論幾何光學實驗在初中物理

教學中的應用

李敏名師工作室? ?彭虎

摘要：幾何光學實驗是人們從幾何光學的基本原理出發(fā)，根據(jù)研究的目的,利用科學儀器、設備,人為地控制或模擬光學現(xiàn)象,排除干擾,突出主要因素,在最有利的條件下去研究光學規(guī)律的一種認知活動。它是學生在教師指導下獨立獲得光學知識與實驗技能的活動，是手和腦、知識和能力得到綜合訓練的重要環(huán)節(jié)，另外在培養(yǎng)學生觀察能力，激發(fā)學生學習興趣等方面，實驗教學也有著不可替代的作用。幾何光學實驗是初中物理教學中的重點之一，涉及生活和自然現(xiàn)象的內(nèi)容很多，往往要求學生在觀察實驗現(xiàn)象的基礎上，經(jīng)過思考得出結論。學生主要是通過觀察法和實驗法學習這部分知識。

現(xiàn)在許多物理教師在物理教學中都意識到實驗的重要性，但是由于農(nóng)村教育尤其是山區(qū)教育的條件限制，幾何光學實驗并未被一些教師采用。因此，本文從幾個方面論述了幾何光學實驗及其具體應用，以達到呼吁物理教師在幾何光學部分重視實驗教學的目的。

關鍵詞：實驗教學 幾何光學? 初中物理?

幾何光學實驗

一、幾何光學實驗的研究范疇和意義

(一)光是一種電磁波

在電磁波譜中，可見光的頻率極高，或者說它的波長非常短。假如我們在研究某些對象時，它的幾何尺寸遠大于光波的波長，那么可以把波長的大小忽略不計，也就是當波長趨近于零時，從光的波動方程可以得到光波傳播問題的一級近似，即認為光在均勻介質(zhì)中是直線傳播的。通常以光的直線傳播為基礎去觀察一些光學現(xiàn)象，探索和研究光在各種均勻介質(zhì)中和界面分界面上傳播的基本規(guī)律，測定光學材料的特性和光學元件的基本參數(shù)，這些都是幾何光學實驗研究的范疇。

(二)幾何光學實驗為理論提供依據(jù)

幾何光學實驗可以為幾何光學的理論研究提供可靠的依據(jù)，幫助我們了解光學材料和光學元件的基本特性，同時為探索其它領域的學科提供實驗手段和技能。大量的實驗證明，在幾何光學研究的范疇內(nèi)，用理論得出的結果與實驗的結果相一致(例如有一定幾何尺寸的透鏡，球面鏡成像的規(guī)律等)。通過實驗我們可以定量地測定光學材料的折射率，透鏡的焦距，光束經(jīng)過透鏡后會聚或發(fā)散……這些實驗的結果為生產(chǎn)、教學、科研提供了必要的數(shù)據(jù)和方便，同時實驗的手段和技能也可應用在各個方面。由于幾何光學實驗在各個方面有著廣泛的應用，因此它的重要性顯而易見。

二、幾何光學實驗中的基本現(xiàn)象及其原理

我們從人們熟知的幾何光學四個基本定律出發(fā)(即光的直線傳播定律，光的獨立傳播定律，光的反射定律和光的折射定律)來討論光學實驗中出現(xiàn)的一些基本現(xiàn)象。

(一) 光學系統(tǒng)的成像問題

研究成像規(guī)律，測定成像位置和大小是幾何光學實驗的重要內(nèi)容。光學系統(tǒng)的成像可以分為以下幾個方面：

1、 平面鏡成像

平面鏡是最簡單的光學系統(tǒng)。在平面鏡成像中，點光源為發(fā)散光束，發(fā)散光束反射后仍然是一組發(fā)散光束，它們不可能有相交點，但是將反射光線延長，則有相交點，該點與點光源正好以鏡面為對稱面，相互對稱，我們通常稱相交點為虛像。

2、平面折射成像

一種介質(zhì)中的點光源發(fā)出的發(fā)散光束折射到另一介質(zhì)中去，光束的每一條光線都遵循光的折射定律，折射光線到另一介質(zhì)是發(fā)散的，在前進方向沒有相交點，我們?nèi)我膺x擇其中的兩條光線，在折射光線的反向延長線上有交點，為虛像。

3、球面鏡成像

凹面鏡和凸面鏡都是球面鏡，凹面鏡有會聚作用，在實驗中使用它就會使從點光源發(fā)出的發(fā)散光束，經(jīng)凹面鏡反射后會聚成一點，即可以用屏幕直接找到像點位置，所以稱該像為實像，假如發(fā)散光束經(jīng)凹面鏡反射，仍然是發(fā)散光束，那么像點就會出現(xiàn)在鏡子的背光部分，這就是虛像。

4、 透鏡的成像

幾何光學試驗和各種光學的成像系統(tǒng)部份，多數(shù)是透鏡在空氣中的成像。所謂透鏡，就是由兩個共軸的折射曲面構成的光學系統(tǒng)。透鏡成像有具體的規(guī)律，其規(guī)律是從實驗中得到的。

(二)光在真空和介質(zhì)中的速度

光是一種電磁波，光的傳播速度與電磁波傳播的速度是一致的。光速的測定是物理學的一個十分重要的課題。實驗的結果證明光在不同介質(zhì)中的傳播速度是不一樣的。在真空中的光速最大，在其他介質(zhì)中的光速則小于。這樣對于頻率一定的單色光來講，在真空中的波長就和在介質(zhì)中的波長不一樣。

(三)光學材料的折射率

折射率n是光學材料的基本特性，也是衡量光學材料的重要參數(shù)。在光學實驗中經(jīng)常要測定折射率。我們定義：光在真空中的速度c和光在介質(zhì)中的速度v之比就是這個光學材料的折射率。所以光在任意介質(zhì)中的折射率總是大于或近似等于1。

(四)光學材料的透射特性

光在光學介質(zhì)中傳播時，隨著光的傳播將有一小部分被介質(zhì)吸收，另一小部分被介質(zhì)散射，余下的仍按原來的方向傳播，光強隨著光傳播路程的延伸將逐漸減弱。當光射到二介質(zhì)界面上，將引起反射和折射(也因界面的不平整可能引起散射)。由于界面上的反射，也將使透射的光強減弱。對光學材料或光學元件的這一特性，我們用透射率T來表示，任何光學材料的透射率T都是光波波長的函數(shù)。測量這一關系也是光學實驗的一個重要內(nèi)容。

三、 幾何光學實驗的設計思想和設計實例

(一) 幾何光學實驗的設計應結合實際,使學生廣泛參與，激發(fā)其學習幾何光學的興趣

?“興趣是最好的老師”。新課教學中，教師應盡可能設計聯(lián)系實際的光學實驗,讓學生有親切感,并自覺地參與其中。這樣才能激起他們學習物理的濃厚興趣,促使其留心觀察生活,活學活用,養(yǎng)成勤于思考的好習慣。如在光的傳播中小孔成像的教學中，利用平常用到的易拉罐、塑料薄膜、膠圈。將易拉罐帶拉環(huán)的一端，沿內(nèi)圈用剪刀剪去，將塑料薄膜蓋上，用膠圈固定，另一端底面的中心鉆一個小孔，將易拉罐的小孔對準觀察目標，視線從塑料薄膜看過去，可觀察到目標成縮小倒立的實像。在這個實驗中，實驗器材與生活實際相關，實驗方法簡單，整個實驗讓學生自己參與、觀察，然后得出結論，完成實驗的同時激發(fā)了學生學習幾何光學的興趣。

(二)幾何光學實驗的設計應著重加深學生對光學概念和規(guī)律的理解,化解學習難點

光學中的很多概念和規(guī)律比較抽象,學生不易理解。如果教師在教學過程中設計一些實驗,使學生由形象思維過渡到抽象思維,就會化解難點,收到“四兩撥千斤”的效果。

(三)幾何光學實驗的設計應凸顯物理思想的內(nèi)涵,注重提高學生的科學素養(yǎng)

如果說實驗只是讓學生觀察現(xiàn)象、分析結論,幫助其理解物理概念和規(guī)律,那只是對實驗作用的淺層次理解。對于每一個實驗,尤其是物理思想突出的實驗,不僅要注意其實際操作技巧、現(xiàn)象的觀察和結果的分析,還應當特別注意分析該實驗巧妙的設計思想。只有這樣,才能不斷提高學生的科學素養(yǎng),培養(yǎng)他們的創(chuàng)新思維能力。突出物理思想的代表性實驗有光速測定實驗等。

(四)幾何光學實驗的設計應以促使學生進行探究性學習為目的,培養(yǎng)其創(chuàng)新思維能力

如在“光的直線傳播”一節(jié)的教學中，探究光的傳播(光總是沿直線傳播嗎？)，可以類比提示：如果在流動的水中插一木桿，水能繞過插在水中的木桿而向前流動，光能否像水那樣流動呢？帶著這個疑問，學生去猜想，并且根據(jù)猜想來做一些實驗來驗證。在整個過程中，應充分體現(xiàn)和發(fā)展學生的創(chuàng)新思維能力。

(五)幾何光學實驗的設計應有意識地將驗證性實驗變?yōu)樘骄啃詫嶒?提高學生的創(chuàng)新實踐能力

幾何光學中的實驗大部分是驗證性實驗,學生對這些實驗的結果心知肚明,往往觀察現(xiàn)象會變成看熱鬧,實驗根本起不到啟思、激疑的作用。而探究性實驗對培養(yǎng)學生的思維能力、創(chuàng)新能力、自行分析和解決實際問題的能力都有獨到之處。因此教學中應有意識地將一些驗證性實驗變?yōu)樘骄啃詫嶒灐Ｈ?#xff1a;凸透鏡成像的教學中對凸透鏡成像規(guī)律的探究。

四 幾何光學實驗在教學中的重要性及其體會

(一) 科學是實驗的科學，實驗是科學的實驗

這其中突出了實驗的重要性，教師和學生在教學過程中應該是不可分割的整體。幾何光學實驗是學生對光現(xiàn)象有感性認識的重要途徑，在初中光現(xiàn)象的教學過程中，通過探究性的實驗活動，培養(yǎng)了學生科學實驗能力，提高了學生科學實驗素養(yǎng)，使學生在獲取知識的自學能力、運用知識的綜合分析能力、動手實踐能力、設計創(chuàng)新能力以及嚴肅認真的作風、實事求是的科學態(tài)度等方面得到訓練與提高。?

(二)物理學是建立在觀察與實驗的基礎上

在介紹初中光現(xiàn)象的知識部分，實驗在教學中扮演著重要角色,它是教學體系中不可缺少的教學內(nèi)容。物理實驗能夠培養(yǎng)學生的觀察能力、思維能力、探索能力;實驗是培養(yǎng)學生求真務實、團結協(xié)作等人格品質(zhì)的重要途徑。本人教學的過程中，對于這部分的教學有著如下的體會：

1、鼓勵學生提出問題,培養(yǎng)質(zhì)疑能力

質(zhì)疑是經(jīng)過對事物充分分析后提出問題,它是思維的開始,是發(fā)現(xiàn)的前提。能否質(zhì)疑是檢驗學生學習能力的重要標志。質(zhì)疑能力和其他能力一樣,可以通過學習和訓練不斷提高。我們要在實驗中營造良好的質(zhì)疑氛圍,激發(fā)學生的興趣和勇氣,鼓勵他們敢于提出自己的看法和問題,用疑問的眼光看待各種物理實驗現(xiàn)象。如在光的直線傳播的教學中，學生就提出光透過厚紙板上的三角形的小孔可以看到圓形的光斑，為什么是圓形的光斑呢？通過質(zhì)疑，學生了解了小孔成像，同時也培養(yǎng)了學生的自主性，思維的獨力性。

2、要增加探索性實驗,培養(yǎng)探索能力

初中物理實驗大部分是驗證性實驗,學生在學習物理的科學方法和態(tài)度方面不能得到很好的鍛煉,也不利于培養(yǎng)學生主動探索物理規(guī)律的能力。而探索性實驗是由學生自己設計實驗方案，并獨立運用實驗去探求知識或獲取必要的感性認識,從而自己總結得出結論的過程,它可以讓學生在實際操作中形成良好的觀察能力和思維能力。探索性實驗的目的在于，使學生獲得物理實驗研究的方法,讓學生接觸探索、發(fā)明、發(fā)現(xiàn)的過程和方法,在探索發(fā)現(xiàn)的過程中激發(fā)和滿足不同層次學生的探索與創(chuàng)造欲望,發(fā)展學生理性和批判的思想方法。愛因斯坦說:“對真理的探索比占有更加寶貴”。我們在教學中可以把一些驗證性的實驗變?yōu)樘剿餍缘膶嶒?要盡量再現(xiàn)實驗的設計過程,讓學生多想想:“為什么要這樣做?”,“換種方法行不行?”,以此滲透物理思想,啟迪學生思路。

在“凸透鏡成像”一節(jié)的教學中，如果按教材依葫蘆畫瓢,學生只知其然,不知其所以然,也必然會失去對實驗的興趣。如果把這一實驗改成探索性實驗,更能提高學生的思維能力和實驗操作能力。先讓學生拿著凸透鏡近距離的觀察書上的字，學生會看到字被放大了，提問：通過凸透鏡看到的物體都是放大的嗎？然后讓學生拿著凸透鏡慢慢的遠離書上的字，或者觀察遠處的物體。通過以上觀察得知：物體通過凸透鏡發(fā)生了變化，遠處的物體變小了，而且倒著。近處的物體只是被放大了，正倒沒有發(fā)生變化。引導學生思考：用同一個凸透鏡觀察不同的物體時，為什么有的大，有的小，有時倒，有時正呢？ 這樣將學生引入探索的物理情景中，提出猜想，猜猜看：這些現(xiàn)象與哪些因素有關？讓學生自己制定實驗計劃，用實驗去探究規(guī)律。按此質(zhì)疑、實驗、探索、解疑不斷深化的探索方式進行教學,有利于調(diào)動學生思維的積極性,激發(fā)靈感,產(chǎn)生頓悟;學生自己在“探索”物理規(guī)律的實驗過程中,加深了對知識的理解和運用,也培養(yǎng)了自己的創(chuàng)新能力。

3、教育學生正確對待實驗誤差

學生往往存在這樣的認識誤區(qū),誤差就等于錯誤。例如,學生在做實驗時,很多情況下他們得出的數(shù)據(jù)如出一轍,為了“虛幻”的精確,失去了物理學賴以生存的真實,求同思維如此根深蒂固,以致湮滅了創(chuàng)新和立異的火花。針對這一問題,我們要教育學生,有誤差是正常的,一絲不差反而不正常,實驗中由于偶然和系統(tǒng)的誤差,結果都不會太精確,越能合理表現(xiàn)適度的誤差,反而越能說明實驗的真實性。

要真正減少誤差,必須從產(chǎn)生誤差的原因上去分析,從方法儀器上去改進,而不能依靠胡編亂湊等脫離事實的做法。為適應時代和學生發(fā)展的需要,物理教師要努力提高自身素質(zhì),對物理實驗教學進行全方位深入的研究,在實驗教學中不斷摸索和改進,激發(fā)學生探究物理規(guī)律的熱情,培養(yǎng)學生動手實驗的能力。

總結與體會

幾何光學概念、幾何光學規(guī)律是從實際問題中抽象概括出來的，而幾何光學實驗對于建立幾何光學基本概念和基本理論的理解有著不可替代的作用。初中學生剛剛開始學習物理，學習方法和抽象思維能力還沒有形成，因而，從實驗著手進行教學顯得尤為重要。初中學生有精力，有興趣參加實驗活動，將幾何光學實驗應用于初中光現(xiàn)象的教學中，是提高光學教學質(zhì)量的重要途徑，對提高學生抽象邏輯思維很有幫助，將學生培養(yǎng)成學習成績好，動手能力強的優(yōu)秀人才，這是我們始終不變的追求，相信在將實驗應用與教學的過程中，我們會離這個目標越來越近。

參考文獻

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[5] 江安亭.?物理實驗教學研究[M].成都：四川科技出版社

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總結

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