運(yùn)用對比思維 構(gòu)建高效物理課堂 *
——以“光現(xiàn)象”復(fù)習(xí)為例

賈 麗

(南京師范大學(xué)附屬中學(xué)仙林學(xué)校初中部，江蘇 南京 210023)

初中光現(xiàn)象的內(nèi)容主要為光的直線傳播、光的反射和光的折射，涉及的知識點(diǎn)很多，比如光現(xiàn)象的描述與判斷、光學(xué)實(shí)驗(yàn)器材的選擇與操作、實(shí)驗(yàn)證據(jù)的分析與總結(jié)等。筆者運(yùn)用對比思維，進(jìn)行同中求異、異中求同，主要以案例的形式從三個方面進(jìn)行初中光學(xué)復(fù)習(xí)。

1 對比光路，明確現(xiàn)象成因

例1:圖1是小明春游時在水邊看到的美景，能正確反映他看到水中“樹木”的光路圖是( )。

圖1

光現(xiàn)象主要涉及光的直線傳播、光的反射和光的折射三種情況，用光路圖準(zhǔn)確表達(dá)出光的傳播路徑是中考物理的考點(diǎn)，三種情況下光路圖中光源、傳播的介質(zhì)、方向具有相似性，解決的方法是對比三種光現(xiàn)象的光路，明確其中主要區(qū)別，利用光路相同點(diǎn)和不同點(diǎn)，可以提升對光現(xiàn)象光路的辨析能力(表1)。

表1

圖1展示了水面上樹木的倒影，平面鏡成像涉及的是光的反射規(guī)律，光的傳播路徑發(fā)生在空氣中,傳播方向發(fā)生改變，光來自樹，到達(dá)水面發(fā)生反射后指向小明的眼睛，故B選項(xiàng)正確。

如果該題把題干改成看到水中的“魚”，可判斷出該現(xiàn)象為光的折射，因?yàn)轸~在水中，涉及兩種不同的介質(zhì)，看到的是魚的虛像，光來自水中的魚，到達(dá)水面后發(fā)生折射后進(jìn)入人眼。對比發(fā)現(xiàn)：相同點(diǎn)為人眼看到的“樹”和“魚”都是虛像，光源是實(shí)際的物體，傳播的方向都是指向觀察者的眼睛；不同點(diǎn)為樹在空氣中而魚在水中，前者的光路在同種介質(zhì)中，后者的光路在不同種介質(zhì)中。

為了檢驗(yàn)學(xué)生是否學(xué)會了這樣的方法，可以通過變式訓(xùn)練進(jìn)行檢驗(yàn)。

變式訓(xùn)練1：如圖2所示，射水魚發(fā)現(xiàn)水面上的小昆蟲后，從口中快速噴出一束水柱，將昆蟲擊落。下列圖中能表示射水魚觀察到小昆蟲的光路為( )。

圖2

射水魚觀察到小昆蟲的光路涉及兩種介質(zhì)：水和空氣，運(yùn)用光的折射規(guī)律，可知D選項(xiàng)正確。

2 分析對比，明確實(shí)驗(yàn)過程

例2:如圖3所示，在“探究光的反射規(guī)律”實(shí)驗(yàn)中，小明將硬紙板豎直立在平面鏡上，硬紙板上的直線ON垂直于鏡面，右側(cè)紙板可繞ON向后轉(zhuǎn)動，如圖3甲所示，入射角等于。若增大入射角，則反射角；若將右側(cè)紙板向后轉(zhuǎn)動，使光線沿左側(cè)紙板入射(圖3乙)，在右側(cè)紙板上(能/不能)觀察到反射光線。

圖3

例3：在“初識光的折射現(xiàn)象”和“探究光的折射特點(diǎn)”實(shí)驗(yàn)中。

(1) 如圖4甲所示,小明將一束激光射至P點(diǎn),形成一個光斑,向水槽內(nèi)慢慢注水,水槽底部光斑的位置將(向左移動/向右移動/不動),這說明光從空氣斜射入水中時,傳播方向(會/不會)發(fā)生偏折。實(shí)驗(yàn)中光在空氣中的傳播路徑并不清晰,為解決此問題,可在水面上方噴一些。

圖4

(2) 如圖4乙所示,小明繼續(xù)探究光從空氣射入水中時的折射特點(diǎn),他使用了可翻折的光屏,這是為了研究折射光線、入射光線和法線是否。如圖4丙所示,他將光沿著AO方向射向水面上的O點(diǎn),光在水中沿著OB方向射出,調(diào)整激光筆，使入射光逐步靠向法線,折射光也逐步偏向法線,說明光從空氣斜射入水中時,入射角減小,折射角隨之(增大/減小/不變)。當(dāng)光沿著NO方向射入時會沿ON′方向射出,此時折射角為。

以上兩例涉及光的反射規(guī)律、光的折射特點(diǎn)的探究，兩個實(shí)驗(yàn)在操作過程中具有相似之處，對比發(fā)現(xiàn)：(1) 實(shí)驗(yàn)中主要探究線與線的位置關(guān)系、角與角的大小關(guān)系。選擇能翻折的紙板，在實(shí)驗(yàn)中便于顯示光的傳播路徑、探究三線是否共面、比較兩角的大小關(guān)系，兩個實(shí)驗(yàn)的共同點(diǎn)為三線共面；(2) 紙板上帶有量角器，便于改變并比較反射角與入射角、折射角與入射角的大小關(guān)系。對比線與線的位置關(guān)系時，都以法線做參考，反射光線與入射光線、折射光線與入射光線均位于法線的兩側(cè)。(3) 探究光的折射中角度關(guān)系時，讓光從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)，折射角是否總是小于入射角？因此該實(shí)驗(yàn)比光的反射多了一步操作，要讓光線從水中斜射入空氣，并改變?nèi)肷浣堑拇笮。瑫^察到折射角總是大于入射角。兩實(shí)驗(yàn)在器材選擇及操作上的相同點(diǎn)和不同點(diǎn)如表2所示。

表2

根據(jù)光的反射規(guī)律中兩角大小相等、三線共面，例2的答案為：30°、增大、不能。例3是探究光的折射特點(diǎn)，折射角隨入射角的增大而增大，光從水中進(jìn)入空氣時，折射角大于入射角，所以折射角最先達(dá)到90°度，反射光線與入射光線分居在法線的兩側(cè)，故例3的答案為：(1) 向左移動、會、煙霧；(2) 在同一平面、減小、0°。

3 對比成像特點(diǎn)，拓展知識應(yīng)用

例4:有一小組利用光具座進(jìn)行成像實(shí)驗(yàn)研究，如圖5甲所示，虛線框內(nèi)可插入的實(shí)驗(yàn)元件有：中央有小孔的紙板、透明薄玻璃板、凸透鏡，實(shí)驗(yàn)中在虛線框內(nèi)放入上述某一元件。

圖5

(1) 在進(jìn)行圖5甲所示的實(shí)驗(yàn)時，若在光屏上出現(xiàn)圖5丙(a)所示的像，則方框內(nèi)插入的元件可能是。

(2) 此后，將蠟燭從30cm移到40cm刻度線處。

① 若光屏位置未變，光屏上的像由(a)變成(b)，則方框內(nèi)的元件是；

② 若無論怎樣移動光屏，光屏上僅有亮度均勻、大小不變的亮斑，則方框內(nèi)的元件是。

(3) 在方框內(nèi)插入透明薄玻璃板時，無論怎樣移動光屏，都不能在光屏上看到像，這是因?yàn)椤?/p>

分析：本題涉及三種光學(xué)元件(小孔、平面鏡、凸透鏡)的成像特點(diǎn)，平面鏡成正立、等大的虛像，小孔和凸透鏡都可以成倒立的實(shí)像，具有相似性，學(xué)生特別容易混淆。

在物距相同時(大于凸透鏡的1倍焦距)，分別將用平面鏡、小孔和凸透鏡所成的等大的像、縮小的像和放大的像放在一起進(jìn)行對比，根據(jù)像距與物距的大小關(guān)系，發(fā)現(xiàn)存在一個共同點(diǎn)，適用于小孔和凸透鏡成實(shí)像的所有情況，也同樣適用于凸透鏡成虛像的情況。不同點(diǎn)是：平面鏡成的是正立的虛像；凸透鏡所成實(shí)像的大小決定于物距和兩倍焦距之間的關(guān)系，成實(shí)像還是虛像決定于物距和一倍焦距之間的關(guān)系；小孔和凸透鏡均能成實(shí)像。

在多組實(shí)驗(yàn)中，使用同一光學(xué)元件，物距不同，像距、像的大小也不同；無論成像的虛實(shí)，像距與物距的比值等于所成像的大小與物體大小的比值(表3)。

表3

解答：(1) 該問中給出的條件是在光屏上看到了像，用光屏接收的是倒立的實(shí)像，對比三種光學(xué)元件，小孔和凸透鏡均可以成倒立的實(shí)像，故插入的元件是中央有小孔的紙板、凸透鏡。

(2) ① 根據(jù)屏上接收到的是等大的像，可以判斷出此時光屏上成的是與蠟燭等大的實(shí)像；當(dāng)像的大小發(fā)生變化時，小孔可以只改變物距或像距。而凸透鏡的物距和像距會同時改變，一個增大，另一個要減小。本問中的光屏位置不改變，只減小了物距，就可以判斷出方框內(nèi)的元件是中央有小孔的紙板。

② 若無論怎樣移動光屏，光屏上僅有均勻的亮斑，此時光屏上呈現(xiàn)的不是像，排除了中央有小孔的紙板、透明薄玻璃板，只能是凸透鏡，而且此時蠟燭恰好位于凸透鏡的焦點(diǎn)處，焦距為10cm。

(3) 在方框內(nèi)插入透明薄玻璃板時，因?yàn)槠淇拷南灎T的一面可視為平面鏡，成正立的虛像，所以光屏上接收不到。

4 結(jié)語

筆者以“光現(xiàn)象”的復(fù)習(xí)課為例，采用對比的方法，從“光路”“操作”“成像”入手，同中求異，異中求同，充分調(diào)動學(xué)生的探究熱情，便于學(xué)生理解相似實(shí)驗(yàn)之間的異同，同時作為初中相似內(nèi)容的一部分，這樣的處理方法能有效拓展學(xué)生的思維，提升學(xué)生綜合運(yùn)用知識的能力。