“凸透鏡成像的規(guī)律”實(shí)驗(yàn)器材對(duì)比與改進(jìn)

付紅娟

摘 要：凸透鏡成像的規(guī)律是新人教版（2012版）八年級(jí)物理第五章第三節(jié)的內(nèi)容，是一個(gè)較完整的探究實(shí)驗(yàn)，也是第五章的重點(diǎn)，《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)》中明確指出：“2.3.5探究并知道凸透鏡成像的規(guī)律?！闭n標(biāo)里也把它列為20個(gè)學(xué)生必做實(shí)驗(yàn)之一，可見本實(shí)驗(yàn)的地位之重。通過本實(shí)驗(yàn)，不僅使學(xué)生了解凸透鏡的成像規(guī)律，而且使學(xué)生了解科學(xué)探究的方法，要想達(dá)到這一目標(biāo)，就需要呈現(xiàn)出理想的實(shí)驗(yàn)效果，因此，實(shí)驗(yàn)器材的選取就顯得尤為關(guān)鍵了。

關(guān)鍵詞：凸透鏡成像的規(guī)律；實(shí)驗(yàn)；穩(wěn)定；對(duì)比；改進(jìn)

在幾年的教學(xué)實(shí)踐中，我發(fā)現(xiàn)用傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)器材，學(xué)生并不能獨(dú)立、順利、高效地得出規(guī)律，在反復(fù)嘗試和摸索之后，我對(duì)器材進(jìn)行了改進(jìn)。

一、教材實(shí)驗(yàn)裝置的不足

教材中的實(shí)驗(yàn)裝置如圖1，分別是光具座、蠟燭、凸透鏡、 白屏、火柴。

1.蠟燭火焰作為物體

（1）我們都知道燃燒的火焰會(huì)跳動(dòng)，不穩(wěn)定，并且不管教師演示還是學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過程中肯定要相互交流甚至走動(dòng)，越發(fā)使得成像的物體不穩(wěn)定，在像不停跳動(dòng)的過程中得來的數(shù)據(jù)，可想而知誤差會(huì)多大，要想確定出放大和縮小的分界點(diǎn)那就更難了。

（2）蠟燭火焰自身有一定的厚度，物距該從火焰的哪個(gè)位置算起呢？這無疑又會(huì)產(chǎn)生誤差。

（3）學(xué)生能明確地判斷出所成的像是正立的還是倒立的，但要區(qū)分燭焰的左右就并不容易了，只能憑感覺主觀地判斷，這和“實(shí)事求是的實(shí)驗(yàn)態(tài)度”就相違背了。

（4）為了使像成在光屏的中央，點(diǎn)燃蠟燭后要調(diào)節(jié)燭焰、凸透鏡和光屏，使三者中心大致在同一高度，此實(shí)驗(yàn)需要一定的時(shí)間來完成，蠟燭隨著燃燒自身高度肯定會(huì)變小，這又如何保證“三心等高”？如果實(shí)驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)了，甚至?xí)霈F(xiàn)在屏上找不到像的情況，就需要重新調(diào)整高度。

（5）光現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)通常在光線較暗的環(huán)境中更易觀察，蠟燭火焰本身亮度并不高，要求有良好的遮光條件，門窗關(guān)上倒是便于觀察了，但是蠟燭火焰燃燒時(shí)會(huì)產(chǎn)生刺鼻氣味，學(xué)生長(zhǎng)時(shí)間在這樣的環(huán)境里肯定不利于身心健康。

（6）要點(diǎn)燃蠟燭必然要提供火柴，并且蠟燭火焰是明火，分組實(shí)驗(yàn)不像傳統(tǒng)授課一樣好掌控，學(xué)生是活動(dòng)的個(gè)體，這對(duì)他們來說就是安全隱患。

2.光具座上的刻度尺

學(xué)生在探究過程中要記錄物距和像距，每次都要經(jīng)歷“讀數(shù)→計(jì)算→記錄→比較”這個(gè)過程，如圖2中：

物距：62cm-50cm=12cm

像距：85cm-62cm=23cm

若凸透鏡焦距為10cm，則f2f。

這樣花費(fèi)了過多時(shí)間，淡化了教學(xué)的重點(diǎn)，無法實(shí)現(xiàn)高效課堂，有的學(xué)生甚至?xí)苯影褟目潭瘸呱献x出的數(shù)誤認(rèn)為是物距和像距，直接記錄下來。

二、對(duì)器材的改進(jìn)方案和優(yōu)點(diǎn)

【改進(jìn)1】更換成像物體，利用強(qiáng)光手電筒和透明圖案組合的方法替代蠟燭火焰。

具體做法：

（1）利用電池盒制作支架，連同強(qiáng)光手電筒固定于光具座左側(cè)。

（2）將毛玻璃板用熱熔膠與把手固定好，利用辦公軟件和紅色塑料袋制作“F”圖案，粘于毛玻璃板中央，固定到光具座上。

（3）打開手電，使光斑完全覆蓋圖案。這樣就得到一個(gè)明亮的物體了，參看圖5。

優(yōu)點(diǎn)：①圖案是靜態(tài)的，具有極強(qiáng)的穩(wěn)定性，整個(gè)裝置可以隨意移動(dòng)到任意方向，尤其在向?qū)W生展示時(shí)；②可以批量制作不同顏色的不同圖案，取材簡(jiǎn)單，更換也方便；③強(qiáng)光手電的發(fā)光強(qiáng)度可以調(diào)節(jié)，足以使成的像在明亮的環(huán)境中也很清晰。④“F”不僅上下好區(qū)分，左右也容易分辨，不需要教師過分引導(dǎo)，學(xué)生就能指出“左右顛倒”；⑤電筒不是明火，也不會(huì)產(chǎn)生不良?xì)馕?，可謂安全環(huán)保。

【改進(jìn)2】在白屏左側(cè)粘貼與物體一模一樣的“F”圖案。

優(yōu)點(diǎn)：能輕松、直觀地比較物和像的大小、倒正關(guān)系，便于確定放大和縮小的分界點(diǎn)。

【改進(jìn)3】增加背景標(biāo)尺：用家裝余料制作而成，正面有刻度線和“游碼”，“游碼”可以移動(dòng)，實(shí)驗(yàn)前根據(jù)凸透鏡的焦距將游碼撥至O、F、2F處，如圖3。

優(yōu)點(diǎn)：參照明顯，不需要通過減法計(jì)算物距和像距，一眼就能看出物距、像距與f、2f的關(guān)系，“游碼”的位置可以根據(jù)不同凸透鏡的焦距來自由調(diào)節(jié)，突破了原器材的空間難點(diǎn)，大大提高了課堂效率。

改進(jìn)后需要的器材：光具座、強(qiáng)光手電筒、毛玻璃板、紅色塑料袋、凸透鏡、白屏、背景標(biāo)尺。

三、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

1.當(dāng)u>2f時(shí)，f

2.當(dāng)f2f，成倒立、放大的實(shí)像，如圖5。

3.當(dāng)u

參考文獻(xiàn)：

潭世略，袁海泉.凸透鏡成像實(shí)驗(yàn)的研究與改進(jìn)[J].中學(xué)物理：初中版，2015，33（7）.