從“柱形凸透鏡成像”實驗感受體驗教學的魅力

王連

摘要：《初中物理課程標準》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律"。結合這一要求，各版本教材在編寫本部分內容時均設計了觀察體驗活動。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。

關鍵詞：觀察；體驗；柱形；凸透鏡；成像；教學；魅力

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

體驗教學是指在教學過程中要從學生的經驗和體驗出發，密切聯系知識與生活實際，引導學生不斷深入地觀察和體驗身邊的物理現象，并最終用所學知識解釋物理現象，或從現象中總結出物理規律。在凸透鏡成像規律教學過程中，我們可以要求學生：用盛水的玻璃杯和球形燒瓶代替凸透鏡來研究成像規律。學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。對以上現象應怎樣解釋？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研究過?？磥恚@是一個值得關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，兩側的平行光線經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筆經水杯折射后并沒有放大，而豎直放置的鉛筆經水杯折射后明顯放大。

2012年人教版物理教材"第五章 透鏡及其應用"中的"第三節凸透鏡成像的規律"中的課后練習第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，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處慢慢地移動，你會看到什么現象？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？"配套的教師教學用書所提供的答案為：玻璃瓶相當于一個柱面透鏡。當鉛筆由靠近水瓶的位置向遠處慢慢移動時，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，當鉛筆由靠近凸透鏡的位置向遠處慢慢移動時，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）。

在學習了凸透鏡的成像規律后，可以讓學生探究以下三個問題，培養學生的學習興趣和求知欲望：

（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）當物體遠離豎直放置的圓柱體透鏡時能觀察到倒立的像嗎？

在讓學生通過親身體驗和獨立思考的過程中發現柱形凸透鏡的成像規律，培養學生的實驗探究能力、觀察能力及設計能力，養成反思的習慣和嚴謹的科學態度，感受發現知識的樂趣和物理學的美。我們也能在不斷挖掘教材內涵的過程中，發揮出教材潛能，閃現出教學亮點，彰顯出教學魅力。

參考文獻：

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

[2] 中華人民共和國教育部.《義務教育物理課程標準》（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）。