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[八年级物理上]第1节 光的传播    热      【字体：小 大】
[八年级物理上]第1节 光的传播
更新时间：2007-4-16
第1节 光的传播
 
一、本节三维目标要求
1.知识与技能
Ø         理解光沿直线传播的条件，认识反射、折射现象。 
Ø         了解光在真空中的传播速度c＝3×108m/s。
Ø         了解光的在社会生活与生产中的一些应用 
2.过程与方法 
Ø         观察光在空气、水和玻璃中传播的实验现象，认识光沿直线传播是有条件的。 
Ø         通过讨论“光传播的是什么”，了解光是传播能量和信息的重要载体。 
3.情感、态度与价值观 
Ø         通过介绍墨子在光学中的贡献，激发学生的民族自豪感，进行爱国主义教育。
Ø         通过对光沿直线传播的探究性学习活动，使学生认识到理论的片面性。
 
二、重点与难点
设计与组织关于“光总是沿直线传播吗”这一问题的探究活动是本节的重点和难点。
 
三、教学实施建议
（一）教学过程
本节分为三个教学板块，（1）探究光沿直线传播的条件，认识反射和折射；（2）了解光的应用；（3）了解光的传播速度。
1.实验探究过程设计 
实验前可以展示一些霞光万道、晨曦中穿透树林的道道阳光、节日夜空中的多彩的激光等优美图片或视频，让学生欣赏绚丽景象的同时认识到大自然中有许多光沿直线传播的例子，在轻松的环境中进入这节课的学习。
光在空气中沿直线传播，学生在小学科学中已经知道，因此我们对光传播规律的探究不能简单重复，所以教材提出“光总是沿直线传播吗？”的问题，即要引导学生探究“光沿直线传播的条件是什么？”
探究光沿直线传播的条件，应该让学生讨论光在哪些情况下会改变传播方向，在老师的指导下总结出三种可能情况：（1）光在遇到其他物体，在界面处发生反射；（2）光遇到其他透明物体，在界面处发生折射：（3）在同种不均匀介质中，光线可能发生弯曲。
光遇到其他物体时，会改变传播方向，学生的感性认识较少，一定要让学生亲自做一做。做这些实验的方法较多，以下对实验作几点说明：
（1）在探究活动中要求给每组学生配备激光笔，教师要强调激光束一定不能直射入眼睛。
（2）可以把激光笔发出的激光束照射到光滑的桌面以及小平面镜上，观察反射现象。用激光笔发出的激光束照射到水中或玻璃中，观察激光束在玻璃或水中的传播路径。为了能看到水中的光路，可以在水槽的里面铺一张白纸作衬，也可以在水中滴少许牛乳或墨水。
（3）光在同种不均匀介质中传播的实验难度较大，建议课上放一段实验的视频，有兴趣的学生可以课下探究。
通过以上探究，教师应该引导学生对所观察到的物理现象作出总结，并得出“光在均匀介质中沿直线传播，光在两种介质的交界面，发生反射和折射”这一结论。
2.教学过程说明
在组织学生探究活动的同时，还应注重以下环节：
（1）光线的概念较抽象，我们在更多的地方用光束来描述。整个光学教学中，我们强调要让学生经历从光束到光线的认识过程，教材图4-1-1和4-1-2的（b）中，要求学生自己画出光传播的路径，开始不要统一画法，关键是要学生经历“用光线来表示光的传播路线”的过程。最后让学生在比较中统一光线的画法，但对光线不一定要下严格的定义。
（2）学生可能会提出这样的问题：“光传播的是什么？”在讨论交流中，可以通过教材中图4-1-6的四幅图片，向学生说明光具有能量，可以传播信息。同时也可以以此作为进一步展示了光的应用的契机。如从热谱图、验钞机、光纤等生产生活实例出发得出“光可以传播信息”这一观点；再从太阳灶等例子，指出光也可以传递能量。
（3）关于光的直线传播的应用，教材中用典型事例--激光准直、小孔成像、影的形成，展示了它的应用。如果能向学生介绍一些利用激光准直的其他实例，学生会更感兴趣。此外，可以参照“参考资料”中关于墨子的光学成就，对小孔成像规律的发现历史以及机理作出介绍，在深化学生对“光沿直线传播”这一论断的理解的同时，激发学生的民族自豪感以及历史责任感。
光的直线传播的应用还有许多。教学时可选择补充一些实例。在“家庭实验室”，建议做个“针孔照相机”，让学生在动手中，学习科学知识，体验成功的快乐，同时也为透镜和眼睛的学习作一些铺垫。
（4）光的传播速度 
教材直接给出光在真空或空气中的速度c＝3×108m/s。光在各种介质中的速度都比在真空中的小。在此，可以介绍诺贝尔奖获得者朱棣文使光在特殊介质里1s只传播几米，增强民族自信心。
为了使学生理解光速有多快，教材中用一幅漫画加以注解，形象生动地说明光速非常快。教学时应使学生了解真空中的光速是宇宙间最快的速度，并记住c＝3×108m/s这个重要的物理常数。
（二）材料准备与实验设计
1.实验材料准备
本节教学需要学生准备以下实验材料：激光笔、镜片、玻璃片、玻璃砖、纸筒、黑纸、半透明纸等。
图4-1-2
图4-1-1 J2501型光具盘
2.实验介绍
1.观察光的折射现象：
本实验也可以用J2501型光具盘演示，让光从空气射入玻璃中(并掠过光具盘)（图4-1-1），观察光在空气和玻璃交界面发生的物理现象，以及在空气和玻璃中的传播路线。
2.观察光在不均匀介质中的传播：
将接近饱和的浓葡萄糖溶液逃入有机玻璃水槽中，液深1.5cm。用宽2.5cm，长20cm左右的薄膜铺在葡萄糖溶液面上，然后用滴管将清水滴在薄膜上，水顺着薄膜流到葡萄糖溶液界面上，水深1cm,总液深为2.5cm，用镊子轻轻姜薄膜取出。
将激光束眼水平或斜上方射入配好的溶液中，在槽的侧面，就会看到光线明显地向下弯曲。
 
四、发展空间
（一）“自我评价”参考答案
1.可以。根据光在均匀介质中直线传播的规律，将两条光线作反向延长，交点即是室内电灯的位置。
2.7.46
3.瞄准器等。
（二）“物理在线”指导
栏目中简要地介绍了光源的定义，并指出光源在人类文明发展史上的重要性。学生可以通过互联网获取与光源相关的一些资料，并进行交流。教师可以参照后文的参考资料，对学生活动进行指导。
 
五、教学资源
（一）教学视频
1.光在非均匀介质中的传播实验（见“教师备课系统”光盘）
2.手影游戏（见“教师备课系统”光盘）
（三）参考资料
1.《墨经》中的几何光学
《墨经》是世界上最早对几何光学进行系统论述的典籍。在《墨经》中，论述了几何光学中的诸多主题，涉及到影、小孔成像、平面镜、凹面镜、凸面镜成像，这些比古希腊欧几里德（约公元前330～275）的光学记载早百余年。
墨子在当时就已知道光是沿直线传播的。墨子和他的学生做了世界上最早的“小孔成像”实验，并对实验结果作出了精辟的见解。在一间黑暗的小屋朝阳的墙上开一个小孔，人对着小孔站在屋外，屋里相对的墙上就会出现一个倒立的人影。《墨经》中对此解释道：“景光之人煦若射，下者之入也高，高者之入也下。”意思是，因为光线如箭般直线行进，人体下部挡住直射过来的光线，射过小孔，成影在上边；人体上部挡住直射过来的光线，穿过小孔，成影在下边，就成了倒立的影。这是对光沿直线传播的第一次科学解释。
《墨经》中还利用光的直线传播原理解释了物体和投影的关系。墨家认为，光被遮挡就产生投影，物体的投影并不会跟随物体一起移动。飞翔的鸟儿，它的影子仿佛也在飞动着，实际上是新旧投影的不断更新。在二千多年前，能对光的性质做如此深入细致地研究极其难得。
 墨家在研究了两个光源同时照射一个物体和成影现象以后指出：一个物体有两种投影，是由于它受到两个光源照射的缘故；如果只有一个光源照射一个物体，则只会产生一个投影。这些论述与现代光学中的“本影”、“半影”的描述吻合。
 我国在三千多年前就出现了青铜镜。墨子和他的弟子对镜子成像的原理进行了深入的研究，提出了平面镜、凹面镜和凸面镜的成像的理论。在分析镜面成像的时候，墨家把物体看做无数物点组成的，所成的像由无数“糗”组成。“糗”字在这里含意为极细小的物体，描述物体成像的像点。
墨家知道光在透鏡或凹面镜之前会聚焦。《墨经》上说：“在远近有端与于光，故景瘴內也。”景即影，指物体的影像；內即纳，也就是聚集在一点的意思。《墨经》里常称焦点为“正”或“內”，由此可知墨家已研究出光线聚集原理。
墨家对凸面镜生虛像的原理也很了解。《墨经》记载：“景之糗无数，而必过正，故同处其体俱然。”意思是说：物体影子由物体距离镜子距离的远近来确定，任何一处都可成影，所以说影无数，但這些影子都必然通过焦点，即过“正”。在我们知道的所有能成像的物体中，太阳是最远的，所以它成像在焦点上。而物体离镜面愈近，成像的位置愈远；如果物体和太阳一样远，则影像也在焦点上，所以说，“同处，其体俱然”。
墨家已经知道凹面镜成倒实像的現象，《墨经》說：“临镜而立，景到。”意指物体经过凹面鏡的反射，所成的影像是倒的。书中对这种现象给出了解释：“足敝下光，故成景于上；首敝上光，故成景于下。”

2.激光准直
激光由于具有亮度高、方向性强、单色性好、相干性强等特点，在工程、医疗等方面得到了广泛的应用。这里仅就基本建设工程的施工测量中的应用作简单介绍。
在基建工程中，为保持施工作业的质量，常常需要提供较高精度的横向、竖直基准线。以激光束作基准线精度在±1mm以内的作业，称为激光准直。
激光准直，需要激光发射角控制得很小，使光束尽量集中，以获得尽可能长的准直距离。目前激光准直技术在基本建设工程中的应用主要在以下两个方面。
(1)在开凿地下隧道工程中，过去用普通光学经纬仪等仪器，在人工照明条件下，设立桩标，建立基准线。这种方法一方面需要不断停工，影响掘进速度；另一方面在照明不足、粉尘浓度大的情况下，测程短，需要测的次数多，质量也不易得到保证。而在地铁、隧道工程中，应用激光准直，激光束可达300m远，并且亮度大，看得清楚；也便于用光电检测自动控制调整掘进机的方向。在大型掘进中，还可增加激光束的数量，当激光束较多时，可形成开掘面的轮廓，保证工程质量。
(2)在大型建筑施工中，经常有大面积饰面板安装工程，如大理石贴面、地板安装等。在这种情况下，利用激光束作基准线，可以提高精度。
毛主席纪念堂柱廊有44根柱子，每边12根，用大块的经过刨床加工过的花岗石作饰面，为了使12根廊柱外饰面共在一个铅直面上，采用了激光准直仪为最下面的两列石板准直。施工中，先使仪器发出的激光束与柱列中心线平行（如图），再以激光束作为检查每根柱上花岗石板共铅直面的基准，可保证各石板共铅直面精度达到毫米量级。 

在面积大、人员多、交通频繁的施工场合，激光准直线不怕碰、不怕风、不妨碍交通，使用方便、准确可靠。

3.光的传播速度
大多数物质不会使光速明显变慢。然而，1998年美国哈佛大学的Lene Vestergaard Hau宣布，她把光速降到了每秒17米。2001年，她使光完全停止了。当然，她的研究小组所用的不是普通材料，而是玻色－爱因斯坦凝聚态的物质。
　　这种非同寻常的物质由一团原子云组成，这团原子云冷却到绝对零度以上百万分之一度，从而形成玻色－爱因斯坦凝聚。它实质是一个单一的量子物体，有点像一个巨大的原子，其中所有的原子都处在同一量子态上，以同样方式运动，仿佛它们就是一个物体。
　　使光速变慢的技巧，在于用两束垂直相交的光速照射玻色－爱因斯坦凝聚体。其中一束携带信息，称为探测光；另一束称为耦合光。耦合光照射到凝聚体上时，会使它变得完全透明，从而使探测光能够穿过。
　　钠原子的最外层轨道上有一个电子，探测光与这个电子之间的相互作用对这一过程非常关键。当一个原子从探测光速吸收一个光子时，外层电子跳到一个较高的能级。很短一段时间之后，它又跌回到原来的能级，释放出一个光子。不走运的是，这个过程完全是随机的，因此原有光束中所有的信息都丢失了。
图4-1-4 
　　探测光脉冲频率不同的组成部分在穿过凝聚物时速度不同，这样的结果是一个输入脉冲在钠原子云中聚成一团，缓缓通过，其间原子的自旋受脉冲的影响发生变化。如果耦合光在此时被撤去，光脉冲（或至少是其中的信息）就被束缚在原子的自旋方式里，光束实质上停止了。耦合光再次亮起，凝聚物就重新释放出光脉冲。
放慢或停止光的脚步，可能在运算方面获得实际应用。物理学家长久以来一直想制造光计算机，利用光速而非电子来传递信号、执行运算。他们还希望造出量子计算机，利用原子的量子态和奇异的量子原理来制造运算能力超强的处理器。Hau对付光的技巧还可能帮助科学家们模拟光在黑洞附近的行为。实际上，研究光速也许是解开宇宙最深奥秘——那些由光速帮助决定的奥秘——的最佳途径。
译自NewScientist, 2002.01.19
4.光源
人造光源有着漫长的发展史。据考古资料，在距今约70万至20万年前，旧石器时代的北京猿人已经开始将火用于生活之中;穴居的原始人就靠着篝火照明;随后逐渐学会了使用火把。在我国的史书记载中，灯具见于传说中的黄帝时期;《周礼》中也记载有专司取火或照明的官职;在战国时期则出现了成型的油灯;随后又发明了蜡烛。1878年美国发明家托马斯·爱迪生发明了现代的电灯（白炽灯），并迅速在世界范围内得以广泛使用，20世纪初电灯传入我国。20世纪30年代管状日光灯问世，很快被广泛采用，成为又一种重要的照明光源。20世纪80年代年荷兰飞利浦公司发明了紧凑型荧光灯（即节能灯），现在也逐渐得到了广泛使用。
（莫永超）
 

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