光学中几何画板应用实例分析
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光学中几何画板应用实例分析
GSP(几何画板的简称)以其动态几何特性,对于处理中学物理中的光学问题(几乎全部是几何光学)可以说得心应手。以下是我在使用GSP处理几何光学问题是的几点体会。
在GSP中菜单中的反射即相当物理光学中的平面镜成像。GSP以其动态几何特点可以非常方便的表示/模拟平面镜成像。对于这一点我们就不再赘述了。
和平面镜相对应,可以利用GSP动态讨论球面镜的焦点的位置问题。
例、构造水平直线L,线L上一点Q;构造过AQB的弧C
构造弧C的圆心O
构造C上的点D,构造直线OD即法线
通过D做直线L的平行线(入射光线),构造其关于法线的反射线(反射光线)。做出轨迹如图。
QABOD
通过以上操作,可以拖动Q点观察焦点F和圆心O的变化,或拖动A改变圆弧来观察各个物理量的变化。一方面,可以直观的反应球面镜的焦点的位置和球面镜的圆心位置关系;另一方面可以动态的研究球面镜的焦点的特点——并非严格的一点(当弧长非常小时)。利用GSP可以说全面的反应了光学的几何特性。
利用GSP还可以方便的研究、处理透镜成像问题。
在高中几何光学中,透镜成像一直是教学的重点和难点,下面我以凸透镜成像以及成像的变化规律来讲一下如何用GSP解决透镜成像问题。
在高中物理讲义第二册,第28章第一节中,研究了透镜成像规律,对于第一部分关于凹透镜的成像规律较为复杂,但是有成型的演示实验,实验的效果也较好,但是涉及到具体的数量关系(焦距),则稍显不足。这里我们主要研究物距与焦距的变化导致像的变化的规律。
构造直线L,在直线上取一点Q
过Q做直线J,在直线J上取一部分AB作为凸透镜
构造焦点F、F‵ 构造物体(箭头)
做二条光线:平行主光轴的(过透镜后,经过焦点)、过光心的(方向步变)。两条光线的交点就是像点。如图所示
vuAB改变焦距ff '2f2f '改变物距Q透镜剖面透镜符号物体垂直物体偏斜
通过这样一个简单的课件可以科学的反应许多光学知识
1、 通过物距的改变,观察像距、像的大小的变化
2、 通过焦距的改变,观察像距、像的大小的变化
3、 如果本图在课堂上一边讲解一边制作,使学生更加进一步的理解光学的几何特性,熟悉几何光学的作图方法,为下一节的课程打下良好的基础
4、 本软件还可以解决以往实验以及讲解所不能够解决的问题:如果物体发生片斜,那么像将会怎样变化?看看下图,你就会理解的
vuAB改变焦距ff '2f2f '改变物距Q透镜剖面透镜符号物体垂直物体偏斜 5、 本软件还可以进一步的讨论成虚像的问题只要将物距变为小于一倍焦距,像自然就变为虚像了(如图)。完全符合物理规律,且最关键的是不再是我们伪造的物理实验。
vuABff '2f2f 'Q透镜剖面透镜符号物体垂直物体偏斜
同样,利用GSP还可以讨论透镜焦点的位置,对透镜有动态的理解。
如图,构造直线L,在L上取一点P,过P作线段AB,(凸透镜)
构造入射光线J,设定折射律N=2.1,构造折射光线,(如图)
通过以上操作,可以拖动P点的位置观察焦点F和圆心O的变化,或拖动A点来改变弧长观察焦点F和圆心O位置关系的变化。一方面可以直观的反应球面境的焦点(平行于主光轴的光线经球面镜的交点)的位置和球面镜圆心的位置关系;另一方面可以动态研究球面镜的焦点的特点(并非严格的一点,只有在弧长很小时)。通过GSP对几何光学的处理,可以说一方面把GSP的动态集合的特性表现得淋漓尽致,另一方面又反映了光学的几何本质。
通过GSP还可以把一些实际生活中很难实现的物理过程转化成理想实验在GSP下进行讨论。例如刚才我们所说的倾斜物体通过凸透镜时的成像问题。
通过以上的讨论,我们可以看出,与传统的CAI教学软件相比GSP在研究几何光学方面有着不可比拟的优势,那就是: 1.简单 2.准确 3.易懂 4.易用 5.能够更加直观的表示物理规律
以上是我对GSP操作平台的一点肤浅的认识,写出来与同好探讨,希望能够对我们的物理教学起到一定的推动作用。