由一道題的錯(cuò)解引發(fā)的思考

周 玲

（江蘇省太倉市實(shí)驗(yàn)中學(xué)，江蘇 太倉 215400）

當(dāng)下中小學(xué)學(xué)科類搜題軟件盛行，學(xué)生的學(xué)業(yè)輔助渠道逐漸增多，信息來源日益豐富，教師的教學(xué)壓力日漸增大.近期筆者在教學(xué)中就受到了學(xué)生的質(zhì)疑.在講解一道關(guān)于光的折射特點(diǎn)應(yīng)用的習(xí)題時(shí)，學(xué)生們通過網(wǎng)絡(luò)收集的答案出奇一致，因而質(zhì)疑教師的答案，就此筆者反復(fù)思考并且根據(jù)光路可逆原理通過實(shí)驗(yàn)論證了結(jié)論，與學(xué)生們一起糾正了網(wǎng)上的錯(cuò)誤答案.

1 原題及錯(cuò)解分析

例題.把一個(gè)薄凸透鏡固定于薄壁玻璃筒中間，在凸透鏡的焦點(diǎn)F處放一個(gè)點(diǎn)光源S，然后注入水，使水面處于光源S和凸透鏡之間，如圖1所示，為使經(jīng)凸透鏡折射后的光線是一束平行光，則光源的位置

圖1

（A）應(yīng)適當(dāng)升高. （B）應(yīng)適當(dāng)降低.

（C）應(yīng)不動(dòng). （D）無法確定.

各種搜題軟件呈現(xiàn)的答案是（B）.

錯(cuò)解：光源S發(fā)出的光線，要經(jīng)過凸透鏡后得到平行光，則只要將S放在透鏡的焦點(diǎn)處.若沒有水則只要將光源S放在焦點(diǎn)F處就能得到平行光，但注水后若光源S仍在F處，由于空氣與水的折射率不同，斜射的光線在水和空氣界面發(fā)生折射，折射角小于入射角，向主光軸方向偏折，這時(shí)從F處射出的光經(jīng)過凸透鏡之后就不是平行光了.若要使得折射光線仍是平行光，折射光線不變的情況下需要改變?nèi)肷涔饩€，根據(jù)光線從空氣斜射到水時(shí)折射角小于入射角，故光源S就應(yīng)在焦點(diǎn)F的下面，如圖2所示，相當(dāng)于將透鏡的偏折能力增大，或者說就相當(dāng)于透鏡的焦距縮短了，故光源的位置應(yīng)適當(dāng)降低，而不能正好在F處，選項(xiàng)（B）是正確的，（A）、（C）、（D）錯(cuò)誤.

圖2

此解法僅考慮了光在空氣和水兩種介質(zhì)分界面時(shí)由于折射率的不同而發(fā)生了偏折現(xiàn)象，導(dǎo)致透鏡的焦距變短；忽略了凸透鏡在放入水中后，光的傳播介質(zhì)不僅僅是兩種介質(zhì)，應(yīng)是空氣、水、玻璃3種介質(zhì)，斜射光在3種折射率不同的介質(zhì)分界面都會(huì)發(fā)生偏折.

2 幾種正確的解題方法

筆者對(duì)比空氣、水、玻璃3種介質(zhì)的折射率后認(rèn)為，透鏡的焦距不是縮短而是變長(zhǎng)，本題答案應(yīng)該是選項(xiàng)（A）.解答該題的正確思路和方法有許多種，有易有難，列舉如下.

2.1 分析法

本題考查了不同介質(zhì)下凸透鏡焦距的變化，對(duì)于初中生來說有一定的難度，需要認(rèn)真對(duì)比折射率才能判別凸透鏡焦距的變化.要考慮光在不同介質(zhì)的折射率不同，折射率越高，使入射光發(fā)生折射的能力越強(qiáng).基于空氣的折射率1.0003，水的折射率1.3333，玻璃的折射率1.5000，則注水前后凸透鏡的焦距會(huì)發(fā)生變化.凸透鏡在空氣中之所以有焦距是因?yàn)榭諝獾恼凵渎逝c玻璃的相差很大，可以借助極限思想，若兩種介質(zhì)的折射率十分接近達(dá)到幾乎相等，那么光經(jīng)過凸透鏡就不在發(fā)生折射，就好像是在均勻介質(zhì)中沿直線傳播一樣，這時(shí)可以想象成焦距是無窮大，也就是說兩種介質(zhì)的折射率越接近，透鏡的焦距越大.由于玻璃的折射率相對(duì)水的折射率比其相對(duì)空氣的折射率要小些，故注水后凸透鏡的焦距變長(zhǎng)，即其焦點(diǎn)位置將上移.此題注入的水在原焦點(diǎn)F的下方，故此時(shí)介質(zhì)不全是水而是部分水加上部分空氣，因此其焦點(diǎn)應(yīng)該介于兩者之間，在注滿水后的焦點(diǎn)的下方，在原焦點(diǎn)F的上方.故光源應(yīng)該適當(dāng)升高些.

分析法是從物理原理的角度進(jìn)行分析，理論性強(qiáng)，對(duì)于不熟知介質(zhì)折射率的初中學(xué)生來說難度較大，可能僅適用于物理教師及部分思維層次高的學(xué)生.

2.2 實(shí)驗(yàn)法

筆者根據(jù)光路可逆原理設(shè)計(jì)如下實(shí)驗(yàn)，用兩束平行光對(duì)準(zhǔn)薄壁玻璃筒底部入射，當(dāng)無水時(shí)兩束平行光經(jīng)過凸透鏡后會(huì)聚于一點(diǎn)，既此凸透鏡的焦點(diǎn)F，如圖3所示.然后逐漸向薄壁玻璃筒中注水，發(fā)現(xiàn)兩平行光束通過薄壁玻璃筒以及凸透鏡后的會(huì)聚點(diǎn)發(fā)生了上移，標(biāo)注為F1，如圖4所示.根據(jù)光路可逆原理得出F1點(diǎn)發(fā)出的光經(jīng)過水以及凸透鏡折射后的光線將是一束平行光，故將光源S放在F1點(diǎn)的位置就能得到平行光，即光源的位置在原來焦點(diǎn)F的的上方，因?qū)⒐庠次恢脩?yīng)適當(dāng)升高.

圖3

圖4

實(shí)驗(yàn)法直觀性強(qiáng)，通過設(shè)計(jì)真實(shí)的實(shí)驗(yàn)情景，將抽象的理論推導(dǎo)形象化，學(xué)生可以輕易理解且易激發(fā)進(jìn)一步探究的興趣.

2.3 作圖法

要得到平行光就只要將光源放在透鏡的焦點(diǎn)處就行了.作圖時(shí)先標(biāo)注未注入水時(shí)凸透鏡焦點(diǎn)F位置如圖5（a）所示，當(dāng)凸透鏡放入水中時(shí)，由于介質(zhì)發(fā)生了變化，從原來空氣和玻璃變成了水和玻璃，透鏡的焦距將發(fā)生變化.根據(jù)光從水斜射到玻璃的偏折程度比其從空氣斜射到玻璃的偏折射程度小，故放入水中后透鏡的焦距變長(zhǎng)，因此注水后其焦點(diǎn)位置由F處上移，標(biāo)注為F1如圖5（b）所示.若注水的水位在F1上方，將光源放在F1處就能經(jīng)過凸透鏡得到平行光了；但是此題的注水后水位在F1的下方，從F1發(fā)生的光在空氣和水的分界面將向法線發(fā)生偏折，若要使折射后仍是平行光，則在折射光線不變的情況下需要改變?nèi)肷涔饩€.根據(jù)光線從空氣斜射到水時(shí)折射角小于入射角，故光源S就應(yīng)在焦點(diǎn)F1的下面，由S射向水面的光經(jīng)水折射，折射光線的反向延長(zhǎng)線經(jīng)過此時(shí)的焦點(diǎn)F1時(shí)，射向凸透鏡才能平行射出，故S的位置比F1低些，比原先的焦點(diǎn)F要高些，如圖5（c）所示.

圖5

作圖法是基于凸透鏡加水前后焦距的變化進(jìn)行思考的，通過作圖還原光的折射過程，幫助學(xué)生形象的分析光學(xué)現(xiàn)象.

2.4 分割法

將注入水后的薄壁玻璃筒分割成上面一個(gè)平凹透鏡、中間一個(gè)凸透鏡、下面一個(gè)平凹透鏡，薄壁玻璃筒可以看成是3個(gè)透鏡組合而成，如圖6所示.根據(jù)初中學(xué)生已有的知識(shí)，凹透鏡對(duì)光有發(fā)散作用，相當(dāng)于在凹透鏡的作用下，將凸透鏡的焦距變長(zhǎng)了，即組合透鏡的焦點(diǎn)在原來的焦點(diǎn)F的上面，由此分析得到的答案也是（A）.

圖6

分割法采用建模的思路解答此題，分割成學(xué)生熟知的3個(gè)常見透鏡模型，將諸多影響因素歸于基本模型中，便于學(xué)生理解.

3 啟示與思考

一是教學(xué)中要根據(jù)學(xué)生的思維水平，尋找適合學(xué)生思維層次的解決方法.本題是一道關(guān)于凸透鏡應(yīng)用的拓展題，考查的是學(xué)生是否能靈活應(yīng)用凸透鏡成像的原理.當(dāng)注入水后，水和凸透鏡共同組成了一個(gè)新的凸透鏡，這個(gè)新透鏡的焦距變化的判斷是解題的關(guān)鍵.雖然分析法、實(shí)驗(yàn)法、作圖法、分割法等方法都能判斷出新凸透鏡焦距的變化，從而推斷光源移動(dòng)的方向，但對(duì)于初中生思維水平，實(shí)驗(yàn)教學(xué)法更適用.“千言萬語說不清，一看實(shí)驗(yàn)就分明”.實(shí)驗(yàn)直觀化教學(xué)，能幫助學(xué)生實(shí)現(xiàn)從抽象思維向形象思維順利過渡，破解抽象性思維的障礙，我們要充分發(fā)揮實(shí)驗(yàn)在初中物理教學(xué)中的重要作用.

二是教學(xué)中要注重培養(yǎng)學(xué)生的思維品質(zhì)，尤其要加強(qiáng)質(zhì)疑與批判性思維的培育.在初中物理教學(xué)中，要培養(yǎng)學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)來尋求真理的意識(shí)，通過自己動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，根據(jù)現(xiàn)象得出結(jié)論，來彌補(bǔ)自己理論知識(shí)的不足.通過合理猜想、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、分析論證、得出結(jié)論，不斷完善自己的知識(shí)體系.教師在教學(xué)時(shí)，特別是培優(yōu)拓展教學(xué)，不但要夯實(shí)基礎(chǔ)知識(shí)，還要培養(yǎng)學(xué)生遷移知識(shí)的能力.當(dāng)遇到復(fù)雜的問題時(shí)，學(xué)生能通過拆解問題、搭臺(tái)階，化難為易.逐步提升思維品質(zhì)，真正實(shí)現(xiàn)以提升學(xué)生思維能力為目標(biāo)的物理教學(xué).

三是教師要不斷加強(qiáng)自身專業(yè)素養(yǎng)的提升，努力提高學(xué)科教學(xué)水平.我們廣大教師要有終身學(xué)習(xí)、終身發(fā)展的現(xiàn)代學(xué)習(xí)理念，因?yàn)樘幱谛畔⒓夹g(shù)飛速發(fā)展的新時(shí)代，各種新理論、新方法層出不窮，學(xué)生獲取知識(shí)與信息的渠道、途徑和方法多種多樣，這些信息源可能良莠不齊，需要我們教師把好關(guān)、搭好脈，這對(duì)教師提出了更高的要求.著名學(xué)者羅洪斌曾說“你一旦今日停止成長(zhǎng)，明日你就必須停止教學(xué)”.處在當(dāng)今信息化社會(huì)的教師，只有不斷學(xué)習(xí)，終身學(xué)習(xí)，提高自身學(xué)科專業(yè)素養(yǎng)，才能適應(yīng)未來教育的需要.