李中土

幾何光學(xué)的知識，直觀明了，淺顯易懂，學(xué)生也容易掌握。在教學(xué)上我主要采取介紹有關(guān)的物理概念，讓學(xué)生清楚生活中可見到的光現(xiàn)象的物理名稱，如光線等等;然后通過演示實(shí)驗(yàn)或分組實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生注意觀察實(shí)驗(yàn)中的現(xiàn)象，也就是像，根據(jù)光的傳播路徑做出幾何光路圖，再利用幾何知識，分析總結(jié)出幾何光學(xué)的成像規(guī)律。在教學(xué)方式上，主要采用啟發(fā)式教學(xué)與探究式教學(xué)法，調(diào)動學(xué)生主動思考、主動去探究規(guī)律，從而更加牢固地掌握有關(guān)幾何光學(xué)的知識。

一、幾何光學(xué)入門的知識點(diǎn)

光對于人來說，跟空氣一樣，一生下來就開始接觸了，十分熟悉，然而又非常陌生。人們對光的本質(zhì)問題爭論不休，直到二十世紀(jì)初才統(tǒng)一了光的本質(zhì)是波粒二象性的認(rèn)識。初中學(xué)生剛接觸光學(xué)，我們要從最簡單的光知識入手，首先要解決光從哪里來的問題。光是從光源發(fā)出的，然而光源是這樣定義的：“能發(fā)光的物體就叫光源”。能發(fā)光的物體，學(xué)生很容易辨別出來，這點(diǎn)不用質(zhì)疑。而有很多平時(shí)不會自己發(fā)光的物體，我們也能看到它們，說明它們也能發(fā)光，即是光源。學(xué)生就不那么容易理解了，那么作為教師就要做好分析釋疑的工作，講解這些物體自己不會發(fā)光，但是在白天它們能反射太陽光，反射的太陽光進(jìn)入我們?nèi)说难劬?，我們就能看到它們了。所以廣義上來講，光源應(yīng)包括能發(fā)光和反射光線的物體;其次要了解光的傳播，很容易通過一些小實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證，光在同一種均勻介質(zhì)里的傳播路徑是直線;第三就是要讓學(xué)生清楚，光的傳播速度很快，晚上手電筒照到哪里，哪里就亮起來，進(jìn)屋一打開電燈的開關(guān)，房間就馬上亮起來，都說明光的傳播速度是很快的，到底有多快呢？可以讓學(xué)生知道光速的數(shù)值，光在空氣中的傳播速度跟在真空中的速度接近，等于3×108 m/s。這個(gè)速度相當(dāng)于每秒鐘可以繞地球赤道七點(diǎn)五圈。

對于剛學(xué)習(xí)光學(xué)知識的學(xué)生來說，還有一點(diǎn)必須弄清楚，就是我們?nèi)说难劬獾恼J(rèn)識。人體的眼睛只有光線直接進(jìn)入它，眼睛才能看得到;沒有進(jìn)入它，眼睛就看不到。這就是所謂的光的直進(jìn)原理。舉一個(gè)例子，人不能看到身后來的物體，就是因?yàn)樯砗蟮奈矬w反射的光線不能直接射入人的眼睛。再如在太空中的宇航員，背對著太陽看太空，是漆黑一片。學(xué)生了解了這些知識，對于幾何光學(xué)成像的學(xué)習(xí)是有很大的幫助的。因?yàn)橛袝r(shí)候“光線”也會欺騙我們，并不是都是眼見為實(shí)，也有眼見為虛的。再者，光在傳播過程中并沒有留下軌跡，我們?yōu)榱搜芯抗獾姆奖?，根?jù)光在同一種均勻介質(zhì)里的傳播路徑是直的這個(gè)結(jié)論，“用帶有箭號的射線來表示光的傳播路徑及方向，稱作光線。”光路是可逆的，即光可以沿某一方向傳播，也可以沿相反的方向傳播。

二、幾何光學(xué)的幾種成像現(xiàn)象

初中物理學(xué)里的幾何光學(xué)，就是專門研究光的傳播過程中的變化規(guī)律。這些變化規(guī)律很容易通過實(shí)驗(yàn)的方法來驗(yàn)證，并通過數(shù)學(xué)的幾何知識做圖表示出來，既直觀又生動，學(xué)生也很容易接受和掌握。 其中一個(gè)是 反射定律：“反射光線、入射光線與法線在同一平面內(nèi);反射光線和入射光線分別在法線的兩側(cè);反射角等于入射角。”根據(jù)光的反射定律，做出光路圖，就很容易得到平面鏡成像的規(guī)律：“平面鏡成的是虛像，像與物體的大小相同，像到平面鏡的距離與物體到平面鏡的距離相等，像與物體相對平面鏡對稱。”平面鏡是利用光的反射定律來成像的，與之相似成像原理的還有凸面鏡、凹面鏡、哈哈鏡等，在日常生活、生產(chǎn)、娛樂中也很常應(yīng)用到。

另一個(gè)是折射定律：“光從空氣折射到水中時(shí)，折射光線、入射光線、法線在同一平面內(nèi);折射光線和入射光線分別位于法線的兩側(cè);折射角小于入射角，折射角隨入射角的改變而改變，入射角增大，折射角也增大;入射角減小，折射角也減小。”通過做光路圖，也很容易說明折射成像的現(xiàn)象。例如潛水員在水中看岸邊的樹木比真實(shí)的高大，裝滿清水的桶底看起來比真實(shí)的淺等等。解釋上面這些成像的現(xiàn)象都要用光的直進(jìn)原理。也就是說要畫出虛光線（虛像是虛光線會聚的點(diǎn)，即不是真實(shí)的光線會聚的點(diǎn)）。

幾何光學(xué)成像還有一種很重要，那就是透鏡成像（薄凸、凹透鏡）。透鏡的應(yīng)用范圍更廣，科技含量也高，在軍事、生產(chǎn)、生活、娛樂等等諸多領(lǐng)域里都有應(yīng)用。它的成像原理也是由于光的折射產(chǎn)生的，其成像規(guī)律也復(fù)雜一點(diǎn)，所以我就側(cè)重來談?wù)勍雇哥R成像規(guī)律的教學(xué)。

三、凸透鏡成像規(guī)律的教學(xué)

在上課前，先布置學(xué)生預(yù)習(xí)新課的內(nèi)容，了解和掌握凸透鏡的幾個(gè)基本概念。并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案。

上新課時(shí)，老師出示手中的凸透鏡問學(xué)生，它是什么？我們在日常生活中哪些設(shè)備上還見過它？引導(dǎo)學(xué)生回答出在照相機(jī)、投影儀上見過它。并告訴學(xué)生：“我國古代的勞動人民在很久以前就知道用冰磨成它的樣子，來取火?！彼拿纸惺裁茨?？

它的名字就叫凸透鏡。

請同學(xué)們觀察一下實(shí)驗(yàn)桌上的凸透鏡（焦距為5cm）。組織學(xué)生觀察、討論分析得出凸透鏡的形狀特征。并板書：凸透鏡：中間厚，邊緣薄的透鏡。

提問：我們知道了光的折射規(guī)律，那么光線穿過凸透鏡時(shí)會發(fā)生什么現(xiàn)象呢？

在光具座上演示：平行光源發(fā)出的光線經(jīng)過凸透鏡折射后會聚于一點(diǎn)。結(jié)合實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象介紹凸透鏡又叫會聚透鏡、凸透鏡的光心、焦點(diǎn)、焦距和主光軸。

讓學(xué)生拿著凸透鏡近距離地觀察書上的字，學(xué)生會看到字被放大了，提問：通過凸透鏡看到的物體都是放大的嗎？

然后讓學(xué)生拿著凸透鏡慢慢地遠(yuǎn)離書上的字，或者觀察遠(yuǎn)處的物體。學(xué)生通過觀察得知：物體通過凸透鏡發(fā)生了變化，遠(yuǎn)處的物體變小了，而且倒著。近處的物體只是被放大了，正倒沒有發(fā)生變化。

引導(dǎo)學(xué)生思考：用同一個(gè)凸透鏡觀察不同的物體時(shí)，為什么有的放大，有的縮小，有時(shí)倒立，有時(shí)正立呢？使學(xué)生進(jìn)入探索的物理情景當(dāng)中。

帶著對凸透鏡的感性認(rèn)識，開始引導(dǎo)學(xué)生探究實(shí)驗(yàn)。介紹光具座、物體到透鏡中心的距離簡稱物距（u）、像到透鏡中心的距離簡稱像距（v）。老師演示引導(dǎo)學(xué)生調(diào)整光具座，調(diào)到蠟燭的火焰、凸透鏡的光心、光屏在同一高度（跟凸透鏡主光軸重合），讓學(xué)生明確只有當(dāng)光屏上得到特別清晰的像，這時(shí)光屏的位置才是像的位置，光屏到凸透鏡中心的距離就是象距。這時(shí)讓學(xué)生分組動手實(shí)際操作實(shí)驗(yàn)，改變蠟燭的位置（物距），通過移動光屏得到清晰的象，量出物距和象距，熟練實(shí)驗(yàn)操作，老師來回巡視指導(dǎo)。

學(xué)生對實(shí)驗(yàn)操作有了感性認(rèn)識后，這時(shí)讓學(xué)生匯報(bào)預(yù)習(xí)時(shí)設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案，學(xué)生可能有各種各樣的計(jì)劃，讓他們自己小組內(nèi)討論決定使用哪一種方案。開始讓學(xué)生根據(jù)預(yù)習(xí)時(shí)制定的實(shí)驗(yàn)計(jì)劃做分組實(shí)驗(yàn)。要求學(xué)生不管用何種方案都要做好記錄：像的性質(zhì)、物距、像距。教師繼續(xù)指導(dǎo)學(xué)生實(shí)驗(yàn)。

經(jīng)過一段時(shí)間的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生中大致會出現(xiàn)三種情況：A. 沒有找到像;B. 找到了放大的像，卻找不到縮小的像;C. 光屏上燭焰的輪廓不清晰，學(xué)生也認(rèn)為是像。對這幾種情況，老師稍加提示，移動光屏和蠟燭，就可以找到清晰的像了。

通過學(xué)生根據(jù)自己設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案做了分組實(shí)驗(yàn)，動手能力和協(xié)作能力大大增強(qiáng)了，已經(jīng)能熟練實(shí)驗(yàn)操作。這時(shí)老師再統(tǒng)一要求學(xué)生根據(jù)下表的物距，依次做實(shí)驗(yàn)，并記錄像的性質(zhì)和像距。

在做物距等于3cm、5cm的實(shí)驗(yàn)時(shí)，學(xué)生怎么移動光屏也不能在光屏上得到清晰的像。老師提示，移開光屏，從光屏側(cè)通過凸透鏡看蠟燭的火焰，學(xué)生就會恍然大悟。等學(xué)生做完這幾個(gè)實(shí)驗(yàn)，記錄好實(shí)驗(yàn)記錄后，老師開始提出：凸透鏡成像有放大的、縮小的像;也有實(shí)像、虛像。要成什么性質(zhì)的像跟什么因素有關(guān)呢？讓學(xué)生分析實(shí)驗(yàn)記錄的數(shù)據(jù)自己總結(jié)實(shí)驗(yàn)規(guī)律。

學(xué)生開始分組討論實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)規(guī)律，很快就能總結(jié)出，在物距等于5cm和10cm時(shí)是分水嶺，都紛紛舉手發(fā)言表明自己發(fā)現(xiàn)的規(guī)律：物距越大，像距越小，物距越小，像距越大;物距小于5cm時(shí)，成放大的正立的虛像;物距大于5cm時(shí)，成倒立的實(shí)像;物距大于5cm小于10cm時(shí)成放大的倒立的實(shí)像;物距大于10cm時(shí)，成縮小的倒立的實(shí)像。

老師充分肯定學(xué)生總結(jié)出來的規(guī)律。然后再引導(dǎo)學(xué)生注意，5cm、10cm這兩個(gè)數(shù)據(jù)的特殊性，它們是這次實(shí)驗(yàn)的凸透鏡的一倍焦距和兩倍焦距。換成焦距不一樣的凸透鏡（如焦距是10cm），那么它的分水嶺也是凸透鏡一倍焦距和兩倍焦距，即10cm和20cm。

最后老師綜合學(xué)生得到的結(jié)論總結(jié)得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論——凸透鏡成像規(guī)律，并板書。凸透鏡成像規(guī)律總結(jié)出來以后，告訴學(xué)生光線透過凸透鏡以后發(fā)生了偏折，其中有三條特殊光線：1. 平行于主光軸的光線經(jīng)過凸透鏡后會聚于焦點(diǎn);2. 通過光心的光線不改變方向;3. 通過焦點(diǎn)的光線經(jīng)過凸透鏡后平行于主光軸。

在凸透鏡成像規(guī)律的探究過程中，通過給學(xué)生創(chuàng)設(shè)問題的情景，充分調(diào)動學(xué)生的積極性，使學(xué)生去討論、去猜想、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案并動手做實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生成為凸透鏡成像規(guī)律的“發(fā)現(xiàn)者”、課堂的主人翁。在整個(gè)教學(xué)過程中，教師是學(xué)生的合作者、引導(dǎo)者和參與者。教學(xué)過程是師生交流、共同發(fā)展的互動過程。當(dāng)學(xué)生遇到困難時(shí)，教師和學(xué)生一起猜想、分析，從中點(diǎn)撥其思維。這節(jié)課教學(xué)的真正目的是讓學(xué)生探索規(guī)律，獲得研究問題的思維方法，然后通過方法的獲得以及運(yùn)用方法探索、創(chuàng)造的過程，使學(xué)生形成對科學(xué)研究有親近熱愛、和諧相融的情感，具有樂于探索物理現(xiàn)象和日常生活中的物理學(xué)原理的科學(xué)精神。因此，本節(jié)課將把思維程序作為貫穿整個(gè)教學(xué)過程的主線，教給學(xué)生一種研究問題的思維方法，從而培養(yǎng)學(xué)生的多種能力，尤其是創(chuàng)造能力，達(dá)到教學(xué)的真正目的。

總之，幾何光學(xué)的成像規(guī)律，沒有高深的理論，都是平時(shí)就能碰到的現(xiàn)象，學(xué)生也經(jīng)常在應(yīng)用，只是不知道有這樣的物理規(guī)律而已。通過教學(xué)，學(xué)生突然明白了這么多的物理知識，就能解釋日常的光現(xiàn)象，有一種成就感，同時(shí)也提高了物理的學(xué)習(xí)興趣。學(xué)生通過這樣的探究學(xué)習(xí)，對知識的理解和應(yīng)用的能力大大增強(qiáng)，有助于學(xué)生提高學(xué)習(xí)物理的積極性。