論幾何光學(xué)實(shí)驗(yàn)在初中物理

教學(xué)中的應(yīng)用

李敏名師工作室? ?彭虎

摘要：幾何光學(xué)實(shí)驗(yàn)是人們從幾何光學(xué)的基本原理出發(fā)，根據(jù)研究的目的,利用科學(xué)儀器、設(shè)備,人為地控制或模擬光學(xué)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(xué)規(guī)律的一種認(rèn)知活動(dòng)。它是學(xué)生在教師指導(dǎo)下獨(dú)立獲得光學(xué)知識(shí)與實(shí)驗(yàn)技能的活動(dòng)，是手和腦、知識(shí)和能力得到綜合訓(xùn)練的重要環(huán)節(jié)，另外在培養(yǎng)學(xué)生觀察能力，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣等方面，實(shí)驗(yàn)教學(xué)也有著不可替代的作用。幾何光學(xué)實(shí)驗(yàn)是初中物理教學(xué)中的重點(diǎn)之一，涉及生活和自然現(xiàn)象的內(nèi)容很多，往往要求學(xué)生在觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的基礎(chǔ)上，經(jīng)過思考得出結(jié)論。學(xué)生主要是通過觀察法和實(shí)驗(yàn)法學(xué)習(xí)這部分知識(shí)。

現(xiàn)在許多物理教師在物理教學(xué)中都意識(shí)到實(shí)驗(yàn)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(xué)實(shí)驗(yàn)并未被一些教師采用。因此，本文從幾個(gè)方面論述了幾何光學(xué)實(shí)驗(yàn)及其具體應(yīng)用，以達(dá)到呼吁物理教師在幾何光學(xué)部分重視實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的。

關(guān)鍵詞：實(shí)驗(yàn)教學(xué) 幾何光學(xué)? 初中物理?

幾何光學(xué)實(shí)驗(yàn)

一、幾何光學(xué)實(shí)驗(yàn)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?cè)谘芯磕承?duì)象時(shí)，它的幾何尺寸遠(yuǎn)大于光波的波長，那么可以把波長的大小忽略不計(jì)，也就是當(dāng)波長趨近于零時(shí)，從光的波動(dòng)方程可以得到光波傳播問題的一級(jí)近似，即認(rèn)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(chǔ)去觀察一些光學(xué)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(xué)材料的特性和光學(xué)元件的基本參數(shù)，這些都是幾何光學(xué)實(shí)驗(yàn)研究的范疇。

(二)幾何光學(xué)實(shí)驗(yàn)為理論提供依據(jù)

幾何光學(xué)實(shí)驗(yàn)可以為幾何光學(xué)的理論研究提供可靠的依據(jù)，幫助我們了解光學(xué)材料和光學(xué)元件的基本特性，同時(shí)為探索其它領(lǐng)域的學(xué)科提供實(shí)驗(yàn)手段和技能。大量的實(shí)驗(yàn)證明，在幾何光學(xué)研究的范疇內(nèi)，用理論得出的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)的結(jié)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(shí)驗(yàn)我們可以定量地測定光學(xué)材料的折射率，透鏡的焦距，光束經(jīng)過透鏡后會(huì)聚或發(fā)散……這些實(shí)驗(yàn)的結(jié)果為生產(chǎn)、教學(xué)、科研提供了必要的數(shù)據(jù)和方便，同時(shí)實(shí)驗(yàn)的手段和技能也可應(yīng)用在各個(gè)方面。由于幾何光學(xué)實(shí)驗(yàn)在各個(gè)方面有著廣泛的應(yīng)用，因此它的重要性顯而易見。

二、幾何光學(xué)實(shí)驗(yàn)中的基本現(xiàn)象及其原理

我們從人們熟知的幾何光學(xué)四個(gè)基本定律出發(fā)(即光的直線傳播定律，光的獨(dú)立傳播定律，光的反射定律和光的折射定律)來討論光學(xué)實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的一些基本現(xiàn)象。

(一) 光學(xué)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(xué)實(shí)驗(yàn)的重要內(nèi)容。光學(xué)系統(tǒng)的成像可以分為以下幾個(gè)方面：

1、 平面鏡成像

平面鏡是最簡單的光學(xué)系統(tǒng)。在平面鏡成像中，點(diǎn)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(diǎn)，但是將反射光線延長，則有相交點(diǎn)，該點(diǎn)與點(diǎn)光源正好以鏡面為對(duì)稱面，相互對(duì)稱，我們通常稱相交點(diǎn)為虛像。

2、平面折射成像

一種介質(zhì)中的點(diǎn)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(jìn)方向沒有相交點(diǎn)，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(diǎn)，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(huì)聚作用，在實(shí)驗(yàn)中使用它就會(huì)使從點(diǎn)光源發(fā)出的發(fā)散光束，經(jīng)凹面鏡反射后會(huì)聚成一點(diǎn)，即可以用屏幕直接找到像點(diǎn)位置，所以稱該像為實(shí)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(diǎn)就會(huì)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(xué)試驗(yàn)和各種光學(xué)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(gè)共軸的折射曲面構(gòu)成的光學(xué)系統(tǒng)。透鏡成像有具體的規(guī)律，其規(guī)律是從實(shí)驗(yàn)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(xué)的一個(gè)十分重要的課題。實(shí)驗(yàn)的結(jié)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(duì)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(xué)材料的折射率

折射率n是光學(xué)材料的基本特性，也是衡量光學(xué)材料的重要參數(shù)。在光學(xué)實(shí)驗(yàn)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(gè)光學(xué)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(xué)材料的透射特性

光在光學(xué)介質(zhì)中傳播時(shí)，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(qiáng)隨著光傳播路程的延伸將逐漸減弱。當(dāng)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(qiáng)減弱。對(duì)光學(xué)材料或光學(xué)元件的這一特性，我們用透射率T來表示，任何光學(xué)材料的透射率T都是光波波長的函數(shù)。測量這一關(guān)系也是光學(xué)實(shí)驗(yàn)的一個(gè)重要內(nèi)容。

三、 幾何光學(xué)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)實(shí)例

(一) 幾何光學(xué)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)應(yīng)結(jié)合實(shí)際,使學(xué)生廣泛參與，激發(fā)其學(xué)習(xí)幾何光學(xué)的興趣

?“興趣是最好的老師”。新課教學(xué)中，教師應(yīng)盡可能設(shè)計(jì)聯(lián)系實(shí)際的光學(xué)實(shí)驗(yàn),讓學(xué)生有親切感,并自覺地參與其中。這樣才能激起他們學(xué)習(xí)物理的濃厚興趣,促使其留心觀察生活,活學(xué)活用,養(yǎng)成勤于思考的好習(xí)慣。如在光的傳播中小孔成像的教學(xué)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(gè)小孔，將易拉罐的小孔對(duì)準(zhǔn)觀察目標(biāo)，視線從塑料薄膜看過去，可觀察到目標(biāo)成縮小倒立的實(shí)像。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)器材與生活實(shí)際相關(guān)，實(shí)驗(yàn)方法簡單，整個(gè)實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生自己參與、觀察，然后得出結(jié)論，完成實(shí)驗(yàn)的同時(shí)激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)幾何光學(xué)的興趣。

(二)幾何光學(xué)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)應(yīng)著重加深學(xué)生對(duì)光學(xué)概念和規(guī)律的理解,化解學(xué)習(xí)難點(diǎn)

光學(xué)中的很多概念和規(guī)律比較抽象,學(xué)生不易理解。如果教師在教學(xué)過程中設(shè)計(jì)一些實(shí)驗(yàn),使學(xué)生由形象思維過渡到抽象思維,就會(huì)化解難點(diǎn),收到“四兩撥千斤”的效果。

(三)幾何光學(xué)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)應(yīng)凸顯物理思想的內(nèi)涵,注重提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)

如果說實(shí)驗(yàn)只是讓學(xué)生觀察現(xiàn)象、分析結(jié)論,幫助其理解物理概念和規(guī)律,那只是對(duì)實(shí)驗(yàn)作用的淺層次理解。對(duì)于每一個(gè)實(shí)驗(yàn),尤其是物理思想突出的實(shí)驗(yàn),不僅要注意其實(shí)際操作技巧、現(xiàn)象的觀察和結(jié)果的分析,還應(yīng)當(dāng)特別注意分析該實(shí)驗(yàn)巧妙的設(shè)計(jì)思想。只有這樣,才能不斷提高學(xué)生的科學(xué)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(shí)驗(yàn)有光速測定實(shí)驗(yàn)等。

(四)幾何光學(xué)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)應(yīng)以促使學(xué)生進(jìn)行探究性學(xué)習(xí)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(xué)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(dòng)的水中插一木桿，水能繞過插在水中的木桿而向前流動(dòng)，光能否像水那樣流動(dòng)呢？帶著這個(gè)疑問，學(xué)生去猜想，并且根據(jù)猜想來做一些實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證。在整個(gè)過程中，應(yīng)充分體現(xiàn)和發(fā)展學(xué)生的創(chuàng)新思維能力。

(五)幾何光學(xué)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)應(yīng)有意識(shí)地將驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)變?yōu)樘骄啃詫?shí)驗(yàn),提高學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力

幾何光學(xué)中的實(shí)驗(yàn)大部分是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn),學(xué)生對(duì)這些實(shí)驗(yàn)的結(jié)果心知肚明,往往觀察現(xiàn)象會(huì)變成看熱鬧,實(shí)驗(yàn)根本起不到啟思、激疑的作用。而探究性實(shí)驗(yàn)對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的思維能力、創(chuàng)新能力、自行分析和解決實(shí)際問題的能力都有獨(dú)到之處。因此教學(xué)中應(yīng)有意識(shí)地將一些驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)變?yōu)樘骄啃詫?shí)驗(yàn)。如：凸透鏡成像的教學(xué)中對(duì)凸透鏡成像規(guī)律的探究。

四 幾何光學(xué)實(shí)驗(yàn)在教學(xué)中的重要性及其體會(huì)

(一) 科學(xué)是實(shí)驗(yàn)的科學(xué)，實(shí)驗(yàn)是科學(xué)的實(shí)驗(yàn)

這其中突出了實(shí)驗(yàn)的重要性，教師和學(xué)生在教學(xué)過程中應(yīng)該是不可分割的整體。幾何光學(xué)實(shí)驗(yàn)是學(xué)生對(duì)光現(xiàn)象有感性認(rèn)識(shí)的重要途徑，在初中光現(xiàn)象的教學(xué)過程中，通過探究性的實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，培養(yǎng)了學(xué)生科學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?#xff0c;提高了學(xué)生科學(xué)實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)，使學(xué)生在獲取知識(shí)的自學(xué)能力、運(yùn)用知識(shí)的綜合分析能力、動(dòng)手實(shí)踐能力、設(shè)計(jì)創(chuàng)新能力以及嚴(yán)肅認(rèn)真的作風(fēng)、實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度等方面得到訓(xùn)練與提高。?

(二)物理學(xué)是建立在觀察與實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上

在介紹初中光現(xiàn)象的知識(shí)部分，實(shí)驗(yàn)在教學(xué)中扮演著重要角色,它是教學(xué)體系中不可缺少的教學(xué)內(nèi)容。物理實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚺囵B(yǎng)學(xué)生的觀察能力、思維能力、探索能力;實(shí)驗(yàn)是培養(yǎng)學(xué)生求真務(wù)實(shí)、團(tuán)結(jié)協(xié)作等人格品質(zhì)的重要途徑。本人教學(xué)的過程中，對(duì)于這部分的教學(xué)有著如下的體會(huì)：

1、鼓勵(lì)學(xué)生提出問題,培養(yǎng)質(zhì)疑能力

質(zhì)疑是經(jīng)過對(duì)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(yàn)學(xué)生學(xué)習(xí)能力的重要標(biāo)志。質(zhì)疑能力和其他能力一樣,可以通過學(xué)習(xí)和訓(xùn)練不斷提高。我們要在實(shí)驗(yàn)中營造良好的質(zhì)疑氛圍,激發(fā)學(xué)生的興趣和勇氣,鼓勵(lì)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(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。如在光的直線傳播的教學(xué)中，學(xué)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(xué)生了解了小孔成像，同時(shí)也培養(yǎng)了學(xué)生的自主性，思維的獨(dú)力性。

2、要增加探索性實(shí)驗(yàn),培養(yǎng)探索能力

初中物理實(shí)驗(yàn)大部分是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn),學(xué)生在學(xué)習(xí)物理的科學(xué)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(xué)生主動(dòng)探索物理規(guī)律的能力。而探索性實(shí)驗(yàn)是由學(xué)生自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，并獨(dú)立運(yùn)用實(shí)驗(yàn)去探求知識(shí)或獲取必要的感性認(rèn)識(shí),從而自己總結(jié)得出結(jié)論的過程,它可以讓學(xué)生在實(shí)際操作中形成良好的觀察能力和思維能力。探索性實(shí)驗(yàn)的目的在于，使學(xué)生獲得物理實(shí)驗(yàn)研究的方法,讓學(xué)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(xué)生的探索與創(chuàng)造欲望,發(fā)展學(xué)生理性和批判的思想方法。愛因斯坦說:“對(duì)真理的探索比占有更加寶貴”。我們?cè)诮虒W(xué)中可以把一些驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)變?yōu)樘剿餍缘膶?shí)驗(yàn),要盡量再現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)過程,讓學(xué)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(xué)生思路。

在“凸透鏡成像”一節(jié)的教學(xué)中，如果按教材依葫蘆畫瓢,學(xué)生只知其然,不知其所以然,也必然會(huì)失去對(duì)實(shí)驗(yàn)的興趣。如果把這一實(shí)驗(yàn)改成探索性實(shí)驗(yàn),更能提高學(xué)生的思維能力和實(shí)驗(yàn)操作能力。先讓學(xué)生拿著凸透鏡近距離的觀察書上的字，學(xué)生會(huì)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(xué)生拿著凸透鏡慢慢的遠(yuǎn)離書上的字，或者觀察遠(yuǎn)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(yuǎn)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(dǎo)學(xué)生思考：用同一個(gè)凸透鏡觀察不同的物體時(shí)，為什么有的大，有的小，有時(shí)倒，有時(shí)正呢？ 這樣將學(xué)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(guān)？讓學(xué)生自己制定實(shí)驗(yàn)計(jì)劃，用實(shí)驗(yàn)去探究規(guī)律。按此質(zhì)疑、實(shí)驗(yàn)、探索、解疑不斷深化的探索方式進(jìn)行教學(xué),有利于調(diào)動(dòng)學(xué)生思維的積極性,激發(fā)靈感,產(chǎn)生頓悟;學(xué)生自己在“探索”物理規(guī)律的實(shí)驗(yàn)過程中,加深了對(duì)知識(shí)的理解和運(yùn)用,也培養(yǎng)了自己的創(chuàng)新能力。

3、教育學(xué)生正確對(duì)待實(shí)驗(yàn)誤差

學(xué)生往往存在這樣的認(rèn)識(shí)誤區(qū),誤差就等于錯(cuò)誤。例如,學(xué)生在做實(shí)驗(yàn)時(shí),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(xué)賴以生存的真實(shí),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(duì)這一問題,我們要教育學(xué)生,有誤差是正常的,一絲不差反而不正常,實(shí)驗(yàn)中由于偶然和系統(tǒng)的誤差,結(jié)果都不會(huì)太精確,越能合理表現(xiàn)適度的誤差,反而越能說明實(shí)驗(yàn)的真實(shí)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(jìn),而不能依靠胡編亂湊等脫離事實(shí)的做法。為適應(yīng)時(shí)代和學(xué)生發(fā)展的需要,物理教師要努力提高自身素質(zhì),對(duì)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行全方位深入的研究,在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中不斷摸索和改進(jìn),激發(fā)學(xué)生探究物理規(guī)律的熱情,培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手實(shí)驗(yàn)的能力。

總結(jié)與體會(huì)

幾何光學(xué)概念、幾何光學(xué)規(guī)律是從實(shí)際問題中抽象概括出來的，而幾何光學(xué)實(shí)驗(yàn)對(duì)于建立幾何光學(xué)基本概念和基本理論的理解有著不可替代的作用。初中學(xué)生剛剛開始學(xué)習(xí)物理，學(xué)習(xí)方法和抽象思維能力還沒有形成，因而，從實(shí)驗(yàn)著手進(jìn)行教學(xué)顯得尤為重要。初中學(xué)生有精力，有興趣參加實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，將幾何光學(xué)實(shí)驗(yàn)應(yīng)用于初中光現(xiàn)象的教學(xué)中，是提高光學(xué)教學(xué)質(zhì)量的重要途徑，對(duì)提高學(xué)生抽象邏輯思維很有幫助，將學(xué)生培養(yǎng)成學(xué)習(xí)成績好，動(dòng)手能力強(qiáng)的優(yōu)秀人才，這是我們始終不變的追求，相信在將實(shí)驗(yàn)應(yīng)用與教學(xué)的過程中，我們會(huì)離這個(gè)目標(biāo)越來越近。

參考文獻(xiàn)

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[5] 江安亭.?物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究[M].成都：四川科技出版社

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營山縣初中物理李敏名師工作室

總結(jié)

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