由一道習(xí)題引發(fā)的實(shí)驗(yàn)探究與思考

王 路

(泰州市姜堰區(qū)實(shí)驗(yàn)初級(jí)中學(xué) 江蘇 泰州 225500)

由一道習(xí)題引發(fā)的實(shí)驗(yàn)探究與思考

王 路

(泰州市姜堰區(qū)實(shí)驗(yàn)初級(jí)中學(xué) 江蘇 泰州 225500)

一道經(jīng)典習(xí)題，因?qū)ζ叫杏谕哥R主軸的光線經(jīng)透鏡折射后形成亮斑的差異認(rèn)識(shí)不足，被誤講多年.本文以實(shí)驗(yàn)為依據(jù)，對(duì)其中的問(wèn)題精準(zhǔn)剖析.

習(xí)題 凸透鏡 凹透鏡 亮斑 光斑

在一次平時(shí)作業(yè)中，出現(xiàn)了這樣一道習(xí)題：

如圖1所示，N是一個(gè)水平放置的長(zhǎng)方形暗盒，盒內(nèi)有水平向右的平行光，P為暗盒右側(cè)平面上的一個(gè)圓孔，M是一個(gè)與暗盒右側(cè)平面平行的、相間一定距離的光屏，若用一個(gè)外徑與圓孔P相同的光學(xué)器件嵌入其中，發(fā)現(xiàn)在光屏M上呈現(xiàn)出一個(gè)比圓孔P大的圓形光斑，則嵌入圓孔P的光學(xué)器件是( )

A．一定是凹透鏡

B．一定是凸透鏡

C．可能是凸透鏡或凹透鏡

D．可能是厚平板玻璃

圖1 一道習(xí)題的題圖

這道題是1998年江蘇省蘇州市的一道中考題，后來(lái)一直被不少教師選用作習(xí)題，所提供的參考答案就是C，也從未有人對(duì)本題的題設(shè)和答案提出過(guò)質(zhì)疑．

顯然，本題答案選C的理由是：

(1)當(dāng)圓孔內(nèi)嵌入凸透鏡且PM之間的距離大于凸透鏡的兩倍焦距時(shí)，光斑會(huì)大于圓孔[圖2(a)]；

(2)“平行于凹透鏡主光軸的光線經(jīng)透鏡后折射光線的反向延長(zhǎng)線經(jīng)過(guò)入射光一側(cè)的焦點(diǎn)”，所以在另一側(cè)的光屏上從主軸到四周的光可以均勻分布成一光斑，由于凹透鏡的發(fā)散作用，光斑會(huì)大于暗盒上的圓孔[圖2(b)]．

圖2 想象中的凸凹透鏡的光斑

一直以來(lái)，很多教師都是這么講解的，筆者以前也都這么認(rèn)為．

有一個(gè)實(shí)驗(yàn)事實(shí)引起了筆者對(duì)本題的質(zhì)疑——這就是基于如圖3所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果！

圖3 近視鏡對(duì)直射陽(yáng)光形成四周有光圈的陰影

將近視眼鏡正對(duì)著太陽(yáng)，在地面附近的上方上下移動(dòng)眼鏡，會(huì)在地面看到一個(gè)“奇特”的效果——鏡片的中間部分在地面上留下的根本不是想像中的“變大了的光斑”，而是一個(gè)四周有光圈的陰影！把照片拿給學(xué)生一看，學(xué)生會(huì)立即明白過(guò)來(lái)——凹透鏡對(duì)平行于其主軸的光線發(fā)散的效果是：折射光線被發(fā)散到四周而形成亮斑、中間幾乎沒(méi)有折射光線的暗斑！

盡管有這個(gè)親自實(shí)驗(yàn)的結(jié)果為依據(jù)，但仍有不少同行堅(jiān)持原來(lái)的看法——他們對(duì)上述的實(shí)驗(yàn)事實(shí)不以為然，因?yàn)檫@顯然與他們腦海里“平行光被凹透鏡發(fā)散后應(yīng)均勻分布于與透鏡平行的光屏上”想象是不符合的．

因此，筆者想到用實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證一下自己的判斷．請(qǐng)看圖4中4幅照片．

圖4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

這4幅照片是筆者在實(shí)驗(yàn)室邊實(shí)驗(yàn)邊拍攝的，分別是用同一平行光源(學(xué)生實(shí)驗(yàn)用)先后直接照射在光屏[圖4(a)]、通過(guò)凸透鏡會(huì)聚于光屏[圖4(b)]、光屏遠(yuǎn)離凸透鏡后光線經(jīng)過(guò)焦點(diǎn)后分散開(kāi)來(lái)[圖4(c)]及經(jīng)過(guò)凹透鏡發(fā)散后形成的“亮斑”[圖4(d)]的情形，顯而易見(jiàn)，第四幅圖中的亮斑與前三幅明顯不同，據(jù)此發(fā)現(xiàn)，平行于透鏡主軸的光線經(jīng)凸

透鏡和凹透鏡折射后形成的光斑差異顯著，如果學(xué)生和老師有如此認(rèn)識(shí)，那么上面這道習(xí)題提供的各個(gè)選項(xiàng)的說(shuō)法就值得商榷了——因?yàn)楣獍咝螤蠲黠@不同，那么根據(jù)光斑大小判斷透鏡類型使本題提供的選項(xiàng)存?zhèn)危驗(yàn)閷?shí)際實(shí)驗(yàn)中當(dāng)圓孔P中分別插入凸透鏡和凹透鏡后形成的“亮斑”應(yīng)如圖5所示，因此將本題提供的選項(xiàng)換為通過(guò)“亮斑”類型的不同來(lái)識(shí)別透鏡種類更符合實(shí)驗(yàn)事實(shí)．

圖5 平行光通過(guò)凸凹透鏡后應(yīng)形成的“亮斑”

綜上，筆者對(duì)上述習(xí)題的處理提幾點(diǎn)建議：

首先，建議引用了此題的所有資料在改編時(shí)及時(shí)裁減此題，因?yàn)樗陬}干中提供的選項(xiàng)并非基于實(shí)驗(yàn)事實(shí)中的物理現(xiàn)象，而是依賴于單純的理論分析，將兩種差異一目了然的“亮斑”混為一談了．

第二，在可能的條件下，試題的編擬一定要基于實(shí)驗(yàn)事實(shí)，不能想當(dāng)然．事實(shí)上，中學(xué)生在解答物理問(wèn)題時(shí)常常發(fā)生“想當(dāng)然”式的錯(cuò)誤，也許正跟我們教學(xué)中對(duì)一些物理現(xiàn)象缺少真正的研究，而是簡(jiǎn)單代替以“理論推測(cè)”的做法有關(guān)．

第三，作為教師，在面對(duì)此類可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的習(xí)題時(shí)，應(yīng)當(dāng)秉持實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度，不能用“直覺(jué)和所謂的理論分析”否認(rèn)實(shí)驗(yàn)事實(shí)，這不是科學(xué)的治學(xué)態(tài)度，也不利于培養(yǎng)學(xué)生尊重科學(xué)、實(shí)事求是的學(xué)習(xí)和研究態(tài)度．

Experimental Inquiry and Reflection Caused by a Exercise

Wang Lu

(Jiangyan Experimental Middle School Taizhou City Jiangsu Province Postal Code，Taizhou，Jiangsu 225500 )

It is a classical exercise. Because there is a lack of awareness to the difference of the bright spot formed by the ray of light parallel to the main optical axis lens, which is refracted through the lens, and it has been misexplained for years. Based on the experiment, this paper analyzes the problem.

exercise set lens;concave lens;bright spot;light spot

2017-01-03)