制作简易潜望镜（教案）-高教版第三版《物理（通用类）》【上好课】

高教版第三版《物理（通用类）》 主题六 光现象及其应用 第三节 学生实验：设计制作简易潜望镜 授课班级 授课类型 实验课 授课教师 教学时长 1课时（45分钟） 教材分析 本课是主题六由光学规律学习转向工程实践的学生实验。教材以两种简易潜望镜为任务载体，引导学生先用全反射棱镜和平面镜完成光路论证，再经历设计图绘制、材料清单、分工制作、观察验证、方案比较和反思改进，把全反射与反射规律转化为可观察、可评价的装置。 学情分析 学生已学习光的反射、全反射条件和全反射棱镜改变光路的方法，能够进行基本光路判断，也有纸板裁切和简单结构制作经验；但容易先制作后画图，凭直觉安装元件，忽略通光口对准、元件角度、公平比较和安全操作。教学需用设计互检、单因素调试和证据记录贯通原理、结构与效果。 教学目标 1.能画出全反射棱镜潜望镜和平面镜潜望镜的连续光路，说明两种方案改变光路的原理。 2.能按设计图和材料清单完成分工制作，遵守刀具、热熔胶枪和光学元件的安全操作规范，并按顺序诊断观察故障。 3.能在统一条件下比较两种潜望镜的观察效果，用记录支持评价并提出结构或工艺改进，形成合作意识和精益求精的工匠精神。 教学重难点 重点：两种潜望镜的连续光路设计；按设计图完成安全制作、观察验证和方案比较。 难点：把两次反射的光路转化为元件位置、角度和通光口的结构约束，并用公平测试和单因素调试解释观察效果差异。 教学方法 教材任务导入、光路图论证、设计图互检、材料清单、分工制作、安全规范、通光测试、单因素调试、比较表记录、小组展示和反思改进。 课前准备 教师准备：教材、演示课件。 学生准备：教材、笔记本。 教学环节设计 教学环节 教学内容 设计意图 教学导入 【教材任务】应用光的全反射和反射原理，分别设计、制作两个简易潜望镜，比较观察效果，并在验证、交流中反思改进。 【问题】人站在障碍物后方，怎样利用有限的光学元件看到前方景物？如果分别使用全反射棱镜和平面镜，两种潜望镜的光路和观察效果会有哪些共同点与差异？ 学生回顾全反射棱镜能使光路转过90°、平面镜遵循反射定律，在纸筒轮廓中尝试标出观察口、目标方向和两次光路转折。 【教师归纳】潜望镜必须先完成可验证的光路设计，再按图制作；本课将经历设计论证、安全制作、成像调试、效果比较和反思改进的完整工程过程。 以越过障碍观察的真实任务切入，唤醒反射与全反射知识，引导学生先用光路论证再进入制作。 新知讲授 一、潜望镜的任务与光路设计 【教材目标】应用光的全反射和反射原理，分别设计、制作两个简易潜望镜；运用比较法体会两种潜望镜的观察效果，提升设计实施、结果验证和反思改进能力。 【教材原理与方法提示】分别利用两个全反射棱镜和两个平面镜改变光的传播方向，设计两种简易潜望镜。 【光路论证】上部元件接收来自目标的光并使其转向下方，下部元件再把光转向观察者眼睛。两个元件的位置、角度和通光口必须相互对准，使连续光路不被筒壁遮挡。 【方案一】全反射棱镜方案应让光垂直进入棱镜，并在斜面发生全反射，使每个棱镜将光路转过90°。 【方案二】平面镜方案通常使两块反射面相互平行，并分别与筒轴约成45°，由两次反射把目标光送入眼睛。 【即时练习1】为什么简易潜望镜通常需要上下两个反射元件？ 答案：上部元件把来自目标的光转向下方，下部元件再把光转向观察者眼睛，两次改变方向才能绕过障碍物完成观察。 解析：只用一个反射元件只能完成一次光路转折，难以同时满足高处取光和低处观察。 【即时练习2】用两块平面镜设计直筒潜望镜时，两块镜面的合理安装关系是什么？ 答案：两块反射面相互平行，分别与筒轴约成45°，并使目标光经过两次反射后进入眼睛。 解析：角度和位置必须共同保证入射光、两段反射光以及观察口形成连续通路。 【教师归纳】先画完整光路，再确定元件、开口和筒体位置；光学元件不是“放进去即可”，其位置和角度必须服务于连续光路。 二、材料、安全与制作实施 【教材材料提示】2个全反射棱镜、2个平面镜、小刀、硬纸板（或薄木板等）、热熔胶枪和热熔胶等。 【教材设计步骤】先独立设计，再与小组同学交流潜望镜结构，画出设计图并列出工具、材料清单；随后协商分工，按设计思路分步实施，合作完成制作。 【设计图要求】标明目标方向、观察口、两块光学元件的位置和角度、光的传播方向、筒体尺寸与连接方式；制作前由同伴按完整光路互检。 【教师补充·安全规范】裁切时材料放稳，刀口远离身体和同伴；使用热熔胶枪时不触碰枪口和热胶，调整前先断电并等待冷却；棱镜和平面镜的光学面避免划伤和沾污。 【制作要点】先裁切并试拼筒体，再固定光学元件；固定前做一次通光检查，确认视线无遮挡后再封闭筒体，防止因返工损伤元件。 【即时练习3】制作前，设计图和材料清单至少应标出或列出哪些关键信息？ 答案：设计图应标出通光口、观察口、光学元件的位置和角度、完整光路及主要尺寸；材料清单应列出两种方案所需元件、筒体材料、连接工具和数量。 解析：设计图解决“怎样装”，材料清单解决“用什么、用多少”，两者共同降低制作中的随意性。 【即时练习4】使用小刀和热熔胶枪时，应分别遵守哪些安全要求？ 答案：裁切时材料放稳、刀口远离身体和同伴；使用热熔胶枪时不触碰高温枪口和热胶，调整前断电并等待冷却。 解析：刀具风险来自失控滑动，高温风险来自枪口和熔胶；规范操作要同时控制方向、距离和通断电状态。 【教师归纳】按图施工、先试拼后固定、通光后再封装，是减少返工的关键；安全、分工和材料整理也是实验结果的一部分。 三、结果验证、比较评价与反思改进 【教材验证】用制作好的潜望镜进行观察，判断是否达到设计目的和要求；若未达到，应分析原因并重新设计制作。 【教材比较】比较两种潜望镜的观察效果，分析差异原因；与其他小组交流设计方案，比较观察效果和制作工艺，请表现优异的小组介绍经验。 【教材反思】分析制作细节还可怎样改进，思考能否使用其他光学元器件，或设计通过三次反射而成像的潜望镜。 【公平测试】两种方案应观察同一目标，保持目标距离、环境光和观察位置尽量相同，记录清晰度、亮度、视野范围、结构牢固程度和操作便利性。 【调试顺序】看不到或只能看到部分目标时，先检查目标与通光口是否对准，再检查元件角度、通道遮挡、元件固定、筒体密封和光学面清洁；每次只调整一个主要因素并记录变化。 【即时练习5】潜望镜只能看到部分目标或图像偏暗时，应优先检查哪些部位？ 答案：依次检查目标和通光口对准、两元件角度、光路是否被筒壁遮挡、元件是否松动、筒体是否漏入杂光以及光学面是否清洁。 解析：按光路从入射端到观察端逐项排查，并一次只改一个因素，才能判断故障来源。 【即时练习6】在元件尺寸和装配质量相近时，为什么全反射棱镜潜望镜通常比普通平面镜潜望镜观察得更明亮？ 答案：全反射过程中光能损失很小，而普通平面镜反射率小于100%，两次反射后损失通常更明显。 解析：比较结论必须建立在相同目标、环境光和装配质量等条件上，不能只凭一次主观感受。 【教师归纳】项目完成的标准不是“能看到”就结束，而是用统一条件取得证据，解释差异，定位问题并把改进落实到结构和工艺。 按设计论证—安全制作—验证比较递进，把教材任务转化为可执行步骤，并用即时练习及时纠偏。 课堂背诵 1. 提问：全反射棱镜潜望镜和平面镜潜望镜分别利用什么原理？ 答案：前者利用全反射棱镜中的全反射，后者利用平面镜的反射；两者都通过连续两次改变光的传播方向完成观察。 2. 填空：目标发出的光经上部元件转为向______传播，再经下部元件射向观察者的______。 答案：下；眼睛。 3. 提问：正式制作前应完成哪些设计工作？ 答案：先独立设计，再小组交流，画出标有元件位置、角度和光路的设计图，列出材料清单并明确分工。 4. 提问：制作完成后还要完成哪些验证和收尾工作？ 答案：进行观察测试，分析并调整未达要求之处，记录结果；结束后恢复器材初始位置、摆放整齐并整理卫生。 5. 提问：比较两种潜望镜时要控制哪些条件，并记录哪些观察指标？ 答案：保持目标、距离、环境光和观察位置尽量相同；记录清晰度、亮度、视野范围、结构牢固程度和操作便利性。 围绕原理、光路、设计流程、实验收尾和比较条件组织提问与填空，巩固实验操作框架。 师生互动 【任务一：设计图互检】在直筒轮廓中画出目标光进入上部元件、向下传播、经下部元件射入眼睛的完整光路，并标出两个通光口和元件安装方向。 答案：两元件上下相对布置，光在上部转向下方，在下部转向观察者；各段光路连续且不被筒壁遮挡。 【教师归纳】互检先看光路是否闭合，再看元件位置、角度和开口是否与光路一致。 【任务二：制作故障诊断】某组潜望镜观察范围小且图像偏暗。小组按顺序检查并记录每次单因素调整后的变化。 答案：先校正目标、通光口和观察口的对准关系，再检查元件角度和遮挡，随后加固元件、封闭漏光处并清洁光学面；每次调整后重新观察并记录。 【教师归纳】单因素调试保留了因果证据，能避免同时改动多处后无法判断真正原因。 【任务三：方案比较】两种潜望镜观察同一远处标志物，各组用表格记录亮度、清晰度、视野和稳定性，再给出有证据的方案评价。 答案：在控制目标、距离、环境光和观察位置相同后，据实记录各指标；通常棱镜方案光能损失较小，平面镜方案材料易得、调整方便，最终结论以本组数据为准。 【教师归纳】比较不是简单评出“最好”，而是明确条件、记录证据，并说明不同方案各自的优势、限制和改进方向。 通过设计互检、故障诊断和方案比较，让小组形成设计图、调试记录与评价表三类过程证据。 课堂练习 1. 用两块平面镜制作直筒潜望镜，合理的安装方式是（　　）。 A．两镜面互相垂直并平行于筒轴 B．两镜面任意放置，只要能反光 C．两镜面相互平行并分别与筒轴约成45° D．两镜面重合在观察口处 答案：C。 解析：相互平行且与筒轴约成45°的两块平面镜，可使目标光经过两次反射后进入观察者眼睛。 2. 下列制作操作中，符合安全和规范要求的是（　　）。 A．手持纸板朝身体方向裁切 B．固定元件前先试拼并通光检查 C．带电移动热熔胶枪并触摸枪口 D．观察失败时同时改动所有部件 答案：B。 解析：先试拼和通光可减少返工；刀口应远离身体，热熔胶枪调整前应断电冷却，调试应一次改变一个主要因素。 3. 填空：目标光经潜望镜上部元件后转向______传播，再经下部元件反射或全反射后进入观察者的______。 答案：下；眼睛。 解析：两次连续的光路转折使观察者能够绕过障碍物看到前方目标。 4. 某组制作的潜望镜只能看到目标的一部分。请写出两种可能原因，并提出对应的调整方法。 答案：可能是上下通光口或元件中心没有对准，应调整位置使光路贯通；也可能是镜面或棱镜角度不准，应按设计图逐个校正角度。还可检查筒壁遮挡和元件松动。 解析：先依据完整光路定位故障，再单因素调整，才能把观察变化与具体改动联系起来。 5. 设计一张比较两种潜望镜的记录表，并说明怎样保证比较公平。 答案：记录表可设清晰度、亮度、视野范围、结构牢固程度和操作便利性等栏目；两种方案观察同一目标，保持距离、环境光和观察位置尽量相同，重复观察后再据记录评价。 解析：比较法要求控制主要条件一致，并用可复核的指标代替笼统的主观印象。 6. 能否设计一个通过三次反射观察景物的潜望镜？说明设计时必须满足的要求。 答案：可以。应先确定目标和观察者位置，逐次画出三次反射后的完整光路，再据光路安排三个反射元件和通光口，保证每次反射后都射向下一元件，最终进入眼睛；制作后还需实际验证并调整。 解析：增加反射次数不是简单增加元件，必须使每一段光路连续，并考虑遮挡、光能损失和装配误差。 用结构选择、安全操作、光路补全、故障调整、公平比较和创新设计检查综合迁移能力。 课堂小结 【教师提问】两种潜望镜怎样把目标光送入观察者眼睛？ 【教师归纳】上、下两个元件连续改变光的传播方向；棱镜方案利用全反射，平面镜方案利用反射。 【教师提问】设计与制作阶段最关键的工作是什么？ 【教师归纳】先画完整光路并标明元件位置、角度和通光口，再列清单、分工、试拼、通光和固定，同时遵守刀具与高温安全。 【教师提问】怎样判断潜望镜是否达到设计要求？ 【教师归纳】在统一条件下检查能否看全、是否清晰明亮、视野是否合适、结构是否牢固，并记录调试前后变化。 【教师提问】比较和改进两种方案时应形成怎样的工程思维？ 【教师归纳】用数据和现象支持评价，按光路逐项排查、单因素调整，并把经验落实到新的设计图和制作工艺中。 以光路、制作、验证和改进四组问题回扣实验主线，形成从物理规律到工程制品的闭环。 作业布置 1．复习本节课的知识点； 2．完成课后练习； 3．整理笔记和易错题。 教学反思 ①目标达成：学生能画出两种潜望镜的连续光路，完成设计互检，并依据观察记录比较方案。 ②典型问题：部分学生镜面角度和开口位置只凭直觉确定，制作后出现视野小、图像暗或只能看到部分目标。 ③原因分析：学生容易先制作后论证，没有把光路图转化为元件位置、角度、通光口和筒体尺寸的约束。 ④改进措施：后续复习保留设计图、调试记录和比较表，安排优秀方案复盘，要求每项改动对应一条观察证据。 学科网（北京）股份有限公司 $