探索"猫眼"的内部结构

第24卷总第269期物 理 教 学 探 讨Vol.24 No.269探索/猫眼0的内部结构

徐敬标1,张伟2

南京晓庄学院教育科学学院,江苏省南京市210038

南京大厂高级中学校, 江苏省南京市210044

1 实验设计

【器材】

/猫眼018个,窗纱18块。【目标】1、观察现象,探索/猫眼0的内部结构。2、在实验研究的过程中体验探索。【要求】猜测/猫眼0的内部结构及对猜测的结果进行论证。2 教学过程

(1)提出问题

许多居民住宅的门上安装有/猫眼0,室内的人眼睛贴近/猫眼0可以看到/来访者0,而/来访者0在室外无法通过/猫眼0看到室内的动静。这是为什么呢?

给每个小组发一个经过处理的成品/猫眼0(使其不易被学生打开)、一小块窗纱,并要求各小组学生对/猫眼0进行观察研究。

(2)学生探索

观察发现:(生)①从/猫眼0一端可看到物体的像,而从另一端眼睛无论距/猫眼0是远,还是近,都看不清物体的像。②看到物体的像是正立、缩小的。③用/猫眼0对着窗子观察窗纱。发现窗纱的像非常有趣,并且得到:当物体距/猫眼0非常近时,物体的像也可能是正立、放大的。

猜测假设:(师)我们把/猫眼0看成一个光学黑箱,猜猜/猫眼0的内部结构。

(生)假设:①/猫眼0内部可能是由一个凸透镜组成。②/猫眼0内部可能是由一个凹透镜组成。③/猫眼0内部可能是由一个面镜(凸、凹、平面镜)组成。④/猫眼0内部可能是由两个凸透镜组成。⑤/猫眼0内部可能是由两个凹透镜组成。⑥/猫眼0内部可能是由一个凸透镜和一个凹透镜组成。

进行讨论:(生)推测:由于物体距/猫眼0的远近不同,所成的像也不同,但都是正立的像。可推出:/猫眼0的内部不可能只有一个凸透镜或只有一个凹透镜。从而否定了假设①和②。物体经面镜所成像在镜子的另一面无法看见,由此得

/双凹组0:

学生用计算机模拟出光路图如图2所示。知:/猫眼0内部不可能有面镜,否定了假设③。

学生进一步观察发现:/猫眼0两端玻璃镜间的距离大约是2cm~3cm。这更加肯定了/猫眼0的内部应该是两个透镜,而不是一个。经讨论学生肯定了以上④⑤⑥三种假设较合理。究竟哪一个或几个是正确的呢?

设计方案:

根据各自支持的假设将学生分成三个大组,即/双凸组0、/双凹组0和/凸凹组0。

方案:用两个凸透镜、两个凹透镜或进行组合后进行观察,若观察到的现象与观察/猫眼0所看到的现象相同,则说明该透镜组合与/猫眼0内部透镜组合相似。同时学生学过《几何画板》软件,提出用计算机来做模拟实验。

(师)充分肯定学生提出方案的可行性。让各组学生利用课余时间到计算机室进行模拟实验,并于一周后进行汇报。

实施过程:/双凸组0:

学生用计算机模拟出光路图如图1所示。实验结果:调整透镜使其相距2.80cm。物距离透镜较近,物在双凸透镜的另一侧可能成放大、缩小正立的像或成倒立的像。物距离透镜较远,且两透镜的焦点重合时,物在两透镜间或在

物的一侧成倒立的放大的像。

Vol.24 No.269物 理 教 学 探 讨第24卷总第269期 实验结果:使两透镜的距离定为2.80cm,无论物距离透镜是远还是近,也不论两透镜的焦距怎样变化,物体经两透镜所成得像均在两透镜之间,

并且像是缩小的。

结果2:保持透镜之间的距离、凹透镜的焦距不变,使凸透镜的焦距大于3.30cm,物体处在凹透镜的一倍焦距以外,其像为缩小的虚象,并与物体在凹透镜的同侧,如图5

所示。

/凸凹组0:

物体可能在凸透镜的前方也可能在凹透镜的前方,分两种情况考虑:

(1)物体在凸透镜的前方。学生用计算机模拟出光路图如图3所示。

实验结果:设定透镜之间的距离(2.80cm)、凹透镜的焦距(1.00cm)和凸透镜的焦距(3.86cm)不变,使物体在距凸透镜305.99cm的范围内移动,发现物体的像均在距凹透镜10.03cm的范围内,

并且为正立的像。

(3)交流诊断

一周后,三个组学生分别汇报了他们的实验结果,但都认为他们的假设有问题,因为无法完整解释用/猫眼0观察到的三个现象。学生感到困难。

(生)最难解释的现象是:为什么从/猫眼0的另一端看不到物体的像?

(师)当你拿一只铅笔放在眼前移动,在什么位置你就看不清楚了呢?

(生)有的同学立即意识到眼睛的明视距离(25cm)。

(师)人眼具有调节自身焦距大小的能力,但调节的限度是有限的。眼睛经过调节所能够看清物体的最短距离叫做/近点0,正常人的近点约为10cm左右。即要清楚地看到物或像,物或像与眼睛的距离必须在观察者的/近点0以外。

(2)物体在凹透镜的前方。学生用计算机模拟出光路图如图4和5所示。

结果1:设定凹透镜的焦距为1.00cm,两透镜的距离为2.80cm,当物体处在凹透镜的一倍焦距以内,且凸透镜的焦距大于等于3.30cm时,物体成的像为放大正立的虚象,并与物体在凹透镜的同侧,图4所示;凸透镜的焦距小于3.30cm时,无论物体处在什么位置,物体经透镜成得像与物体在透镜的两侧,

并且为倒立。

交流(生):再次分析讨论推测出结果:/猫眼0内部不可能由两个凸透镜组成;/猫眼0内部不可能由两个凹透镜组成;/猫眼0内部由一个凸透镜和一个凹透镜组成,并且凹透镜朝门外凸透镜朝门里;凸透镜的焦距比凹透镜的焦距大3.86倍以上;通过/猫眼0看到物体的像是虚象;人能够看清物体的条件是:第一,物体(或物体的像)一定在/近点0以外。第二,物体(或物体的像)足够亮,以至有足够的光进入人眼。第三,物体(或物体的像)不能太小,太小人眼无法分辨。

评价(师):通过对/猫眼0这个光学黑箱的探索,学生体验了/发现0的全过程。

同时提出建议:有余力的同学可再进行以下问题的研究:①假定凸透镜的焦距为1.00cm,凸凹镜的距离为2.80cm,/猫眼0对物成象又怎样?②你能看清无穷远处的物体吗?3 一些思考

第24卷总第269期物 理 教 学 探 讨Vol.24 No.269在电容器实验中培养学生的实践能力

李琪宏

西安建筑科技大学附属中学,陕西省西安市710055

高中《物理》中电容器的电容和电容器存储电荷量是比较抽象的概念,教师难以讲解,学生难于理解接受。笔者设计了一项综合实验)))测量电容器的电容值,将抽象的电容、电荷量、电流的概念,通过实验现象与测量操作过程形象地展现给学生,并有益于培养学生综合实践能力。

电容器电容值的大小反映了电容器对电荷的储存能力。不同大小的电容器电容值的测量方法有所不同,本文介绍一种大电容器电容的测量方法。

1 设计实验的目的

(1)通过实验教学培养学生综合实验能力。即可行性分析能力、观察能力、实验动手操作能力和采集有效数据的能力。

(2)通过对电容器带电量Q、电压U和电容器充电电流I的测量,明确C=Q/U和Q=It的物理意义。

(3)培养学生分析实验中误差的主要来源及减小误差方法的能力。2 实验设计思想

根据电容的定义C=Q/U,如果知道U的值,并想办法把Q值测出,则电容器的电容量也就可以计算出来了。

测量电容量可以有多种方法,但对中学生来说,通常是依据Q=It,通过测量电容器充电或放电过程中不同时刻电流的大小,绘制I-t图像,然后计算I-t曲线与坐标轴包围的面积,该面积就是电容器充电量Q值。

[1]

程电流I保持不变,测量电容器充电时间t,从而利用Q=It简单地测量并计算出Q呢?笔者通过对大电容器电容的测量设计,证实这种设想是完全可行的。

3 测量电路中各元件参数的选择

该实验的实现,应当合理选择电容器电容值、电流表的量程及变阻器阻值。

(1)电容器的电容值应非常大,这样才能保证充电时间较长,可用秒表计时,且使时间测量误差很小。

(2)电流表应选择适当的量程,以便充电过程能够较准确地观察和测量充电电流。

(3)配合电容器和电流表的选择,恰当地选择充电电路中串接变阻器的阻值,使得充电过程中能够较容易地通过调节变阻器,使充电电流保持不变化。

根据以上原则,选择0.22F/16V大电容器,用10mA(内阻约1008)的表头测量电流,变阻器选用1.5k8多圈旋转式电位器。4 实验题目

用如下给定仪器及用具测量电容器的电容值:学生稳压电源一台,电位器(旋转式变阻器)一个,秒表一个,单刀双掷开关一个,电流表一个,

待测电容器一个。

要求学生完成:1.根据测量电路如图1所示,简述测量步骤;

2.通过多次测量求平均值测量待测电容器的电容值;

这种测量电容量Q的方法,测量数据多,绘制图像及数据处理复杂。能否使得电容器充电过 通过实验教学拓展来实现物理理论和方法的创新,不仅培养学生的实验设计创新能力和运用原有理论和方法进行移植应用的能力,还使教师受益匪浅。

因为:

(1)在教学的各个环节中,重视探索的过

程。学生受到了探究科学的体验和经历的熏陶,掌握了正确的学习方法和思维方法。

(2)在教学目标上重视了学生的全面发展,将知识与能力并重,学习与创新并重。

(3)正确处理好教学中的师生关系:学生是主角,教师是导演。

(栏目编辑 王柏庐)