初中物理疑问研究两例

初中物理疑问研究两例新古北中学金曼一、10牛的水能产生20牛的浮力吗？——深究“阿基米德原理”阿基米德原理是描述浮力的一条重要规律，也是现行初中物理教学的一个重点内容。这一原理的核心内容是：浸在液体中的物体受到的浮力的大小等于物体排开的液体所受的重力。其表达式可以写成：F浮=G排=ρgv排字面上，并不难理解其含义：以木块和水为例，木块放到水里，排开10牛的水，那就受到10牛的浮力。那么，10牛的水能产生20牛的浮力吗？思考一：根据阿基米德原理，木块放入水中所排开的水的重力与木块所受到的浮力相等，那么假定木块将这10牛的水全部排开，也只能得到10牛的浮力，如何能得到20牛的浮力呢？答：不能。思考二：如图1所示，杯中装有10牛的水（图a），木块放进后浮在水面上（图b）。浸没在水中的体积为V排，外面包围着木块的水的总体积为V水，V排不仅可以大于V水，还可以远大于V水。而体积为V排的水的重力就等于木块受到的浮力，因此，木块受到的浮力不仅可以大于10牛，也可以远大于10牛。答：能。以上两种想法似乎理由都很充分，却得到截然不同的结果。哪里出了问题呢？深究之后，茅塞顿开。看下面的图2：当木块放入水中后，水面从V1升到V2，我们认为V排=V2—V1这就是木块浸没在水中的体积，即图b中四边形EFCB所占据的体积，没错。但是，当木块放入水中后所“挤开”（这里用“挤开”，是为了与原理中“排开”区别）的水是多少？也就是说，原来a图中的水有哪能些给木块让了路，腾出地方给了木块了呢？对照a、b两图不难发现，图b中占据四边形ABCD中体积的由原来的水换成了木块，也就是说，ABCD中所示的体积的水给木块让了路，木块放入水中后，“挤开”了这些水。那么，阿基米德原理中的“排开的液体”的体积是哪些呢？对，是指木块“浸在水中”的体积，即图b中四边形EFCB所占据的体积。故而，我们在这里所说的“挤开”的水与阿基米德原理中所“排开”的水，并不是同一个意思。图1abV水V排V水图2abV2V1ABCDEF综上所述，阿基米德原理（浸在液体中的物体受到的浮力大小等于物体排开的液体所受的重力）中，“所排开的液体”的体积是指当物体在液体中时，浸在液体中的那部分体积，它并不等于物体放入液体中前后所实际“挤开”的液体的体积。这里又出现了一个问题：我们在探索阿基米德原理的实验中，不正是将“排开的”水实际“挤了”出来，并测出其重力，证明这重力的大小与物体在水中受到的浮力相等的吗？考虑实验中所用的器皿：溢水杯。在物体放入水中之前，溢水杯中的水是满的，物体放入水中后，溢水杯中的水还是满的，因此，物体“排开”的水与“挤开”的水就全都流到了外面的小杯子里，即：两者就的确是相等的了。二、眼睛直接看到的实像——从一个凸透镜成像现象深究实像的性质（一）、问题提出上教版初中物理八年级课本第38页，有两张照片，是一个盛水的球形烧瓶映出一个男孩子的两张面孔，一张正立的，一张倒立的，照片下的问题是：盛水烧瓶相当于一个凸透镜，图中显示的人头是实像还是虚像？凸透镜成像是初中物理光学中的一个重要内容，同时也是学生学习的一个难点。凸透镜成像的规律是：1）当物距大于两倍焦距时，在透镜另一侧的焦距和两倍焦距之间成一个倒立缩小的实像；2）当物距在焦距和两倍焦距之间时，在透镜另一侧的两倍焦距以处成一个倒立放大的实像；3）当物距小于焦距时，在透镜同侧成一个正立放大的虚像。上面两张照片中第一张容易解释：属于成像规律中的第三种情况，成一个正立的虚像，像与物体在透镜的同侧。而第二张呢？看起来好像是一个倒立的、缩小的虚像，而且还与物体在透镜的同侧！将凸透镜对着窗户，透过透镜我们还是可以看到同样的景象：一个倒立的缩小的窗户。与凸透镜成像的规律相对照，凸透镜不应该成倒立的虚像。那么，为什么我们会看到这样一个像？这到底是实像还是虚像？是怎样形成的像？（二）、实验初探起初，与其他教师讨论，有人认为是二次成像，可能是某一个面反射成的；也有人说，初中课本上学的凸透镜是指薄透镜，现在看到的这种情况可能是由于透镜太厚，所以成像与薄透镜不同┅┅总之，对于这个像的形成总没有一个很好的解释。为了弄清这个问题，我做了以下的实验：将一个薄的双凸面的凸透镜固定在光具座中间的某一位置上，在左侧离透镜较远的地方（焦距以外）固定一根蜡烛，调节透镜中心与烛焰中心在同一高度，用光屏在透镜右侧合适位置可以呈现一个倒立的实像，如学生实验中一样。现将光屏去掉，用眼睛从透镜右侧透过透镜，可以看到一个清析的倒立的像，好像是在透镜的左侧，即与物体在透镜同侧。这个像是由于某个面反射形成的吗？我将双凸面的凸透镜换成了一个一面是平面，另一面是凸面的凸透镜，重复上述实验，结果不变。再将这个凸透镜反个面，重复实验，结果依然不变。进一步实验：保持蜡烛与凸透镜的位置不变，眼睛远离透镜，看到的像变小；眼睛靠近透镜，看到的像变大；靠近到一定距离，像变得模糊看不清；眼睛继续靠近透镜，像依然不大清楚，但看得出是一个正立的像。这到底是一个什么样的像，是怎样形成的？为什么像的大小还与眼睛的位置有关？为了解释其中的秘密，我翻阅了一些参考资料。（三）、概念分析新华字典对“像”的解释是：比照人物做成的图形，如：画像等。那么，物理中所说的像呢？从物体发出的光线（或反射光）经过光学器件的反射或折射后所形成的与原物相似的图景，就称为物体的像。由反射光线或折射光线实际会聚而成的像称为实像；由发散的反射光线或折射光线反方向的延长线（虚光线）相交而成的像则称为虚像。那么，实像与虚像又各有什么特点呢？实像与原物相似而倒立，可以显映在屏幕上；而虚像是正立的，不能显映在屏幕上。分析：透镜成的正立的是虚像，而倒立的是实像，那前面看到的那个倒立的像应该是实像了。实像是实际光线会聚而成的像，可以显映在屏幕上，不用屏幕，是不是也可以用眼睛直接看到？如何看到？问题回到比较原始的地方了：人的眼睛是如何看到物体的？开始我们的回答是：必须有光线进入人的眼睛，眼睛会逆着进入眼睛的光线看回去，找到发光的物体。而人的眼睛其实犹如一个可变焦的凸透镜，将像成在人的视网膜上。（四）、问题解释仔细分析之后，可以对文章开头提到的问题加以解释了。我们看到的的确是凸透镜成的实像。实像可以在光屏上显示，由于光屏上发生漫反射，人眼可以看到光屏上的像。另外，实像也可以用肉眼直接观察，只要让人眼直接接收从透镜折射出来的折射光线，如下图所示：当人眼位于图中阴影位置时，就可以看到这个实像。可以看出，实像虽然可以用眼睛直接看到，但要在一定的方向上才可以。如上图中，由于是通过凸透镜折射后的光线进入人的眼睛，因此人看到的像看起来与透镜重合，好像与物体位于透镜同侧似的，这可以说是人眼的一个错觉。那么，所有的实像都可以用眼睛直接观察吗？不是。我们都知道小孔成像，由于光在空气中沿直线传播，在小孔另一侧的屏上成一个倒立的实像。这个实像与光学器件成的实像就有区别：1）光学器件成的像，位置是确定的，小孔成的像的位置与大小都跟光屏的位置有关，光屏放到哪里，像就成在哪里；2）光学器件成的实像既可以用光屏收到，也可以直接用眼睛观看，小孔成的实像必须用光屏才能收到。如果用眼睛直接观察，只能看到原来的物体（在物体一侧），或者是被照亮的小孔（在小孔的另一侧）。还有一个现象需要解释：为什么透过透镜看到的实像的大小会随眼睛的位置的变化而变化？前面提到，人的眼睛相当于一个可变焦的凸透镜，像成在人的视网膜上，通过视神经传信号给大脑，人才能看到物体。如果成在视网膜上的像大小不一样，人看到的也会不一样。根据凸透镜成实像的规律，物距变化，像的大小也会变化，像会随着物距的增大而变小，因而成在视网膜上的像的大小也与物体与眼睛之间的距离有关，即人们所说的“近大远小”。那么，我们透过凸透镜看到的实像的大小会随眼睛位置的变化而变化，就不难解释了：以凸透镜成的实像做为物体，在人的视网膜上再成一个实像，这个看到的像的大小自然与物距有关了。通过实验也发现，当眼睛远离透镜时（物距随之增大），看到的像变小，而眼睛靠近透镜时（物距随之减小），看到的像变大。而当眼睛靠近到离凸透镜的距离比凸透镜成的实像离凸透镜的距离还小时，进入眼睛的光线成为会聚光线，就犹如人戴上了老花镜一样，正常眼看到的是一个模糊的、正立的像。（五）、引伸上述问题得到解释后，再看看凹面镜成像的情况。我们都知道，凹面镜可以成正立的虚像，SFOS′也可以成倒立的实像。而我们拿着勺子，用正面（凹面）对着自己时，看到的是一个倒立的像，这便是凹面镜所成的那个实像。