探究凸透鏡成像規(guī)律實(shí)驗(yàn)比較研究＊

賈 麗 朱文軍

（南京樹(shù)人國(guó)際學(xué)校，江蘇 南京 210003）

探究凸透鏡成像規(guī)律的實(shí)驗(yàn)是初中物理中一個(gè)重要的實(shí)驗(yàn)，成像情況較復(fù)雜、內(nèi)容較多、且易混淆，涉及到的思維方法也多.

筆者在執(zhí)教和聽(tīng)課的過(guò)程中想到這樣幾個(gè)問(wèn)題：（1）探究凸透鏡成像實(shí)驗(yàn)，到底應(yīng)該如何探究？（2）怎樣猜想到焦距f會(huì)影響成像性質(zhì)的？（3）要做幾次實(shí)驗(yàn)？（4）如何處理數(shù)據(jù)？（5）用蠟燭火焰做研究對(duì)象真的需要改變嗎？

1 探究凸透鏡成像整體設(shè)計(jì)

目前國(guó)內(nèi)7種版本的分科物理教材中對(duì)凸透鏡成像規(guī)律實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)基本上都是在觀察的基礎(chǔ)上提出猜想，設(shè)計(jì)思路大致有如下3種模式.

第1種是蘇科版、粵教滬科版和滬科版教材的設(shè)計(jì)，它們是采用限制成像性質(zhì)，分別得到倒立縮小的像、倒立放大的像和倒立等大的像，記錄物距及像距，然后再設(shè)法引導(dǎo)學(xué)生得到正立放大的像，記錄物距.

第2種是人教版、教科版和北師大實(shí)驗(yàn)版的教材，它們采用限制物距的方法.例如人教版，我們可以把物體放在距凸透鏡較遠(yuǎn)的地方，然后逐漸移近，觀察成像的情況.物距大到什么程度成實(shí)像，小到什么程度成虛像，大概不同的凸透鏡會(huì)有不同，要有個(gè)參照的距離才便于研究.不同的凸透鏡，焦距的大小不同.我們就用焦距f作為參照的距離.

先把物體放在較遠(yuǎn)處，例如使物距u＞2f，然后移動(dòng)物體逐漸接近透鏡，使物距u在2f和f之間，即f＜u＜2f，最后使物距u＜f.在這個(gè)過(guò)程中，觀察并記錄像的虛實(shí)、大小、正倒等情況.試試看，這樣做能不能找出凸透鏡成像的規(guī)律.

教科版也是要求先把蠟燭放在離透鏡較遠(yuǎn)的地方，然后逐漸向透鏡移動(dòng).在課文旁邊有提示：“焦距標(biāo)志著透鏡對(duì)光的折射本領(lǐng).實(shí)驗(yàn)中可以分為以下階段選取數(shù)據(jù)進(jìn)行研究：物體在2倍焦距以外；物體在2倍焦距和1倍焦距之間；物體在1倍焦距以內(nèi).”

第3種是北師大版教材，采用開(kāi)放的探究模式.通過(guò)問(wèn)題與猜想“改變物體與透鏡之間的距離，可以得到不同的像.那么，透鏡與物體之間的距離以及透鏡的焦距是怎樣影響像的正倒、虛實(shí)、大小的呢？”，制定計(jì)劃：改變物體（點(diǎn)燃的蠟燭）到透鏡的距離，從遠(yuǎn)到近，觀察像的大小、正倒、虛實(shí)各怎樣變化.測(cè)量出每一種情況下物體、像到凸透鏡的距離.

那么，上面3種模式中哪一種較好呢？

建構(gòu)主義教學(xué)理論認(rèn)為，知識(shí)不是通過(guò)教師傳授得到，而是學(xué)習(xí)者在一定的情境即社會(huì)文化背景下，借助其他人（包括教師和學(xué)習(xí)伙伴）的幫助，利用必要的學(xué)習(xí)資料，通過(guò)意義建構(gòu)的方式而獲得.學(xué)生要成為意義的主動(dòng)建構(gòu)者，這就要求學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中從以下幾個(gè)方面來(lái)發(fā)揮主體作用.

（1）要用探索法、發(fā)現(xiàn)法去建構(gòu)知識(shí)的意義；

（2）在建構(gòu)意義過(guò)程中，要求學(xué)生主動(dòng)去搜集并分析有關(guān)的信息和資料，對(duì)所學(xué)習(xí)的問(wèn)題要提出各種假設(shè)并努力加以驗(yàn)證；

（3）要把當(dāng)前學(xué)習(xí)內(nèi)容所反映的事物盡量和自己已經(jīng)知道的事物相聯(lián)系，并對(duì)這種聯(lián)系加以認(rèn)真的思考.

通過(guò)創(chuàng)設(shè)情境來(lái)引導(dǎo)學(xué)生對(duì)凸透鏡成像的性質(zhì)分類是可以的，所以才有了第1種的模式.這種模式的優(yōu)點(diǎn)是學(xué)生只要找到所需要成的像，然后記錄物距和像距，分析物距和像距有什么特點(diǎn)就可以了.簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)過(guò)程，方向性比較明確，降低了教學(xué)難點(diǎn)，也達(dá)到了節(jié)約時(shí)間的目的.這是一種限制性探究.

教師在教學(xué)中傳播的不僅是知識(shí)，還要幫助學(xué)生經(jīng)歷探究的過(guò)程，更為重要的是要理解探究的思路和研究方法，讓學(xué)生經(jīng)歷知識(shí)的形成過(guò)程，放慢教學(xué)的節(jié)奏.讓教學(xué)的順序與知識(shí)序和學(xué)生的認(rèn)知順序相吻合.

筆者認(rèn)為，最能培養(yǎng)學(xué)生探究能力的模式應(yīng)該是第3種模式，讓學(xué)生在沒(méi)有任何暗示的情況下進(jìn)行自主探究學(xué)習(xí)，通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)規(guī)律.北師大實(shí)驗(yàn)版教材還要求選用不同的凸透鏡，在物距相同時(shí)，比較成像情況是否相同；滬科版（2003年版）也要求學(xué)生選用不同焦距的凸透鏡進(jìn)行重復(fù)實(shí)驗(yàn).北師大版美中不足的是，在最后要求學(xué)生把所觀察到的成像情況畫(huà)在圖中（見(jiàn)圖1所示），這其實(shí)也是在暗示學(xué)生把物距按照兩倍焦距和焦點(diǎn)分成了幾種不同的情況.

不建議采用的是第2種模式，學(xué)生在未知的情況下怎么知道要以焦距為參照物呢？怎么知道要限制物距大于2f、小于2f和大于f之間以及小于f的呢？

圖1

2 怎么猜想到焦距f會(huì)影響成像性質(zhì)的

建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論強(qiáng)調(diào)，學(xué)習(xí)者并不是空著腦袋進(jìn)入學(xué)習(xí)情境中的；教學(xué)不能無(wú)視學(xué)習(xí)者的已有知識(shí)經(jīng)驗(yàn)，簡(jiǎn)單強(qiáng)硬的從外部對(duì)學(xué)習(xí)者實(shí)施知識(shí)的“填灌”，而是應(yīng)當(dāng)把學(xué)習(xí)者原有的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)作為新知識(shí)的生長(zhǎng)點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)習(xí)者從原有的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)中，生長(zhǎng)新的知識(shí)經(jīng)驗(yàn).教學(xué)不是知識(shí)的傳遞，而是知識(shí)的處理和轉(zhuǎn)換.教師不是知識(shí)的呈現(xiàn)者，不是知識(shí)權(quán)威的象征，而應(yīng)該重視學(xué)生自己對(duì)各種現(xiàn)象的理解，傾聽(tīng)他們時(shí)下的看法，思考他們這些想法的由來(lái)，并以此為據(jù)，引導(dǎo)學(xué)生豐富或調(diào)整自己的解釋；教師與學(xué)生，學(xué)生與學(xué)生之間需要共同針對(duì)某些問(wèn)題進(jìn)行探索，并在探索的過(guò)程中相互交流和質(zhì)疑，了解彼此的想法.

在學(xué)習(xí)了光的折射和凸透鏡的基礎(chǔ)知識(shí)之后，學(xué)生對(duì)凸透鏡的成像規(guī)律是沒(méi)有認(rèn)識(shí)的，學(xué)生是不知道物距和焦距之間的關(guān)系會(huì)影響成像性質(zhì)的，更不可能知道兩倍焦距和焦點(diǎn)是成像性質(zhì)的分界點(diǎn).教師如果把自己掌握的知識(shí)生搬硬套的呈現(xiàn)在學(xué)生面前，就會(huì)讓學(xué)生感覺(jué)很奇怪，這本質(zhì)上還是一種“填鴨子”式的傳統(tǒng)教學(xué)，是假探究，不是真探究.

最合理的設(shè)計(jì)是給學(xué)生提供2～3種不同焦距的凸透鏡，先把蠟燭放在離凸透鏡較遠(yuǎn)的地方，然后逐漸向透鏡移動(dòng)，在移動(dòng)的過(guò)程中選取若干個(gè)位置，并調(diào)整光屏的位置，觀察成像的情況，記錄成像性質(zhì)和物距、焦距、像和物的位置關(guān)系等，然后換用不同焦距的凸透鏡重復(fù)實(shí)驗(yàn).在大量的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上進(jìn)行分析、采用同種求異、異中求同和同異綜合等物理科學(xué)方法尋找統(tǒng)一的凸透鏡成像規(guī)律.

這樣雖然會(huì)花很多的時(shí)間，甚至一節(jié)課都完成不了整個(gè)探究過(guò)程，但是我們可以先做實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生在課后或者利用下一節(jié)課進(jìn)行深入的分析、歸納而找出規(guī)律，這樣看起來(lái)雖然“浪費(fèi)”了時(shí)間，但是學(xué)生經(jīng)歷了真正的探究過(guò)程，所有的規(guī)律是學(xué)生在自己實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)總結(jié)得出來(lái)的，印象自然比較深刻，理解了的東西記憶起來(lái)自然就長(zhǎng)久，也就不再需要通過(guò)大量的“題海”使學(xué)生鞏固這個(gè)成像規(guī)律了.

3 實(shí)驗(yàn)到底要做幾次

物理學(xué)中很多規(guī)律都是通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)歸納得出的，而不是一兩次的巧合就可以歸納出的，用的是一種不完全歸納法，實(shí)驗(yàn)次數(shù)越多得到的規(guī)律其可靠性也就越高.由于時(shí)間的限制，在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中不可能實(shí)驗(yàn)次數(shù)太多，一般做3次以上就可以了.但是筆者發(fā)現(xiàn)有的教材中，每種成像情況的實(shí)驗(yàn)次數(shù)太少，例如粵教滬科版教材（見(jiàn)表1）的實(shí)驗(yàn)記錄表格中每種成像情況只需要做一次，這很明顯是太少；滬科版教材是用兩個(gè)不同焦距的凸透鏡對(duì)每種成像情況做1次；人教版教材（見(jiàn)表2）和蘇科版教材（見(jiàn)表3）教材對(duì)每種成像情況要求做2次，也是欠妥的.

表1

表2

表3

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理

如果是每種成像情況做了3次以上，這些大量的數(shù)據(jù)應(yīng)該如何處理呢？

表4

物理規(guī)律的建立是以觀察和實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，同時(shí)也離不開(kāi)邏輯的和創(chuàng)造性的思維，通常還要建借助數(shù)學(xué)的描述和推理方法.初中物理常用的數(shù)據(jù)處理方式是列表、畫(huà)圖像等.對(duì)于凸透鏡成像實(shí)驗(yàn)得出的多組數(shù)據(jù)，可以采用異中求同找出成像性質(zhì)一樣的多組數(shù)據(jù)，例如成倒立縮小實(shí)像的多組數(shù)據(jù)，再歸納總結(jié)出統(tǒng)一的規(guī)律.又如，物距都大于2倍焦距、像距都小于2倍焦距且大于1倍焦距，物距大于焦距，隨著物距的減小像距在增大、像在增大，像和物在透鏡的兩側(cè)等.

也可以采用Excel自動(dòng)生成v－u圖像，如根據(jù)表4（f＝10cm）生成如圖2所示的v－u圖像.

圖2

也可以采用不同顏色（同一種成像性質(zhì)用同一種顏色）和相同長(zhǎng)度的箭頭來(lái)表示物體，用對(duì)應(yīng)的顏色和長(zhǎng)度適當(dāng)?shù)募^來(lái)表示像，放在凸透鏡的主光軸上直觀、形象地的來(lái)尋找規(guī)律，如圖3所示.

圖3

如果學(xué)生用的光源相同（如用9個(gè)發(fā)光二極管做成的“F”光源），還可以在同樣大小的透明膠片上復(fù)印上凸透鏡、主光軸、焦點(diǎn)和刻度，讓學(xué)生對(duì)同一種成像性質(zhì)的物體和像用同一種顏色的記號(hào)筆畫(huà)上箭頭（物體的長(zhǎng)度統(tǒng)一，像的長(zhǎng)度根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)畫(huà)出），然后把所有的膠片疊放在一起，就可以得到大量的數(shù)據(jù)，很清楚的看出凸透鏡的成像規(guī)律.

5 實(shí)驗(yàn)用的光源如何選取比較好

在探究凸透鏡成像實(shí)驗(yàn)中，傳統(tǒng)的光源都是蠟燭，但是有教師認(rèn)為：（1）燃燒的蠟燭的火焰是跳躍的，大小不穩(wěn)定，左右搖擺，導(dǎo)致在光屏上所成的像也不穩(wěn)定，對(duì)比較像與物的大小帶來(lái)麻煩；（2）燃燒的蠟燭的火焰上下比較容易分辨，但要分辨左右關(guān)系就很困難了（當(dāng)然要分辨像的左右也可以）；（3）燃燒的蠟燭的火焰由于自身沿透鏡主軸方向有一定的厚度，使物距不是唯一的值，這會(huì)給確定像的位置帶來(lái)困難，從而使所得數(shù)據(jù)有一定誤差；（4）教材提供的成像物體是蠟燭，產(chǎn)生的氣味不僅讓人比較難以接受，而且每次實(shí)驗(yàn)過(guò)后這種氣味較長(zhǎng)時(shí)間地滯留在實(shí)驗(yàn)室影響了學(xué)生的身心健康；（5）用明火有安全隱患.于是給出了圖4所示的裝置.［3］也有的老師選用了9個(gè)發(fā)光二極管做成的“F”光源，如圖5所示.

不可否認(rèn)的是，選用燭焰做為物體在像和物的大小差別不是很大時(shí)不容易判斷大小，但是對(duì)于像和物的左右關(guān)系還是很容易判斷的.

圖4

圖5

北師大版教材中指出，“在成虛像和成實(shí)像的兩種情況下，輕輕吹蠟燭的火焰，使它向左側(cè)或者右側(cè)偏斜，觀察火焰的像向左側(cè)還是右側(cè)偏斜.注意像與物體的左右關(guān)系.”

有人認(rèn)為采用圖4或者圖5的光源更好.這里就涉及到一個(gè)問(wèn)題：如何觀察判斷像和物是不是左右相反的？采用蠟燭火焰作為研究對(duì)象，我們可以從蠟燭的外側(cè)向蠟燭、凸透鏡和光屏看去，沿一個(gè)方向可以同時(shí)觀察物體和像，只要另一個(gè)學(xué)生沿垂直于光具座的方向輕輕吹燭焰，就可以清楚的看出燭焰的像和燭焰偏斜的方向是相反的.

圖4所示的情景是從不同的方向看到的現(xiàn)象，人在看物體的左右時(shí)是站在凸透鏡的位置向左看，而看像的左右時(shí)是站在凸透鏡的位置向右看，其實(shí)這時(shí)候看到的像不是圖4中所示的像的情況.圖4中像的情況是站在光屏的右邊向光屏、凸透鏡、物體的方向看，這就要求光屏必須是半透明的了，如用毛玻璃來(lái)做.同理，用“F”光源做實(shí)驗(yàn)也存在著這個(gè)問(wèn)題.

因此，筆者認(rèn)為，如果單純是為了方便準(zhǔn)確地研究像和物體的大小的話，用圖4和圖5中的光源較好（在光屏上貼上坐標(biāo)紙，方便通過(guò)數(shù)格子的方法測(cè)量像高）.如果只是單純地研究像和物體的左右是否相反的話，那還是用燭焰做光源，人的視線沿一個(gè)方向去看像和物體.就像早期的120相機(jī)，我們?cè)诿Ａ峡匆?jiàn)的像是和物是上下顛倒、左右也顛倒的.

總之，物理實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)要綜合考慮到實(shí)驗(yàn)器材的選擇、物理科學(xué)方法的運(yùn)用，更要考慮到學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，要讓學(xué)生經(jīng)歷真正的科學(xué)探究過(guò)程，而不能越俎代庖.在探究的過(guò)程中不能限制學(xué)生的思維維度，要讓學(xué)生經(jīng)歷全面的探究過(guò)程.科學(xué)探究的過(guò)程是從一定的科學(xué)信念或者假設(shè)出發(fā)，通過(guò)對(duì)事物的觀察、現(xiàn)象多次觀察、實(shí)驗(yàn)，對(duì)取得的大量資料進(jìn)行分析、綜合、歸納，發(fā)現(xiàn)在一定條件下有關(guān)物理量之間的必然聯(lián)系，從而才能得到真正的規(guī)律.這樣的學(xué)習(xí)才是高效的，才是最優(yōu)化的.

1 閻金鐸等.中學(xué)物理新課程教學(xué)概論（第1版）.北京：北京師范大學(xué)出版社，2008.

2 李迎春.凸透鏡成像實(shí)驗(yàn)裝置的不足及改進(jìn).物理通報(bào)，2010（4）.

3 季建.“探究凸透鏡成像的規(guī)律”實(shí)驗(yàn)改進(jìn).實(shí)驗(yàn)教學(xué)與儀器，2011（12）.

4 劉炳昇等.義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)教科書(shū)（第2版）物理（8年級(jí)上冊(cè)）.南京：江蘇科技出版社，2007.

5 吳祖仁.義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)教科書(shū)（第1版）物理（8年級(jí)上冊(cè)）.北京：科學(xué)教育出版社，2003.

6 彭前程.義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)教科書(shū)（第3版）物理（8年級(jí)上冊(cè)）.北京：人民教育出版社，2006.

7 廖伯琴等.義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)教科書(shū)（第1版）物理（8年級(jí)）.上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，2001，2007（修訂）.

8 閻金鐸.義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)教科書(shū)（第2版）物理（8年級(jí)下冊(cè)）.北京：北京師范大學(xué)出版社，2006.

9 閻金鐸.北京市義務(wù)教育課程改革試驗(yàn)教材（第3版）物理（8年級(jí)）.北京：北京師范大學(xué)出版社，2005.

10 束炳如.義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)教科書(shū)（第2版）物理（8年級(jí)上冊(cè)）.廣州：廣東教育出版社，上海：上?？萍汲霭嫔纾?003.