对物理教学中某些实验的质疑（上），本文主要内容关键词为：物理论文,教学中论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
在基础教育教学中，有一些实验设计在原理上存在瑕疵，结果在认知上出现了一些假象。这些实验设计有的出现在教科书中，有的出自第一线教师之手，却在教学中广泛流传。笔者择其显要，加以分析写成此文，供广大教师和专家学者参考。不当之处恳望批评指正。
一、关于“光的反射定律实验”的问题
在基础教育物理课程中讲到光的知识时，总要做实验验证反射定律，对此人教2006年版2010年印刷的现行教科书（八年级上）中有如下表述：
“把一个平面镜放在水平桌面上，再把一张纸板ENF竖直地立在平面镜上，纸板上的直线ON垂直于镜面，如图1所示。
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的径迹。
改变光束的入射方向，重做一次。换另一种颜色的笔，记录光的径迹。
取下纸板，用量角器测量NO两侧的角i和角r。”
这个表述与过去的教科书有很大不同，一是指明了用“光束”做实验，这是很切实际的；二是指出了“在纸板上用笔描出入射光EO和反射光OF的径迹”，这是前所未有的重大的改进，与教科书前面对光线的描述自洽。在前一节中对光线是这样描述的：“为了表示光的传播情况，我们通常用带有箭头的直线表示光的径迹和方向。这样的直线叫光线。”
这就是说在图1纸板上的“入射光线”EO和“反射光线”OF是用笔画出来的“线”，而不是“光”，这既显示出实际的操作程序，又科学准确合乎逻辑，是以前的教科书中所没有的。值得一提的是这与牛顿当初在《光学》一书中的描述是一致的。在牛顿《光学》第一编，第一部分，定义4中描述入射角时说：“入射角是入射光线描出的直线与过入射点的反射或折射表面的垂线之间的夹角。”定义5中对反射角和折射角的描述有同样的说法：“反射角或折射角是反射或折射光线描出的直线与过入射点的反射或折射表面的垂线之间的夹角。”同时也与专业“几何光学教程”中所说的“光线是几何线而不是光”的说法相吻合。
如此做验证反射定律的实验虽不算严密但尚可接受。然而接下来的后续实验却有些令人怀疑。
接下来教科书是这样说的：“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2），还能看到反射光线吗？”意思是“不能看到反射光线了”！这个实验是以学生“探究”的形式写的，所以有这样的口气。后边还有一句话：“关于光的反射，你发现了什么规律？”
再接下来教科书给出了“法线”、“入射角”、“反射角”之后，在上述实验的基础上得出结论：“在反射现象中，反射光线、入射光线和法线在同一个平面内；反射光线、入射光线分居法线两侧；反射角等于入射角。”
看来，“反射光线、入射光线和法线在同一个平面内”这一结论就靠图2的实验得出来的了！其实这是有问题的！
我们要问：如果学生依图2的要求做实验，而得出的结果却是“把纸板NOF向前折或向后折，只要折的角度不大，还是能够看到反射光线的”。又如何呢？这完全是可能的！
第一，“纸板ENF”是否平面没有得到证明，甚至在教科书的叙述中也没有说明。
第二，就算纸板是平的，射在纸板上的光的径迹也绝不是一条光线能够形成的。真正做实验时使用的光束必须有足够大小的截面，通常是用有足够宽度的带状平行光束，如图3所示。
我们看见在纸板上显示的光的径迹，是光射到纸板上发生了漫反射，有漫反射的光进入我们眼睛引起视觉的结果。如果光没有进入我们的眼睛，就是从我们的眼前经过我们也是看不见的。如图3所示，纸板平面像E′F′D′C′那样与入射的光束平行，我们是看不到入射光和反射光的径迹的，因为根本就没有光射到纸板上。只有入射光束与纸板平面有一定交角时，如图中EFDC那样，且纸板表面较粗糙，入射光和反射光才能射到纸板平面上，才能发生漫反射，才能有光射到我们的眼睛中来（因此，在图2中用笔描出的入射光EO和反射光OF的径迹并非真正沿光的传播方向，而是有一定的交角，不是真正符合定义的光线，所以笔者在前文曾说“不算严密”）。
在这种情况下如教科书所说“把纸板NOF向前折或向后折”，并提问“还能看到反射光线吗？”其答案可就不是确定的了！把纸板NOF向前折或向后折的角度大，就看不见反射光的径迹了；如果角度小，从图中可以看出，在一定范围内（在光束之内，不越过E′F′D′C′的界线），其结果是可以看见反射光的径迹的，而且实验所用光束越宽这个范围越大。
往年的教科书中没有这个实验，笔者的印象是近些年有第一线的教师首先提出来的，最近才被人教社引入教科书。创新一个实验需要付出许多心血，但很可惜这个实验设计有考虑不周之处。
在牛顿的《光学》一书中，没有光的反射定律实验，而有的是公理。在周岳明、舒幼生、邢峰、熊汉富译，牛顿所著《光学——关于光的反射、折射、拐射和颜色的论文》一书（1988年北京科学普及出版社出版）第一编第一部分有：公理1：反射角、折射角与入射角处于同一平面内；公理2：反射角等于入射角。并没有实验。如此看来，也许这是一个经验定律，而不是一个实验定律。
二、“双三棱镜色散与复合实验”辨析
“双三棱镜色散与复合实验”长久以来被各种版本的中外教科书所采用，已被编入《中华人民共和国教育行业标准JY/T0406—2010》（以下简称“标准”），写进了仪器目录，代号J20218，并有多家教学仪器厂生产（图4，图5）。
“标准”要求：
（1）用两个完全相同的，顶角为60°的玻璃三棱镜，用白炽灯作光源。让光束通过一块三棱镜后投设到光屏上，视觉正常的人至少能分辨出光谱带中的红、黄、蓝、绿、紫五种颜色，则光谱带清晰。（色散）
（2）然后把另一个三棱镜置于第一块三棱镜后的出射光路中，目测光屏上的七色光谱带能否还原成白光。（复合）
事实上，当按（1）进行实验时，只要光屏放置得足够远，确实可以在光屏上呈现清晰的光谱带。按（2）进行实验，特别是按“实验提示”的要求：“像图5那样，将第二个三棱镜倒置，并紧紧地贴靠在第一个三棱镜后边”，原来呈现在光屏上的彩色光谱带随即消失，而呈现为一个白色的窄窄的光斑。
表面上看好像真的实现了色光的复合，其实完全是假象。
如果真的要实现色光的复合，那么就必须控制投在第二个三棱镜上的是白光色散后充分展开的色光，也就是说第二个三棱镜应放在原来光屏的位置，而不应当贴靠在第一个三棱镜后边。
紧靠第一个三棱镜后边，此处白光还没有色散展开，还是白光（仅两侧有难以觉察的彩色细边）。这样实验不是色光复合为白光，而是原本就是白光。
事实上，上述实验即使第二个三棱镜放在原来光屏的位置，也不能使色光复合。因为，在此条件下相同的三棱镜有相同的折射率，有相同的偏向角，出射光将是一条各色俱全的彩色平行光带。这一点只要具有初中知识水平，按光的折射规律作图就可以发现，读者可以自己试着画画，在此就不再多说了。
具有讽刺意味的是，生产这种糊涂产品的厂家，居然在使用说明书上还有几句明白话：“光……通过两块棱镜的折射，像……通过一块很厚的平行玻璃板一样，发生了平移。”那么请问，光通过平行玻璃板时是否在玻璃板内部都曾经发生过色散又复合了呢？①
三、“焦耳定律实验”岂能这样做！
近来发现不止一种版本的教科书，在讲到焦耳定律时介绍了一个如图6所示的实验。实际操作是这样：从电炉丝上截取两段长短不同的电阻丝，短者电阻值小，长者电阻值大。像图1那样将两段电阻丝串联在电路中，使两者通过的电流大小相等。
闭合开关后，用两根火柴分别与两段电阻丝接触，观察哪根火柴先点燃。
教科书编者的意思是：“哪段电阻丝上的火柴先点燃，就意味着那段电阻丝在通过电流大小相等的条件下，在相等时间内，比另一段电阻丝产生的热量多。”
显然，火柴点燃的先后在于温度的高低。这里是用电阻丝的温度高低来说明电阻丝产生的热量的多少，也就是由比较热量转换为比较温度。而恰恰这个实验设计未能控制“温度”与“热量”之间的这种关系。
图6的实验没有“介质”，如果要说有，那就是电阻丝本身。即电阻丝既是产生热量的“热源”又是吸收热量的“介质”。电阻丝做“介质”，这就需要控制两段电阻丝是一样的材料（比热容c一定），相等的质量（质量m一定），就像上述传统实验的两瓶水一样。如果像图6的实验设计者所说，从电炉丝上截取两段电阻丝，就必须一样长短才行，不然如何能比较呢？可是这与阻值不等的要求又是矛盾的！
如图6实验，按理说同样的电阻丝单位长度的质量相等，通过电流大小相等时，单位长度产生的热量相等，那么不管截取的电阻丝长短如何，升高的温度应该相同（正如在通电工作时，电炉丝各部分温度是一样的，并不会因为你划分的电炉丝长就温度高，短就温度低）。如果图6实验升高的温度不同，也并不是因为产生的热量多少不同，而是因为散热条件不同。这大概有违设计者的原意了吧！
①如若使色光真正复合，请参见网上百度文库中的PPT《光的色散与复合》，或发表在《物理通报》2005年第10期的“三棱镜色散与复合实验”系列文章之三《浏览三棱镜光的色散复合实验》。