“柱形凸透镜”之研究

发布者：cj_wbp   发布时间：2016-07-04 14:43:49   点击数:

《初中物理课程标准》的第四部分“实施建议”---“教学建议”之五“提倡使用身边的物品进行物理实验中”有这样一段话：“可以用盛水的玻璃杯和球形烧瓶代替凸透镜来研究成像规律”。结合这一要求，各版本教材在编写本部分内容时下了一定的功夫：苏科版物理八年级上册引言中有“活动0.2 动手做一做”,让学生透过盛水的玻璃杯看书本上的字;苏科版八年级<<光的折射>>之照相机与眼睛“WWW”第5题，人教版八年级<<透镜及其应用>>之探究凸透镜成像的规律“动手动脑学物理”第2题，北师大版《常见的光学仪器》之透镜“做一做”,均设计了类似的观察体验活动。日常生活中接触到的体温表中的水银柱变粗，圆柱形鱼缸中的金鱼变大，均与此有相似之处。

一.研究问题的提出

 一位有着十几年教龄的物理教师直奔我的办公室,满脸不解地向我求助。事情是这样的,他陪着孩子阅读《少儿双语画刊》，其中用英汉对照的方式介绍了一则小实验,原文用三张图片来显示：图片1.将写有mub字样的纸片靠近一个盛水的玻璃杯，图片2.前后左右移动纸片，图片3.你会看到一个奇妙的现象，字母变成了dum。同事的第一感觉是出问题了：盛水的玻璃杯相当于凸透镜，而凸透镜成像分为两大类：正立放大的虚像或倒立的实像（具体又分为放大、缩小、等大三种情形）。震惊之余亲自做实验，竟然看到了与画刊所载相同的现象。与教研组的近二十位物理老师讨论交流，能说出子丑寅卯的很少。多套教材明确提出的活动，老师们竟然没有仔细研究过。看来，这是一个值得关注与深入研究的问题。另外，课程标准所要求“可以用盛水的玻璃杯和球形烧瓶代替凸透镜来研究成像规律”，能否等效地替代？如果多数老师对它们成像的区别不能正确区分与对待，又谈何替代之说呢？

二．探究的思路与途径

理论分析：盛满水的玻璃杯和球形烧瓶相当于一个柱形凸透镜，与初中物理所学薄透镜的成像特点是有较大不同的,它所成虚像的特点是上下不放大，左右放大但位置不变（正立）；由于左右是圆弧形，相当于凸透镜，所以成实像时左右相反；又竖直方向是平的，所以像仍正立。

探究一  柱形凸透镜对光线的作用

 实验目的：探寻柱形凸透镜与薄由凸透镜相似之处。

 实验器材:自制平行光源、空青霉素瓶、水。

 实验思路:1.自制平行光源: (1)选用“ 12V，40W”直丝灯泡。(2)将瓶壁薄而均匀、无色透明的玻璃小药瓶（高约50mm、外径约22mm）经过严格消毒和冲洗干净后，装满室温下的清水，便成了“柱形水透镜”。（3）组装：如图1所示，将玻璃小药瓶放在图中“凸透镜”的位置，并在前方放置刻有多条平行狭缝的硬纸罩，调节灯泡的位置，并使直灯丝与硬纸罩的狭缝平行，经过调试能得到平行的光束。

 

图1

图2

2.用空青霉素瓶盛满水,正对平行光源。由于它的焦距较长，故在空气里它对光虽然有会聚作用，但“焦点”不能清楚地显示出来,因而我们只使用这个玻璃凸透镜的中间部位来会聚光，它的两侧部分并没有利用。如图2所示,将中间位置的瓶子，立放在3条平行光束的中间部位;右侧的瓶子立放在3条发散的光束上，经过左右移动后，又能获得右侧所示的3条平行光束，可以得到结论:柱形凸透镜对光线有会聚作用:可将平行光线会聚于焦点,经过其焦点的光线会平行地射出。

 

相关考题:风景秀丽的森林公园内严禁游客随地丢弃饮料瓶．这不仅是为了保护环境，更重要的是因为透明圆塑料瓶装水后相当于一个__________镜，它对太阳光具有_________作用，可能引起森林火灾。

分析:盛水的圆饮料瓶相当于一个凸透镜,对太阳光有会聚作用,会聚而成的焦点处温度很高,容易引起火灾。具体这种柱形凸透镜形成的焦点又有什么特点呢?我们通过实验二进一步探究。

探究二  柱形凸透镜的焦点有何特点

 1  在试管管长方向的正上方所在平面上,让一束太阳光射入试管，在试管的下方出现一条亮线。

 

图3                     图4

图5                     图6

现象分析:充满水的试管是圆柱形透明体，柱长方向各处厚度一样，在圆柱径向则是中间厚边缘薄。充满水的试管在径向相当于凸透镜，对光具有会聚作用。由于阳光既有管长方向又有径向的，因此光线会在充满水的试管下方会聚成一条亮线。如图3所示。

 

2   把白纸从紧贴试管处逐渐向下移动到较远处，在此过程中，亮线先变细后变粗。

现象分析:如图4所示,将白纸从紧贴试管向下移动的过程中,经过了一个特殊位置-----焦点。白纸放在焦点上方与下方时, 白纸上得到的是一个一个的光斑;将白纸正好移到焦点位置时,此时得到的是一条亮线。

3.在注有清水的圆柱型试管内留一稍大的空气泡，当太阳光从试管的正上方向下照射时，观察试管下方的白纸，可以发现白纸上与空气泡相对应的位置上，有一椭圆形黑影，而其它部分竟是一条与试管平行的亮线,如图5所示。

现象分析:从管长方向看，气泡下的水柱中间段厚度没有两侧的厚度厚，气泡与周边的水形成凹透镜。，若在试管管长方向气泡正上方的平面上一排光线射入试管，则光线应该发散如图6所示。

 

图7

相关考题：（2009年浙江衢州中考题）同学们用盛水的矿泉水瓶模拟眼球中的晶状体，来比较正常眼睛、近视眼睛和远视眼睛的焦距大小。如图7甲所示，他们将盛水的矿泉水瓶正对太阳，上下移动白纸，直到白纸上出现最细的亮线，估测亮线到瓶子侧壁的距离d。正常水瓶做实验时，d约为8厘米；把水瓶挤压成如图乙所示后测得d为13厘米；把水瓶挤压成如图丙所示后测得d为5厘 米。则以下判断正确的是（　　）

 

   A．乙模拟的是远视眼，实验可得远视眼的焦距比正常时大

    B．乙模拟的是近视眼，实验可得近视眼的焦距比正常时大

    C．丙模拟的是远视眼，实验可得远视眼的焦距比正常时小

    D．丙模拟的是近视眼，实验可得近视眼的焦距比正常时大

分析  根据题目所提供条件：盛水的矿泉水瓶相当于柱形凸透镜，正对太阳光得到一条最细的亮线，亮线到瓶子侧壁的距离应该是凸透镜的焦距。把水瓶挤成乙图时，焦距变大，即会聚能力减弱，远处物体所成的像将会落在视网膜的后方，此为远视眼的成因。同理同知丙图对应近视眼。

探究三  柱形凸透镜的成像特点

1   成虚像时的特点

 

图8

我们以2009年江苏省中考物理试卷第12题切入这个话题。如图8所示，小刚将盛满水的圆柱形透明玻璃杯贴近书本，透过玻璃杯观看书上的鹦鹉图片（圆圈中的鹦鹉图与书本中的鹦鹉图实际大小相等），他所看到的虚像可能是（    ）

 

该题预设难度系数为0.3。根据某市的抽样统计，正确选A的占10.3%，错误选C的占72.2%。我们姑且不去讨论题目的深浅程度亦或试题价值。我们来考察题目所要考查的核心问题：本题需要学生从凸透镜是中间厚边缘薄的定义中，理解盛满水的玻璃杯相当于一个柱形凸透镜。而“柱形凸透镜在竖直方向不具备凸透镜功能”的角度去分析这个题目，以此来考查学生应用知识和解决问题的能力，即知识运用与迁移能力。通过观察四个选项中的鹦鹉图，与圆圈中的鹦鹉图比较，知道B选项是缩小的，C选项是上下、左右都放大的，D选项是左右放大、且左右位置相反，只有A选项是左右放大、位置没有改变，上下不放大（即变“胖”了）为正确选项。

   2  成像的对比

人教版教材相关活动（第三章第三节“动手动脑学物理”第二题）如下：“找一个圆柱形的玻璃瓶，里面装满水，把一支铅笔水平地放在水瓶的一侧，透过水瓶，可以看到那支笔。把笔由靠近水瓶的位置向远处慢慢地移动，透过水瓶你可以看到一个有趣的现象。描述这个现象。与前面用凸透镜所做的实验相比，有什么共同之处？有什么不同？”人教版教师教学用书所提供答案为：玻璃瓶相当于一个柱面透镜。当铅笔由靠近水瓶的位置向远处慢慢移动时，透过水瓶会看到铅笔尖逐渐变长，到某一位置时，铅笔尖突然改变方向。用凸透镜做实验，当铅笔由靠近凸透镜的位置向远处慢慢移动时，透过凸透镜会看到铅笔逐渐变大，而形状保持不变，到某一位置时，铅笔尖也会突然改变方向。（所用的凸透镜焦距要比较短）?

苏科版、北师大版教材是将小泥娃、书本放在盛水的玻璃杯前，并前后移动位置，观察所成像的变化。教学参考用书没有提供终结性结论，通过实验观察可以得出成像规律如下：书本与水杯距离较小时，字是放大的；适当增大距离会更大，左移杯子，放大的字右移；继续增大距离，字迹变模糊，接着字又变清晰了，但看到的字与实际相比左右相反、上下颠倒，且随着距离的增大，看到的字逐渐变小，且若杯左移，看到的字也左移。

三．研究后的思索

由以上探究活动可知，盛水的玻璃杯和球形烧瓶对光线有会聚作用，与凸透镜有相似之处。但其成像情况与初中阶段所研究的薄凸透镜有着天壤之别，不具备等效替代性。个人认为课程标准中“可以用盛水的玻璃杯和球形烧瓶代替凸透镜来研究成像规律”这一说法是不恰当的，值得商榷。

各版本教材针对“柱形凸透镜”多在引言、做一做、课后活动等处出现。苏科版出现在引言中,苏科版教学参考书上关于这一问题的教学建议为:不要刻意追求学生得出完整的观察结果,重要的是让学生经历观察的过程。 可见,其目的仅是要让刚学物理的学生领略一些奇妙的物理现象，从而培养学生对物理的学习兴趣和求知欲望。人教版出现在“动手动脑学物理”栏目中，而人教版教学参考书引言中对此栏目的定位是：“动手动脑学物理”的题目主要是留给学生课后完成的，大致相当于过去的课后练习。“动手动脑学物理”中的题目都是真正需要“动手动脑”才能解决的。但是，教学的重点一定不能放在让学生死背条文上。可见课本安排这一活动的目的是使学生初步了解日常生产生活中接触到的器具与凸透镜有相似之处，并没有要求学生记忆或掌握柱形凸透镜的成像特点。综合两本教材的设计意图，个人认为，在各类考查型试卷以及作为教学指挥棒的中考试卷，应该回避此类问题的考查，否则，将会有失公允。