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    光學中三個疑點問題的教學處理

    作者:第一論文網 更新時間:2015年10月26日 21:11:14

     摘 要:如何引導學生進行合作學習、科學探究,怎樣有效培養學生良好的思維品質、嚴密的邏輯推理和較強的定性分析能力,如何運用知識解決遇到的問題等是物理教學中應該高度重視的問題。本文以光學中學生的三個疑點問題的教學處理為案例,就操作層面上記錄成文。 
      關鍵詞:問題提出;實驗觀察;遞進引導;自主學習;合作研究 
      中圖分類號:G633.7 文獻標識碼:A 文章編號:1003-6148(2016)8-0066-3 
      1 疑點一:在水面上方看到的水中物體像的位置究竟在哪里?它與眼睛的位置有關嗎? 
      在高中光學新課教學中,提出上述問題時總是聽到不少“在物體正上方”的回答。于是,筆者拿出了從水產市場借來的無蓋容器(底和壁都不透明),盛滿水后再放進一枚石子,讓學生仔細觀察現象并把離容器近些觀察到的像的位置和離得遠些觀察到的位置作比較,看有沒有變化,怎樣變化? 
      學生通過觀察,初步獲得了如下結論:對于水下的同一物體,不同的觀察者看到的情況具有相同的成像規律——像變淺(像向水面靠近)、變近(向觀察者靠近);但變淺、變近的程度隨眼睛位置變化,眼睛的位置越偏,像的位置就越淺、越近、越模糊。 
      用實驗獲得了初步結論后,筆者并不急于給學生作理論分析,而是把學生分成幾個研究小組,讓各組在課后進行研究、討論,作出定性的理論分析,以待日后在課堂上與全體同學一起研究。 
      經過學生在課后的研究,有的研究小組寫出了定性分析的實驗報告,整理抄錄如下:如圖1所示,水下的物體S(以點表示)入射到水面上靠得極近(才能進入人眼瞳孔)的兩條光線的入射點為A1、A2,入射角分別為θ1、θ2;對應其折射光線和折射角分別為A1B1、A2B2和β1、β2。由折射規律知 β1>θ1、 β2>θ2、 β2>β1,所以,兩折射光線A1B1、A2B2的反向延長線的交點,即人眼所見像S'的位置必然向上和向前移動;當人眼越偏,能進入眼睛的光線的入射點A1、A2就離O點越遠,折射角β1、β2就越大,兩折射光線A1B1、A2B2的反向延長線的交點,即人眼所見像S'的位置就向上和向前移動越多,同時反射光線越強,能進入人眼的折射光線越弱,所以像越模糊。 
      對觀察到的實驗結論找到了充足的理論依據之后,學生們的研究熱情高漲。又有人提出:“像能在物體的正上方嗎?應在什么位置觀察?”的問題。 
      在前述研究的基礎上,很快便有研究小組找到了理論上的結論:在物體的正上方觀察時,像就在物體的正上方。理由如下:當眼睛在物點正上方觀察時,進入眼睛的任何一條光線都必有一條關于y軸的對稱光線,這些對稱光線的折射光線也關于y軸對稱,而所有折射光線的反向延長線相交的點(像點)就在y軸上,但比像的位置高。這個理論分析得到了所有學生認可的時候,我們又用前述實驗進行檢驗。 
      至此,通過學生們共同參與研究,在研究中相互學習,相互從思考中提示、補充和完善,對水中物體像的位置作了較深入的定性研究,并獲得了較完善的定性結論,取得了好的效果。 
      2 疑點二:光速之快,人類初期是怎樣測出來的呢? 
      面對學生提出的問題,筆者推薦了經全國中小學教材委員會2002年審查通過,人民教育出版社出版的全日制普通高中教科書(必修加選修)《物理》第3冊閱讀教材“光速的測定”內容中美國物理學家“邁克耳遜的旋轉棱鏡法測光速”的實驗。 
      學生閱讀后又問:邁克耳遜是怎樣在八面鏡的高速旋轉中選擇出符合要求的轉速的? 
      針對學生的問題,筆者讓學生再仔細閱讀下述推薦材料并思考、討論后面兩個梯級遞進的問題。 
      材料內容: 
      如圖2,邁克耳遜選擇了兩座山峰,測出兩山峰間的距離,在第一個山峰上安裝一個強光源S和一個正八面棱鏡A。光源S發出的光,經過狹縫射到八面鏡A的面1上,反射后射到放置在另一個山峰上的凹面鏡B上,又反射到平面鏡M上,經過M反射后,再由B反射回第一個山峰。如果八面鏡靜止不動,反射回來的光就射到八面鏡的另一個面3上,經面3反射后,通過望遠鏡C進入觀察者的眼中,看到光源S的像。 
      如果使八面鏡轉動。那么,光反射回來時八面鏡的面3已經偏離了原來的取向。經面3反射后的光不再進入望遠鏡中,觀察者就看不到光源S的像了。適當調節八面鏡的轉速。使反射回來的光到達八面鏡時,八面鏡恰好轉過1/8轉,面2正好轉到面3原來的位置,經面2反射后的光進入望遠鏡中,就可以重新看到S的像。根據八面鏡轉過1/8轉所用的時間和兩山峰間的距離,就可以算出光在空氣中的速度。 
      兩個遞進引導的問題: 
      (1)在八面鏡尚未轉動時用望遠鏡觀察到光源的像之后,當八面鏡在轉動過程中,仍要由轉到原來面3位置的反射面反射光線進入望遠鏡而重新看到S的像的話,望遠鏡還能移動位置嗎? 
      (2)邁克耳遜是如何在八面鏡的高速旋轉中選擇出了符合“光在兩山儀器間往返的時間內恰轉1/8轉”的轉速要求的? 
      同學們經過再次閱讀并思考,很快明確了:當八面鏡在轉動過程中,仍要由轉到原來面3位置的反射面反射光線進入望遠鏡而重新看到S的像的話,則望遠鏡必須固定不動。 
      接下來,同學們各抒己見,充分研究和討論后又明白了:當望遠鏡固定不動,旋轉八面鏡仍能從望遠鏡中再次觀察到光源的像,八面鏡的旋轉速度必須是在光傳播時間內轉過1/8轉、1/4轉、3/8轉、1/2轉、5/8轉……要能“重新見到光源S的像”時,八面鏡的最低轉速應該是1/8轉。 
      至此,筆者引導學生得出了:邁克耳遜正是把能“重新見到光源S的像”時,八面鏡的最低轉速確定為“符合要求的轉速的”。 
      實際上,光速之大,在有限的地面實際距離傳播時間很短,要求八面鏡具有極高轉速的技術難度很大,邁克耳遜在測定光速的一次實驗中,測得兩山峰間的距離為35373.21米,從望遠鏡中看到光源的像時,八面鏡的最低轉速達到了528轉/秒。如果還要提高八面鏡的轉速,技術要求會更高,而最容易做到的,是重新見到光源S的像時,八面鏡恰好轉過1/8轉,對應八面鏡的轉速最低。因此,也可以說邁克耳遜是把最容易“重新見到光源S的像”時,八面鏡的轉速確定為“符合要求的轉速的”。 
      3 疑點三:利用光的干涉檢查平整度時,如何從條紋彎曲方向判定被檢平面在此處是凹下還是凸起? 
      在經全國中小學教材委員會2005年初審通過,人民教育出版社出版的普通高中課程教材實驗教科書《物理》選修3-4第十三章第七節的“科學漫步”欄目中“利用光的干涉檢查平整度”閱讀材料部分中,有關于條紋彎曲方向與被檢表面凹凸情況的判定問題。 
      針對學生不清楚的現象,筆者仍然采取了以下分層遞進的教學方法與學生討論,學生反應良好。 
      如圖3所示,若被檢表面為平面,空氣層厚度相同的各點就位于一條直線上,產生的干涉條紋(以亮紋為例)是平行的直線(設在圖中aa1、bb1、cc1上方);而出現亮紋的地方空氣層厚度d與照射的單色光波長λ之間的關系為:2d=kλ,式中k=0、1、2……即出現相鄰亮紋處的空氣厚度差Δd都為λ/2,由數學易知這些位置間必然等間距(即,ab=bc)。所以,若被檢表面為平面,干涉條紋為等距離平行直條紋。 
      若在圖3被檢表面原來產生亮條紋的b位置出現凹陷,則原來在該處的亮紋移動到與原來空氣層等厚度的地方。如圖4所示,由平行線間各處距離相等,過原b點作標準樣板OA的平行線與凹陷面相交于b1',再過b1'作bb1的平行線與OA交于b2',則原來在bb1上方的亮紋移動到b1'b2'的上方。即,有凹陷時條紋向劈尖方向彎。 
      同理,若在圖3被檢表面原產生條紋的b位置出現凸起,如圖5所示,由平行線間各處距離相等,過原b點作標準樣板OA的平行線與凸起面相交于b1',再過b1'作bb1的平行線與OA交于b2',則原來在bb1上方的亮紋移動到b1'b2'的上方。即,有凸起時條紋向遠離劈尖方向彎。 
      參考文獻: 
      [1]人民教育出版社物理室.全日制高級中學教科書(必修加選修)第三冊 物理[M].北京:人民教育出版社,2002. 
      [2]人民教育出版社物理室.高級中學實驗課本(修訂本)第一冊 物理[M].北京:人民教育出版社,1995. 
      [3]人民教育出版社物理課程教材研究開發中心.普通高中課程標準實驗教科書(選修3-4) 物理[M].北京:人民教育出版社,2010.

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