從“柱形凸透鏡成像”實驗感受體驗教學(xué)的魅力

王連

摘要：《初中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》有這樣一段話："可以用盛水的玻璃杯和球形燒瓶代替凸透鏡來研究成像規(guī)律"。結(jié)合這一要求，各版本教材在編寫本部分內(nèi)容時均設(shè)計了觀察體驗活動。日常生活中接觸到的體溫表中的水銀柱變粗，圓柱形魚缸中的金魚變大，均與此有相似之處。

關(guān)鍵詞：觀察；體驗；柱形；凸透鏡；成像；教學(xué)；魅力

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B 文章編號：1672-1578（2017）05-0167-01

體驗教學(xué)是指在教學(xué)過程中要從學(xué)生的經(jīng)驗和體驗出發(fā)，密切聯(lián)系知識與生活實際，引導(dǎo)學(xué)生不斷深入地觀察和體驗身邊的物理現(xiàn)象，并最終用所學(xué)知識解釋物理現(xiàn)象，或從現(xiàn)象中總結(jié)出物理規(guī)律。在凸透鏡成像規(guī)律教學(xué)過程中，我們可以要求學(xué)生：用盛水的玻璃杯和球形燒瓶代替凸透鏡來研究成像規(guī)律。學(xué)生課下做完這個實驗后，直奔我的辦公室，滿臉不解地向我求助：將一節(jié)干電池，分別橫放、豎放在盛滿水的柱形玻璃杯前，為什么放在玻璃杯后的干電池左右放大，上下不放大呢？

盛水的玻璃杯相當(dāng)于凸透鏡，而凸透鏡成像分為兩大類：正立放大的虛像或倒立的實像。對以上現(xiàn)象應(yīng)怎樣解釋？我與教研組的幾位物理老師討論交流，能說出子丑寅卯的很少。很顯然，教材明確提出的活動，老師們竟然沒有仔細(xì)研究過?？磥恚@是一個值得關(guān)注與深入研究的問題：盛滿水的圓柱形透明玻璃杯不能簡單地看作凸透鏡！

從外形看凸透鏡的中央厚四周薄，由于光的折射，凸透鏡對光線有會聚作用，故又稱會聚透鏡。將平行光線（如陽光）平行于透鏡的主光軸射入凸透鏡，光在透鏡的兩面經(jīng)過兩次折射后，集中會聚在主光軸上的一點，此點叫做凸透鏡的焦點F，焦點到透鏡中心（光心O）的距離叫凸透鏡的焦距，通常以字母f表示。當(dāng)物體與凸透鏡的距離小于一倍焦距時，成正立放大的虛像，所以凸透鏡可作為放大鏡使用。

而盛滿水的圓柱形透明玻璃杯是一種圓柱體透鏡，當(dāng)它豎直放置時，它的水平橫截面為一個圓。因為圓具有中間厚，兩邊薄的特點，因此對平行光線有會聚作用，但與薄凸透鏡不同的是，兩側(cè)的平行光線經(jīng)圓透鏡折射后的會聚點更靠近圓透鏡。因此它不能將平行光線會聚為一點，而是會聚在一條線段上，圓柱體透鏡的豎直截面為一個矩形，中間與上下的厚度相同，所以在豎直方向上，它對平行光線沒有會聚作用，如右圖所示。因此，當(dāng)用平行光線照射豎直放置的圓柱體透鏡時，光線將被會聚到一個豎直方向的矩形里。由此可見，豎直放置的圓柱體透鏡在水平方向上對光線的作用與凸透鏡相似，而在豎直方向上對光線的作用與平行玻璃磚相似，因此當(dāng)物體靠近圓柱體透鏡時，只有在水平方向上有放大作用，而在豎直方向上沒有放大作用。

我們還可以用一個簡單而又明顯的實驗來說明這問題，取兩支筆，一支水平放置，一支豎直放置，呈一個倒T字形，再將盛滿水的圓柱形透明玻璃杯緊放在筆前?？梢钥吹剿椒胖玫你U筆經(jīng)水杯折射后并沒有放大，而豎直放置的鉛筆經(jīng)水杯折射后明顯放大。

2012年人教版物理教材"第五章 透鏡及其應(yīng)用"中的"第三節(jié)凸透鏡成像的規(guī)律"中的課后練習(xí)第2題："找一個圓柱形的玻璃瓶，里面裝滿水，把一支鉛筆放在玻璃瓶的一側(cè)，透過玻璃瓶，可以看到那支筆。如果把筆由靠近玻璃瓶的位置向遠(yuǎn)處慢慢地移動，你會看到什么現(xiàn)象？實際做一做，驗證你的猜想。與前面用凸透鏡所做的實驗相比，這兩個實驗有什么共同之處？有什么不同？"配套的教師教學(xué)用書所提供的答案為：玻璃瓶相當(dāng)于一個柱面透鏡。當(dāng)鉛筆由靠近水瓶的位置向遠(yuǎn)處慢慢移動時，透過水瓶會看到鉛筆尖逐漸變長，到某一位置時，鉛筆尖突然改變方向。用凸透鏡做實驗，當(dāng)鉛筆由靠近凸透鏡的位置向遠(yuǎn)處慢慢移動時，透過凸透鏡會看到鉛筆逐漸變大，而形狀保持不變，到某一位置時，鉛筆尖也會突然改變方向（所用的凸透鏡焦距要比較短）。

在學(xué)習(xí)了凸透鏡的成像規(guī)律后，可以讓學(xué)生探究以下三個問題，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和求知欲望：

（1）豎直放置的圓柱體透鏡在做放大鏡使用時，是不是在各個方向都有放大作用？

（2）如何證明豎直放置的圓柱體透鏡在豎直方向上沒有放大作用？

（3）當(dāng)物體遠(yuǎn)離豎直放置的圓柱體透鏡時能觀察到倒立的像嗎？

在讓學(xué)生通過親身體驗和獨立思考的過程中發(fā)現(xiàn)柱形凸透鏡的成像規(guī)律，培養(yǎng)學(xué)生的實驗探究能力、觀察能力及設(shè)計能力，養(yǎng)成反思的習(xí)慣和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，感受發(fā)現(xiàn)知識的樂趣和物理學(xué)的美。我們也能在不斷挖掘教材內(nèi)涵的過程中，發(fā)揮出教材潛能，閃現(xiàn)出教學(xué)亮點，彰顯出教學(xué)魅力。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李光宇."柱形凸透鏡"之研究.《中學(xué)物理教學(xué)參考》（2011年1-2期）；

[2] 中華人民共和國教育部.《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)》（2011年版）.；

[3] 邱明政.善于挖掘教材 彰顯課堂魅力.《吉林教育》（2011年35期）。