光學(xué)中三個疑點(diǎn)問題的教學(xué)處理

張修文

摘 要：如何引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行合作學(xué)習(xí)、科學(xué)探究，怎樣有效培養(yǎng)學(xué)生良好的思維品質(zhì)、嚴(yán)密的邏輯推理和較強(qiáng)的定性分析能力，如何運(yùn)用知識解決遇到的問題等是物理教學(xué)中應(yīng)該高度重視的問題。本文以光學(xué)中學(xué)生的三個疑點(diǎn)問題的教學(xué)處理為案例，就操作層面上記錄成文。

關(guān)鍵詞：問題提出；實(shí)驗(yàn)觀察；遞進(jìn)引導(dǎo)；自主學(xué)習(xí)；合作研究

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-6148（2016）8-0066-3

1 疑點(diǎn)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(guān)嗎？

在高中光學(xué)新課教學(xué)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(chǎn)市場借來的無蓋容器（底和壁都不透明），盛滿水后再放進(jìn)一枚石子，讓學(xué)生仔細(xì)觀察現(xiàn)象并把離容器近些觀察到的像的位置和離得遠(yuǎn)些觀察到的位置作比較，看有沒有變化，怎樣變化？

學(xué)生通過觀察，初步獲得了如下結(jié)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(guī)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(shí)驗(yàn)獲得了初步結(jié)論后，筆者并不急于給學(xué)生作理論分析，而是把學(xué)生分成幾個研究小組，讓各組在課后進(jìn)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(xué)一起研究。

經(jīng)過學(xué)生在課后的研究，有的研究小組寫出了定性分析的實(shí)驗(yàn)報告，整理抄錄如下：如圖1所示，水下的物體S（以點(diǎn)表示）入射到水面上靠得極近（才能進(jìn)入人眼瞳孔）的兩條光線的入射點(diǎn)為A1、A2，入射角分別為θ1、θ2；對應(yīng)其折射光線和折射角分別為A1B1、A2B2和β1、β2。由折射規(guī)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(diǎn)，即人眼所見像S'的位置必然向上和向前移動；當(dāng)人眼越偏，能進(jìn)入眼睛的光線的入射點(diǎn)A1、A2就離O點(diǎn)越遠(yuǎn)，折射角β1、β2就越大，兩折射光線A1B1、A2B2的反向延長線的交點(diǎn)，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(qiáng)，能進(jìn)入人眼的折射光線越弱，所以像越模糊。

對觀察到的實(shí)驗(yàn)結(jié)論找到了充足的理論依據(jù)之后，學(xué)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(yīng)在什么位置觀察？”的問題。

在前述研究的基礎(chǔ)上，很快便有研究小組找到了理論上的結(jié)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(dāng)眼睛在物點(diǎn)正上方觀察時，進(jìn)入眼睛的任何一條光線都必有一條關(guān)于y軸的對稱光線，這些對稱光線的折射光線也關(guān)于y軸對稱，而所有折射光線的反向延長線相交的點(diǎn)（像點(diǎn)）就在y軸上，但比像的位置高。這個理論分析得到了所有學(xué)生認(rèn)可的時候，我們又用前述實(shí)驗(yàn)進(jìn)行檢驗(yàn)。

至此，通過學(xué)生們共同參與研究，在研究中相互學(xué)習(xí)，相互從思考中提示、補(bǔ)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(jié)論，取得了好的效果。

2 疑點(diǎn)二：光速之快，人類初期是怎樣測出來的呢？

面對學(xué)生提出的問題，筆者推薦了經(jīng)全國中小學(xué)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(nèi)容中美國物理學(xué)家“邁克耳遜的旋轉(zhuǎn)棱鏡法測光速”的實(shí)驗(yàn)。

學(xué)生閱讀后又問：邁克耳遜是怎樣在八面鏡的高速旋轉(zhuǎn)中選擇出符合要求的轉(zhuǎn)速的？

針對學(xué)生的問題，筆者讓學(xué)生再仔細(xì)閱讀下述推薦材料并思考、討論后面兩個梯級遞進(jìn)的問題。

材料內(nèi)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(qiáng)光源S和一個正八面棱鏡A。光源S發(fā)出的光，經(jīng)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(jīng)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(jīng)面3反射后，通過望遠(yuǎn)鏡C進(jìn)入觀察者的眼中，看到光源S的像。

如果使八面鏡轉(zhuǎn)動。那么，光反射回來時八面鏡的面3已經(jīng)偏離了原來的取向。經(jīng)面3反射后的光不再進(jìn)入望遠(yuǎn)鏡中，觀察者就看不到光源S的像了。適當(dāng)調(diào)節(jié)八面鏡的轉(zhuǎn)速。使反射回來的光到達(dá)八面鏡時，八面鏡恰好轉(zhuǎn)過1/8轉(zhuǎn)，面2正好轉(zhuǎn)到面3原來的位置，經(jīng)面2反射后的光進(jìn)入望遠(yuǎn)鏡中，就可以重新看到S的像。根據(jù)八面鏡轉(zhuǎn)過1/8轉(zhuǎn)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(jìn)引導(dǎo)的問題：

（1）在八面鏡尚未轉(zhuǎn)動時用望遠(yuǎn)鏡觀察到光源的像之后，當(dāng)八面鏡在轉(zhuǎn)動過程中，仍要由轉(zhuǎn)到原來面3位置的反射面反射光線進(jìn)入望遠(yuǎn)鏡而重新看到S的像的話，望遠(yuǎn)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(zhuǎn)中選擇出了符合“光在兩山儀器間往返的時間內(nèi)恰轉(zhuǎn)1/8轉(zhuǎn)”的轉(zhuǎn)速要求的？

同學(xué)們經(jīng)過再次閱讀并思考，很快明確了：當(dāng)八面鏡在轉(zhuǎn)動過程中，仍要由轉(zhuǎn)到原來面3位置的反射面反射光線進(jìn)入望遠(yuǎn)鏡而重新看到S的像的話，則望遠(yuǎn)鏡必須固定不動。

接下來，同學(xué)們各抒己見，充分研究和討論后又明白了：當(dāng)望遠(yuǎn)鏡固定不動，旋轉(zhuǎn)八面鏡仍能從望遠(yuǎn)鏡中再次觀察到光源的像，八面鏡的旋轉(zhuǎn)速度必須是在光傳播時間內(nèi)轉(zhuǎn)過1/8轉(zhuǎn)、1/4轉(zhuǎn)、3/8轉(zhuǎn)、1/2轉(zhuǎn)、5/8轉(zhuǎn)……要能“重新見到光源S的像”時，八面鏡的最低轉(zhuǎn)速應(yīng)該是1/8轉(zhuǎn)。

至此，筆者引導(dǎo)學(xué)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(zhuǎn)速確定為“符合要求的轉(zhuǎn)速的”。

實(shí)際上，光速之大，在有限的地面實(shí)際距離傳播時間很短，要求八面鏡具有極高轉(zhuǎn)速的技術(shù)難度很大，邁克耳遜在測定光速的一次實(shí)驗(yàn)中，測得兩山峰間的距離為35373.21米，從望遠(yuǎn)鏡中看到光源的像時，八面鏡的最低轉(zhuǎn)速達(dá)到了528轉(zhuǎn)/秒。如果還要提高八面鏡的轉(zhuǎn)速，技術(shù)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(zhuǎn)過1/8轉(zhuǎn)，對應(yīng)八面鏡的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速確定為“符合要求的轉(zhuǎn)速的”。

3 疑點(diǎn)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(jīng)全國中小學(xué)教材委員會2005年初審?fù)ㄟ^，人民教育出版社出版的普通高中課程教材實(shí)驗(yàn)教科書《物理》選修3-4第十三章第七節(jié)的“科學(xué)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(guān)于條紋彎曲方向與被檢表面凹凸情況的判定問題。

針對學(xué)生不清楚的現(xiàn)象，筆者仍然采取了以下分層遞進(jìn)的教學(xué)方法與學(xué)生討論，學(xué)生反應(yīng)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(diǎn)就位于一條直線上，產(chǎn)生的干涉條紋（以亮紋為例）是平行的直線（設(shè)在圖中aa1、bb1、cc1上方）；而出現(xiàn)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(guān)系為：2d=kλ，式中k=0、1、2……即出現(xiàn)相鄰亮紋處的空氣厚度差Δd都為λ/2，由數(shù)學(xué)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(chǎn)生亮條紋的b位置出現(xiàn)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(diǎn)作標(biāo)準(zhǔn)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(chǎn)生條紋的b位置出現(xiàn)凸起，如圖5所示，由平行線間各處距離相等，過原b點(diǎn)作標(biāo)準(zhǔn)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(yuǎn)離劈尖方向彎。

參考文獻(xiàn)：

[1]人民教育出版社物理室.全日制高級中學(xué)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(xué)實(shí)驗(yàn)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(fā)中心.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書（選修3-4） 物理[M].北京：人民教育出版社，2010.