从“柱形凸透镜成像”实验感受体验教学的魅力

王连

摘要：《初中物理课程标准》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，各版本教材在編写本部分内容时均设计了观察体验活动。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。

关键词：观察；体验；柱形；凸透镜；成像；教学；魅力

中图分类号：G633.7 文献标识码：B 文章编号：1672-1578（2017）05-0167-01

体验教学是指在教学过程中要从学生的经验和体验出发，密切联系知识与生活实际，引导学生不断深入地观察和体验身边的物理现象，并最终用所学知识解释物理现象，或从现象中总结出物理规律。在凸透镜成像规律教学过程中，我们可以要求学生：用盛水的玻璃杯和球形烧瓶代替凸透镜来研究成像规律。学生课下做完这个实验后，直奔我的办公室，满脸不解地向我求助：将一节干电池，分别横放、竖放在盛满水的柱形玻璃杯前，为什么放在玻璃杯后的干电池左右放大，上下不放大呢？

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。对以上现象应怎样解释？我与教研组的几位物理老师讨论交流，能说出子丑寅卯的很少。很显然，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：盛满水的圆柱形透明玻璃杯不能简单地看作凸透镜！

从外形看凸透镜的中央厚四周薄，由于光的折射，凸透镜对光线有会聚作用，故又称会聚透镜。将平行光线（如阳光）平行于透镜的主光轴射入凸透镜，光在透镜的两面经过两次折射后，集中会聚在主光轴上的一点，此点叫做凸透镜的焦点F，焦点到透镜中心（光心O）的距离叫凸透镜的焦距，通常以字母f表示。当物体与凸透镜的距离小于一倍焦距时，成正立放大的虚像，所以凸透镜可作为放大镜使用。

而盛满水的圆柱形透明玻璃杯是一种圆柱体透镜，当它竖直放置时，它的水平横截面为一个圆。因为圆具有中间厚，两边薄的特点，因此对平行光线有会聚作用，但与薄凸透镜不同的是，两侧的平行光线经圆透镜折射后的会聚点更靠近圆透镜。因此它不能将平行光线会聚为一点，而是会聚在一条线段上，圆柱体透镜的竖直截面为一个矩形，中间与上下的厚度相同，所以在竖直方向上，它对平行光线没有会聚作用，如右图所示。因此，当用平行光线照射竖直放置的圆柱体透镜时，光线将被会聚到一个竖直方向的矩形里。由此可见，竖直放置的圆柱体透镜在水平方向上对光线的作用与凸透镜相似，而在竖直方向上对光线的作用与平行玻璃砖相似，因此当物体靠近圆柱体透镜时，只有在水平方向上有放大作用，而在竖直方向上没有放大作用。

我们还可以用一个简单而又明显的实验来说明这问题，取两支笔，一支水平放置，一支竖直放置，呈一个倒T字形，再将盛满水的圆柱形透明玻璃杯紧放在笔前。可以看到水平放置的铅笔经水杯折射后并没有放大，而竖直放置的铅笔经水杯折射后明显放大。

2012年人教版物理教材"第五章 透镜及其应用"中的"第三节凸透镜成像的规律"中的课后练习第2题："找一个圆柱形的玻璃瓶，里面装满水，把一支铅笔放在玻璃瓶的一侧，透过玻璃瓶，可以看到那支笔。如果把笔由靠近玻璃瓶的位置向远处慢慢地移动，你会看到什么现象？实际做一做，验证你的猜想。与前面用凸透镜所做的实验相比，这两个实验有什么共同之处？有什么不同？"配套的教师教学用书所提供的答案为：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）。

在学习了凸透镜的成像规律后，可以让学生探究以下三个问题，培养学生的学习兴趣和求知欲望：

（1）竖直放置的圆柱体透镜在做放大镜使用时，是不是在各个方向都有放大作用？

（2）如何证明竖直放置的圆柱体透镜在竖直方向上没有放大作用？

（3）当物体远离竖直放置的圆柱体透镜时能观察到倒立的像吗？

在让学生通过亲身体验和独立思考的过程中发现柱形凸透镜的成像规律，培养学生的实验探究能力、观察能力及设计能力，养成反思的习惯和严谨的科学态度，感受发现知识的乐趣和物理学的美。我们也能在不断挖掘教材内涵的过程中，发挥出教材潜能，闪现出教学亮点，彰显出教学魅力。

参考文献：

[1] 李光宇."柱形凸透镜"之研究.《中学物理教学参考》（2011年1-2期）；

[2] 中华人民共和国教育部.《义务教育物理课程标准》（2011年版）.；

[3] 邱明政.善于挖掘教材 彰显课堂魅力.《吉林教育》（2011年35期）。