浅谈几何光学成像规律的教学

2022-03-25 08:44李中土
考试与评价 2022年1期
关键词:光屏凸透镜焦距

李中土

几何光学的知识,直观明了,浅显易懂,学生也容易掌握。在教学上我主要采取介绍有关的物理概念,让学生清楚生活中可见到的光现象的物理名称,如光线等等;然后通过演示实验或分组实验,让学生注意观察实验中的现象,也就是像,根据光的传播路径做出几何光路图,再利用几何知识,分析总结出几何光学的成像规律。在教学方式上,主要采用启发式教学与探究式教学法,调动学生主动思考、主动去探究规律,从而更加牢固地掌握有关几何光学的知识。

一、几何光学入门的知识点

光对于人来说,跟空气一样,一生下来就开始接触了,十分熟悉,然而又非常陌生。人们对光的本质问题争论不休,直到二十世纪初才统一了光的本质是波粒二象性的认识。初中学生刚接触光学,我们要从最简单的光知识入手,首先要解决光从哪里来的问题。光是从光源发出的,然而光源是这样定义的:“能发光的物体就叫光源”。能发光的物体,学生很容易辨别出来,这点不用质疑。而有很多平时不会自己发光的物体,我们也能看到它们,说明它们也能发光,即是光源。学生就不那么容易理解了,那么作为教师就要做好分析释疑的工作,讲解这些物体自己不会发光,但是在白天它们能反射太阳光,反射的太阳光进入我们人的眼睛,我们就能看到它们了。所以广义上来讲,光源应包括能发光和反射光线的物体;其次要了解光的传播,很容易通过一些小实验来验证,光在同一种均匀介质里的传播路径是直线;第三就是要让学生清楚,光的传播速度很快,晚上手电筒照到哪里,哪里就亮起来,进屋一打开电灯的开关,房间就马上亮起来,都说明光的传播速度是很快的,到底有多快呢?可以让学生知道光速的数值,光在空气中的传播速度跟在真空中的速度接近,等于3×108 m/s。这个速度相当于每秒钟可以绕地球赤道七点五圈。

对于刚学习光学知识的学生来说,还有一点必须弄清楚,就是我们人的眼睛对光的认识。人体的眼睛只有光线直接进入它,眼睛才能看得到;没有进入它,眼睛就看不到。这就是所谓的光的直进原理。举一个例子,人不能看到身后来的物体,就是因为身后的物体反射的光线不能直接射入人的眼睛。再如在太空中的宇航员,背对着太阳看太空,是漆黑一片。学生了解了这些知识,对于几何光学成像的学习是有很大的帮助的。因为有时候“光线”也会欺骗我们,并不是都是眼见为实,也有眼见为虚的。再者,光在传播过程中并没有留下轨迹,我们为了研究光的方便,根据光在同一种均匀介质里的传播路径是直的这个结论,“用带有箭号的射线来表示光的传播路径及方向,称作光线。”光路是可逆的,即光可以沿某一方向传播,也可以沿相反的方向传播。

二、几何光学的几种成像现象

初中物理学里的几何光学,就是专门研究光的传播过程中的变化规律。这些变化规律很容易通过实验的方法来验证,并通过数学的几何知识做图表示出来,既直观又生动,学生也很容易接受和掌握。 其中一个是 反射定律:“反射光线、入射光线与法线在同一平面内;反射光线和入射光线分别在法线的两侧;反射角等于入射角。”根据光的反射定律,做出光路图,就很容易得到平面镜成像的规律:“平面镜成的是虚像,像与物体的大小相同,像到平面镜的距离与物体到平面镜的距离相等,像与物体相对平面镜对称。”平面镜是利用光的反射定律来成像的,与之相似成像原理的还有凸面镜、凹面镜、哈哈镜等,在日常生活、生产、娱乐中也很常应用到。

另一个是折射定律:“光从空气折射到水中时,折射光线、入射光线、法线在同一平面内;折射光线和入射光线分别位于法线的两侧;折射角小于入射角,折射角随入射角的改变而改变,入射角增大,折射角也增大;入射角减小,折射角也减小。”通过做光路图,也很容易说明折射成像的现象。例如潜水员在水中看岸边的树木比真实的高大,装满清水的桶底看起来比真实的浅等等。解释上面这些成像的现象都要用光的直进原理。也就是说要画出虚光线(虚像是虚光线会聚的点,即不是真实的光线会聚的点)。

几何光学成像还有一种很重要,那就是透镜成像(薄凸、凹透镜)。透镜的应用范围更广,科技含量也高,在军事、生产、生活、娱乐等等诸多领域里都有应用。它的成像原理也是由于光的折射产生的,其成像规律也复杂一点,所以我就侧重来谈谈凸透镜成像规律的教学。

三、凸透镜成像规律的教学

在上课前,先布置学生预习新课的内容,了解和掌握凸透镜的几个基本概念。并设计实验方案。

上新课时,老师出示手中的凸透镜问学生,它是什么?我们在日常生活中哪些设备上还见过它?引导学生回答出在照相机、投影仪上见过它。并告诉学生:“我国古代的劳动人民在很久以前就知道用冰磨成它的样子,来取火。”它的名字叫什么呢?

它的名字就叫凸透镜。

请同学们观察一下实验桌上的凸透镜(焦距为5cm)。组织学生观察、讨论分析得出凸透镜的形状特征。并板书:凸透镜:中间厚,边缘薄的透镜。

提问:我们知道了光的折射规律,那么光线穿过凸透镜时会发生什么现象呢?

在光具座上演示:平行光源发出的光线经过凸透镜折射后会聚于一点。结合实验现象介绍凸透镜又叫会聚透镜、凸透镜的光心、焦点、焦距和主光轴。

让学生拿着凸透镜近距离地观察书上的字,学生会看到字被放大了,提问:通过凸透镜看到的物体都是放大的吗?

然后让学生拿着凸透镜慢慢地远离书上的字,或者观察远处的物体。学生通过观察得知:物体通过凸透镜發生了变化,远处的物体变小了,而且倒着。近处的物体只是被放大了,正倒没有发生变化。

引导学生思考:用同一个凸透镜观察不同的物体时,为什么有的放大,有的缩小,有时倒立,有时正立呢?使学生进入探索的物理情景当中。

带着对凸透镜的感性认识,开始引导学生探究实验。介绍光具座、物体到透镜中心的距离简称物距(u)、像到透镜中心的距离简称像距(v)。老师演示引导学生调整光具座,调到蜡烛的火焰、凸透镜的光心、光屏在同一高度(跟凸透镜主光轴重合),让学生明确只有当光屏上得到特别清晰的像,这时光屏的位置才是像的位置,光屏到凸透镜中心的距离就是象距。这时让学生分组动手实际操作实验,改变蜡烛的位置(物距),通过移动光屏得到清晰的象,量出物距和象距,熟练实验操作,老师来回巡视指导。

学生对实验操作有了感性认识后,这时让学生汇报预习时设计的实验方案,学生可能有各种各样的计划,让他们自己小组内讨论决定使用哪一种方案。开始让学生根据预习时制定的实验计划做分组实验。要求学生不管用何种方案都要做好记录:像的性质、物距、像距。教师继续指导学生实验。

经过一段时间的实验,学生中大致会出现三种情况:A. 没有找到像;B. 找到了放大的像,却找不到缩小的像;C. 光屏上烛焰的轮廓不清晰,学生也认为是像。对这几种情况,老师稍加提示,移动光屏和蜡烛,就可以找到清晰的像了。

通过学生根据自己设计的实验方案做了分组实验,动手能力和协作能力大大增强了,已经能熟练实验操作。这时老师再统一要求学生根据下表的物距,依次做实验,并记录像的性质和像距。

在做物距等于3cm、5cm的实验时,学生怎么移动光屏也不能在光屏上得到清晰的像。老师提示,移开光屏,从光屏侧通过凸透镜看蜡烛的火焰,学生就会恍然大悟。等学生做完这几个实验,记录好实验记录后,老师开始提出:凸透镜成像有放大的、缩小的像;也有实像、虚像。要成什么性质的像跟什么因素有关呢?让学生分析实验记录的数据自己总结实验规律。

学生开始分组讨论实验数据,发现规律,很快就能总结出,在物距等于5cm和10cm时是分水岭,都纷纷举手发言表明自己发现的规律:物距越大,像距越小,物距越小,像距越大;物距小于5cm时,成放大的正立的虚像;物距大于5cm时,成倒立的实像;物距大于5cm小于10cm时成放大的倒立的实像;物距大于10cm时,成缩小的倒立的实像。

老师充分肯定学生总结出来的规律。然后再引导学生注意,5cm、10cm这两个数据的特殊性,它们是这次实验的凸透镜的一倍焦距和两倍焦距。换成焦距不一样的凸透镜(如焦距是10cm),那么它的分水岭也是凸透镜一倍焦距和两倍焦距,即10cm和20cm。

最后老师综合学生得到的结论总结得出实验结论——凸透镜成像规律,并板书。凸透镜成像规律总结出来以后,告诉学生光线透过凸透镜以后发生了偏折,其中有三条特殊光线:1. 平行于主光轴的光线经过凸透镜后会聚于焦点;2. 通过光心的光线不改变方向;3. 通过焦点的光线经过凸透镜后平行于主光轴。

在凸透镜成像规律的探究过程中,通过给学生创设问题的情景,充分调动学生的积极性,使学生去讨论、去猜想、设计实验方案并动手做实验,让学生成为凸透镜成像规律的“发现者”、课堂的主人翁。在整个教学过程中,教师是学生的合作者、引导者和参与者。教学过程是师生交流、共同发展的互动过程。当学生遇到困难时,教师和学生一起猜想、分析,从中点拨其思维。这节课教学的真正目的是让学生探索规律,获得研究问题的思维方法,然后通过方法的获得以及运用方法探索、创造的过程,使学生形成对科学研究有亲近热爱、和谐相融的情感,具有乐于探索物理现象和日常生活中的物理学原理的科学精神。因此,本节课将把思维程序作为贯穿整个教学过程的主线,教给学生一种研究问题的思维方法,从而培養学生的多种能力,尤其是创造能力,达到教学的真正目的。

总之,几何光学的成像规律,没有高深的理论,都是平时就能碰到的现象,学生也经常在应用,只是不知道有这样的物理规律而已。通过教学,学生突然明白了这么多的物理知识,就能解释日常的光现象,有一种成就感,同时也提高了物理的学习兴趣。学生通过这样的探究学习,对知识的理解和应用的能力大大增强,有助于学生提高学习物理的积极性。

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