由一道習題引發的實驗探究與思考

王 路

(泰州市姜堰區實驗初級中學 江蘇 泰州 225500)

由一道習題引發的實驗探究與思考

王 路

(泰州市姜堰區實驗初級中學 江蘇 泰州 225500)

一道經典習題，因對平行于透鏡主軸的光線經透鏡折射后形成亮斑的差異認識不足，被誤講多年.本文以實驗為依據，對其中的問題精準剖析.

習題 凸透鏡 凹透鏡 亮斑 光斑

在一次平時作業中，出現了這樣一道習題：

如圖1所示，N是一個水平放置的長方形暗盒，盒內有水平向右的平行光，P為暗盒右側平面上的一個圓孔，M是一個與暗盒右側平面平行的、相間一定距離的光屏，若用一個外徑與圓孔P相同的光學器件嵌入其中，發現在光屏M上呈現出一個比圓孔P大的圓形光斑，則嵌入圓孔P的光學器件是( )

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 一道習題的題圖

這道題是1998年江蘇省蘇州市的一道中考題，后來一直被不少教師選用作習題，所提供的參考答案就是C，也從未有人對本題的題設和答案提出過質疑．

顯然，本題答案選C的理由是：

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

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

圖2 想象中的凸凹透鏡的光斑

一直以來，很多教師都是這么講解的，筆者以前也都這么認為．

有一個實驗事實引起了筆者對本題的質疑——這就是基于如圖3所示的實驗結果！

圖3 近視鏡對直射陽光形成四周有光圈的陰影

將近視眼鏡正對著太陽，在地面附近的上方上下移動眼鏡，會在地面看到一個“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”，而是一個四周有光圈的陰影！把照片拿給學生一看，學生會立即明白過來——凹透鏡對平行于其主軸的光線發散的效果是：折射光線被發散到四周而形成亮斑、中間幾乎沒有折射光線的暗斑！

盡管有這個親自實驗的結果為依據，但仍有不少同行堅持原來的看法——他們對上述的實驗事實不以為然，因為這顯然與他們腦海里“平行光被凹透鏡發散后應均勻分布于與透鏡平行的光屏上”想象是不符合的．

因此，筆者想到用實驗來驗證一下自己的判斷．請看圖4中4幅照片．

圖4 實驗驗證

這4幅照片是筆者在實驗室邊實驗邊拍攝的，分別是用同一平行光源(學生實驗用)先后直接照射在光屏[圖4(a)]、通過凸透鏡會聚于光屏[圖4(b)]、光屏遠離凸透鏡后光線經過焦點后分散開來[圖4(c)]及經過凹透鏡發散后形成的“亮斑”[圖4(d)]的情形，顯而易見，第四幅圖中的亮斑與前三幅明顯不同，據此發現，平行于透鏡主軸的光線經凸

透鏡和凹透鏡折射后形成的光斑差異顯著，如果學生和老師有如此認識，那么上面這道習題提供的各個選項的說法就值得商榷了——因為光斑形狀明顯不同，那么根據光斑大小判斷透鏡類型使本題提供的選項存偽．因為實際實驗中當圓孔P中分別插入凸透鏡和凹透鏡后形成的“亮斑”應如圖5所示，因此將本題提供的選項換為通過“亮斑”類型的不同來識別透鏡種類更符合實驗事實．

圖5 平行光通過凸凹透鏡后應形成的“亮斑”

綜上，筆者對上述習題的處理提幾點建議：

首先，建議引用了此題的所有資料在改編時及時裁減此題，因為它在題干中提供的選項并非基于實驗事實中的物理現象，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驗事實，不能想當然．事實上，中學生在解答物理問題時常常發生“想當然”式的錯誤，也許正跟我們教學中對一些物理現象缺少真正的研究，而是簡單代替以“理論推測”的做法有關．

第三，作為教師，在面對此類可以進行實驗驗證的習題時，應當秉持實事求是的科學態度，不能用“直覺和所謂的理論分析”否認實驗事實，這不是科學的治學態度，也不利于培養學生尊重科學、實事求是的學習和研究態度．

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)