“探究凸透鏡成像規(guī)律”實(shí)驗(yàn)器材的改進(jìn)初探

王正東

“探究凸透鏡成像的規(guī)律”是蘇科版《物理》(八年級(jí)上冊(cè))第五章第二節(jié)的內(nèi)容，也是初中學(xué)生必做的重要光學(xué)實(shí)驗(yàn)，作為光學(xué)部分重要的學(xué)生探究活動(dòng)，還是學(xué)生學(xué)習(xí)中的難點(diǎn)。這個(gè)探究實(shí)驗(yàn)，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰吞岣邔W(xué)生的知識(shí)有著積極的作用。而該實(shí)驗(yàn)的成功則更能有效幫助學(xué)生總結(jié)和理解凸透鏡成像的基本規(guī)律。多年來課本上一直都是用點(diǎn)燃的蠟燭作為光源，在科學(xué)技術(shù)高速發(fā)展的今天，理應(yīng)對(duì)這套實(shí)驗(yàn)器材進(jìn)行改進(jìn)。經(jīng)過嘗試和探索，筆者對(duì)凸透鏡成像實(shí)驗(yàn)器材做了一些改進(jìn)，取得了不錯(cuò)的效果。

1光源的不足及改進(jìn)

1.1光源的不足

實(shí)驗(yàn)中用蠟燭作為光源簡(jiǎn)單易行，基本上可幫助學(xué)生得出凸透鏡成像的規(guī)律。但仍有以下一些不足：第一，由于燭焰自身有一定的厚度，測(cè)定的物距誤差較大；加之燭焰處在2f點(diǎn)，學(xué)生很難觀察到等大的實(shí)像。第二，燭焰容易受空氣氣流影響(學(xué)生在探究中必定有交流，也就會(huì)引起燭焰周圍的空氣流動(dòng))晃動(dòng)從而導(dǎo)致大小不穩(wěn)定，不便于學(xué)生找出最清晰的像，記錄的像距誤差較大，影響實(shí)驗(yàn)規(guī)律的總結(jié)。第三，由于蠟燭在燃燒的過程中不斷變短，因此燃燒一段時(shí)間后，燭焰中心、凸透鏡光心和光屏中心不在同一高度上，從而在光屏上找不到像，必須重新確定三者的高度。第四，此實(shí)驗(yàn)要在暗室中進(jìn)行，空氣流通不暢，蠟燭在燃燒時(shí)會(huì)發(fā)出濃烈的氣味并使室內(nèi)CO₂濃度增加，使學(xué)生感覺不適。第五，在實(shí)際的教學(xué)中，需要點(diǎn)、熄蠟燭的次數(shù)較多，較為麻煩、費(fèi)時(shí)；在實(shí)驗(yàn)中一般是靠燭淚凝固在滑塊上，容易發(fā)生傾斜，導(dǎo)致記錄的物距不準(zhǔn)確，造成實(shí)驗(yàn)誤差；如果不慎還容易燙傷學(xué)生、引起火災(zāi)，存在安全隱患。第六，使用蠟燭時(shí)，燭焰所成的實(shí)像學(xué)生能觀察到是上下倒立的，但卻不能發(fā)現(xiàn)所成的實(shí)像是左右相反的特點(diǎn)。需要在教師的引導(dǎo)下，用手煽動(dòng)或嘴輕吹才能看到，無法長(zhǎng)時(shí)間用光屏承接，記憶就不深刻，學(xué)生常?？克烙浻脖硜斫鉀Q實(shí)際的問題。

1.2光源的改進(jìn)

針對(duì)以上情況，將實(shí)驗(yàn)中的燭焰改為由數(shù)碼管顯示的“9”(圖1)，實(shí)驗(yàn)效果更明顯。

制作材料：電池盒、干電池3節(jié)(5號(hào))、數(shù)碼管(1.2寸單色)、塑料板、導(dǎo)線、開關(guān)、寫真紙、雙面膠等。

具體做法：把數(shù)碼管的幾個(gè)腳根據(jù)需要進(jìn)行焊接(本案例顯示數(shù)字“9”，是為了觀察實(shí)像的倒立的特點(diǎn))之后固定在塑料板上，用導(dǎo)線將其與電池盒進(jìn)行連接，用雙面膠粘貼在寫真紙的中央，并在面板上露出開關(guān)按鈕，方便開關(guān)，再把它套裝在帶有插槽的支架上，就可固定在光具座的滑塊上。裝上三節(jié)5號(hào)電池(如圖2)，按下開關(guān)即可顯示出“9”。

當(dāng)物距u=2f時(shí)，光屏上出現(xiàn)的燭焰的像感覺上是縮小的，學(xué)生很難觀察到倒立等大的實(shí)像。而這套裝置，很容易看到這個(gè)現(xiàn)象，而且物距、像距非常準(zhǔn)確，非常有利于幫助學(xué)生尋找到2f這個(gè)分界點(diǎn)，很好地解決等大像的問題。

當(dāng)物距u≤f時(shí)，光屏上會(huì)有類似燭焰的光斑，很容易被學(xué)生誤當(dāng)成燭焰的實(shí)像。特別是當(dāng)燭焰位于凸透鏡的焦點(diǎn)附近時(shí)，常常只是燭焰的一部分在凸透鏡焦點(diǎn)以內(nèi)，還有一部分位于焦點(diǎn)之外。這樣，既能透過凸透鏡看到在蠟燭的同側(cè)有一個(gè)正立放大的虛像，又能在光屏上看到倒立放大的實(shí)像。改進(jìn)之后，以上問題就徹底地得到了解決。

2刻度尺的不足及改進(jìn)

常見光具座上的刻度尺，一般是從左往右依次變大。學(xué)生在探究過程中記錄物距、像距時(shí)往往要經(jīng)過計(jì)算，而不少學(xué)生忘記計(jì)算，直接記下刻度尺上的刻度，這將直接影響數(shù)據(jù)的分析、規(guī)律的總結(jié)。在原光具座基礎(chǔ)上，將刻度尺的零刻度線放在中間，向兩側(cè)的刻度依次變大(如圖3)。這樣學(xué)生觀察到的燭焰、光屏所在刻度即為物距、像距，只需直接記下數(shù)據(jù)。該改進(jìn)在教學(xué)中使用效果良好。

3光屏的不足及改進(jìn)

目前探究凸透鏡成像規(guī)律實(shí)驗(yàn)的器材采用的是光具座和組件，光屏上成的像主要是通過目測(cè)來比較像與物的大小。當(dāng)物體位于兩倍焦距上成等大的像時(shí)，學(xué)生往往認(rèn)為是縮小的。因?yàn)橄癖任镆?，從而造成變小的感覺，這種情況下靠目測(cè)的方法將得不出正確結(jié)論。在實(shí)驗(yàn)中，把改進(jìn)的電光源的面板和光屏上都畫上線條(如圖4)，方便觀察、比較和記錄成像大小，更有利于得出成像的規(guī)律。圖5為該裝置經(jīng)凸透鏡成像后的效果圖。

經(jīng)過以上三個(gè)方面的改進(jìn)本實(shí)驗(yàn)，具有下列優(yōu)點(diǎn)：

1學(xué)生探究時(shí)，該光源操作方便、不會(huì)受氣流的影響，使光屏上所成像位置更容易找準(zhǔn)，像更加清晰、穩(wěn)定，物距、像距也容易測(cè)量，減小了實(shí)驗(yàn)誤差。

2由于該光源顯示“9”，從光屏上所成的像可以直觀觀察到像的上下、左右都是相反的，這樣在實(shí)驗(yàn)的過程中幫助學(xué)生輕松糾正了片面的認(rèn)為凸透鏡成實(shí)像時(shí)只是上下倒立的錯(cuò)誤觀點(diǎn)，很容易地突破了一個(gè)認(rèn)知難點(diǎn)。

3在實(shí)驗(yàn)探究中，學(xué)生能很方便地觀察到u=2f時(shí)成等大實(shí)像和u=f時(shí)不能成像的情況，也方便比較實(shí)像與物體的大小，實(shí)驗(yàn)效果很明顯。

4此實(shí)驗(yàn)無需在暗室中進(jìn)行，光線充足，有利于學(xué)生的身心健康成長(zhǎng)。

5實(shí)驗(yàn)探究中學(xué)生記錄的物距、像距準(zhǔn)確，為分析數(shù)據(jù)和總結(jié)規(guī)律做好了準(zhǔn)備。改進(jìn)后的裝置還具有操作簡(jiǎn)便、安全可靠、重復(fù)使用等特點(diǎn)。