。改进办法:把黑板面做得粗糙些(如用毛玻璃、哑光漆),或调整座位、改变灯光的入射方向,使反射光不直接射入眼睛。高楼玻璃幕墙、磨光大理石发生镜面反射,炫目的光干扰人们正常生活,造成“光污染”。 |
动态打断自查:
能不能说出镜面反射与漫反射的区别(表面、反射光方向)?能不能用漫反射解释“从各方向都能看到物体”?能不能解释黑板反光并提出改进办法?全过进第四部分。
误区预警(中考高频):
①以为“漫反射不遵守光的反射定律”(漫反射的每一条光线都遵守反射定律,只是各点法线方向不同)。
②把“镜面反射”只理解成“镜子”(平静水面、抛光大理石、玻璃幕墙也是镜面反射)。
③把“白纸很平”当成“绝对平整”(微观上凹凸不平)。
④把光污染只归因于“光太强”,忽略“镜面反射使强光集中射向某一方向”。
极简实验 · 生活现象检验:
用手电筒分别照射平面镜和白纸,从不同角度观察亮度差异;再把平面镜换成揉皱的锡纸,比较“平行反射”与“四面八方反射”。
第四部分 练习与应用(5题)
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| 1 光与镜面成30°角射在平面镜上,反射角是多少?试画出反射光线,标出入射角和反射角。如果光垂直射到平面镜上,反射光如何射出?画图表示出来。2 自行车尾灯的示意图如图4.2-8甲所示。夜晚,用手电筒照射尾灯,看看它的反光效果。图4.2-8乙可以帮助我们理解自行车尾灯的反光原理,请你在图上画出反射光线。 | ①题1“光与镜面成30°角”与入射角是什么关系?反射角是多少?②光垂直射到镜面时,入射角、反射角各是多少?反射光沿什么方向?③题2自行车尾灯为什么能“反光”?怎样画反射光线? | 抠题1“与镜面成30°角”“反射角是多少”“垂直射到平面镜上”、题2“反光原理”“画出反射光线”。任务:题1先由“与镜面夹角”求入射角(90°−30°=60°),再用反射定律求反射角;题2按“两次反射、反射光沿原方向返回”作图。 | 题1:光与镜面成30°角,则入射角 i=90°−30°=60°;由反射定律,反射角 r=i=60°,反射光线、入射角、反射角如图所示。如果光垂直射到平面镜上,入射角为0°、反射角也为0°,反射光将按原路返回。题2:据教材图4.2-8乙,自行车尾灯内有互相垂直的反射面;光射入后经两次反射,反射光沿与入射光相反的方向返回,所以夜间被车灯照射时“反光”效果明显(反射光线如图4-12所示)。 |
| 3 如图4.2-9所示,如何利用一块平面镜使此时的太阳光竖直射入井中?请你通过作图标出平面镜的位置,并标出反射角的大小。4 雨后晴朗的夜晚,为了不踩到地上的积水,人们根据生活经验判断:迎着月光走,地上发亮的是水;背着月光走,地上发暗的是水。请你依据所学光的反射知识进行解释。 | ①题3图中30°是太阳光与哪个方向的夹角?反射光竖直向下时,入射光线与反射光线的夹角是多少?②法线怎样确定?平面镜怎样放?反射角多大?②题4为什么迎着月光走水面亮、背着月光走水面暗? | 抠题3“竖直射入井中”“标出平面镜的位置”“反射角的大小”、题4“迎着月光走……发亮的是水”“背着月光走……发暗的是水”。任务:题3用作图法(入射光与反射光夹角的角平分线即法线,法线垂直于镜面)确定镜面位置;题4用“镜面反射与漫反射”解释。 | 题3:图4.2-9中太阳光与水平面(井口平面)成30°角,而反射光要竖直向下(与水平面成90°),所以入射光线与反射光线的夹角为90°−30°=60°。先作这个夹角的角平分线即为法线(法线与竖直方向成30°),再过入射点作垂直于法线的直线,就是平面镜的位置(镜面与水平面成30°);反射角等于入射角,为 60°的一半,即30°(如图4-13所示)。题4:光射到水面上发生的是镜面反射,射到地面上发生的是漫反射。迎着月光走时,水面上由于发生镜面反射而进入人眼的光明显多于地面上由于漫反射而进入人眼的光,所以水面亮;背着月光走时,水面上镜面反射的光不能进入人眼,而地面上由于漫反射有一部分光能进入人眼,所以地面亮、水面暗。 |
| 5 激光测距技术广泛应用在人造地球卫星测控、大地测量等方面。例如,激光测距仪向目标天体发射激光束,并接收反射回来的激光束,测出激光往返所用的时间,就可以算出所测天体与地球之间的距离。已知一束激光从激光测距仪发出并射向月球,大约经过2.56 s 被反射回来,则地球到月球的距离大约是多少千米? | ①2.56 s 是单程还是往返时间?②怎样求地月距离?③结果化成千米是多少? | 抠“经过2.56 s 被反射回来”“地球到月球的距离大约是多少千米”。任务:明确2.56 s 是往返时间,用 s=vt2 计算并换算单位。 | 2.56 s 是激光从地球到月球再反射回来的往返时间,所以地球到月球的距离 s=vt2=3×108 m/s×2.56 s2=3.84×108 m=3.84×105 km,即约 3.84×105 km。 |
动态打断自查:
练习1~2(反射角60°、垂直入射按原路返回、尾灯反光)能否答对?练习3~4(平面镜位置与反射角、月光与积水)能否分析?练习5(3.84×105 km)能否算出?全过即达标。
误区预警(中考高频):
①题1把“光与镜面成30°角”直接当作入射角(入射角应为90°−30°=60°)。
②题1漏答“垂直入射时反射角为0°、反射光按原路返回”。
③题4把迎着、背着月光时的亮暗关系说反。
④题5忘记2.56 s 是往返时间(应用一半时间计算)。
极简实验 · 生活现象检验:
在地面洒水后(或雨后)的夜晚用手电筒斜照水面与地面,从不同方向观察哪处更亮,验证镜面反射与漫反射的区别。
阅读后:费曼式闭环检验
自我诊断报告:
√ 能讲清的部分:____________
× 薄弱环节(2-3个):____________
— 盲点原因:概念混淆?只会背不会用?还是没例子?
追加实战追问(能答对才算真懂):
- 探究光的反射定律时,纸板起什么作用?为什么要把纸板NOF向前折或向后折?
- 什么是法线、入射角、反射角?光的反射定律的内容是什么?
- 为什么说“反射角等于入射角”而不能说“入射角等于反射角”?
- 镜面反射和漫反射有什么区别?漫反射遵守光的反射定律吗?
- 请用不超过三句话总结本节,并说出它在生活中的两个应用(或危害)。
极简重述任务:用不超过 3 句话讲给完全没学过的人听。
参考框架:
①光遇到桌面、水面等物体表面会发生反射——我们能看到不发光的物体,就是因为物体反射的光进入了眼睛。
②探究光的反射定律时,用纸板显示光路、用量角器测角:反射光线、入射光线和法线在同一平面内(把纸板折起就看不到反射光),反射光线和入射光线分别位于法线两侧,反射角等于入射角(入射角、反射角都是光线与法线的夹角,不是与镜面的夹角)。
③在反射现象中光路可逆(我从镜中看到你,你也能从镜中看到我);反射分为镜面反射(表面平整光滑、平行光平行反射,如镜子、平静水面、玻璃幕墙——强光会造成光污染)和漫反射(表面凹凸不平、把光向四面八方反射,如白纸、桌椅——正因为漫反射我们才能从各个方向看到物体),两者都遵守光的反射定律。
信源说明:教材原文取自《义务教育教科书·物理八年级上册》(人教版2024版)第四章第2节《光的反射》;教学目标(4条)、教学重点(通过实验探究得出光的反射定律)、教材分析与教学建议、教学片段(探究光的反射定律、镜面反射和漫反射)以及练习答案均参照配套《教师用书》。
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