探究凸透鏡成像規(guī)律實(shí)驗(yàn)與方法的改進(jìn)

譚穎+陳達(dá)成+潘明

相信很多教師在八年級物理探究凸透鏡成像的規(guī)律實(shí)驗(yàn)中都會遇到相同的問題：一是在實(shí)驗(yàn)中物距相等時(shí)，不同組的同學(xué)測出的像距不相同，有的相差甚遠(yuǎn)；二是像與原物的大小怎樣確定，像比原物大還是小的問題，這個(gè)主要體現(xiàn)在物距等于2倍焦距時(shí)，一部分同學(xué)得出的是倒立放大實(shí)像，一部分同學(xué)得出的是倒立縮小的實(shí)像，真正得到倒立等大的實(shí)像的同學(xué)為數(shù)不多。其實(shí)問題的原因在于光屏上所成的像是搖晃的燭焰形成的，燭焰搖晃難以判斷當(dāng)時(shí)的像是否是最清晰；其次是像的大小與物體本身的大小想必是由人的主觀意識來比較完成的，這樣只能說是判斷而不是測量比較，不能定量以進(jìn)行對比，不能夠有力地說明像的大小這一性質(zhì)。

如何更準(zhǔn)確地判斷成像是否清晰；如何測量判斷像是放大還是縮小，用什么方法進(jìn)得定量的測量；如何確定物距像距。針對這問題，筆者認(rèn)為對探究的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)，對實(shí)驗(yàn)器材及準(zhǔn)確程度要求更高。

一、改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置

1.改換成像物體

原來光具座利用蠟燭作為凸透鏡成像的物體，在實(shí)驗(yàn)中點(diǎn)燃的蠟燭火焰總是會左右搖晃或時(shí)高時(shí)低，也就是說火焰總是處于相對運(yùn)動的狀態(tài)，這樣不利于觀察火焰經(jīng)過凸透鏡所成的像是否處于最清晰的狀態(tài)，從而會影響到像大小的判斷和像距的測量。為此，筆者認(rèn)為成像物體由蠟燭更換為長寬約為4×3cm2數(shù)碼顯示管即可。讓數(shù)碼顯示管顯示數(shù)字“7”，實(shí)驗(yàn)之前可以先測量好“7”的橫段和豎段的長度，在實(shí)驗(yàn)過程中告知學(xué)生物體“7”的大小，以便學(xué)生更容易對比物像的大小，使得實(shí)驗(yàn)更快更順利進(jìn)行。

2.改進(jìn)光屏

一般來說光屏只是一面白屏，上面沒有任何起到標(biāo)記作用的測量刻度。筆者認(rèn)為把光屏標(biāo)上刻度，以光屏的中心為原點(diǎn)，建立直角坐標(biāo)系，以0.05cm為單位標(biāo)上刻度，橫坐標(biāo)測量像的寬度，縱坐標(biāo)測量的高度。這樣像的大小就可以準(zhǔn)確的測量出來了。

3.增加刻度尺

光具座上的滑塊與滑動橫桿之間存在一定的間隙，并且會隨使用時(shí)間、次數(shù)的增加而增大，致使安置在滑塊上的成像物體（數(shù)碼顯示管）、凸透鏡、光屏并沒有垂直于滑動橫桿，它們之間的實(shí)際距離并不是滑塊指示的距離。由于數(shù)碼顯示管、凸透鏡、光屏向左或向右偏側(cè)，很多偏離的幅度都在0.5cm左右，甚至更大，這樣實(shí)驗(yàn)測出的數(shù)據(jù)與真實(shí)的數(shù)據(jù)相差之距可想而知。

假如A、B兩組的光具座成像物體（數(shù)碼顯示管）與凸透鏡都垂直于滑動橫桿，使兩個(gè)物體物距相同，而A、B兩組光具座光屏的傾斜情況不一樣，A往左傾0.3cm，B往右傾0.4cm，那么A、B兩組得到的像距相差了0.7cm。

由此可見，刻度的準(zhǔn)確性非常重要，它關(guān)鍵到成像的性質(zhì)，所以在原來光具座的上方增加一支與下方對應(yīng)的刻度尺極其重要。上下各一支刻度尺便可準(zhǔn)確地測量和放置好數(shù)碼顯示管、凸透鏡、光屏，不至于它們實(shí)際距離和滑塊指示的距離不一致了。

實(shí)驗(yàn)裝置改進(jìn)后，在實(shí)驗(yàn)中調(diào)整好數(shù)碼顯示管、凸透鏡、光屏，使它們在同一直線，同一高度上。確定物距，使數(shù)碼顯示管顯示“7”字，光線經(jīng)凸透鏡在光屏中間形成倒“7”字，很容易確定所得到的像是否是最清晰。

經(jīng)過多次的實(shí)驗(yàn)和學(xué)生得到的數(shù)據(jù)總結(jié)，像大小這一性質(zhì)，特別是在臨界狀態(tài)（2倍焦距處），像大小便可測量比較出來。在每次實(shí)驗(yàn)中像距相差一般都在0.1cm左右。這樣的結(jié)果比改進(jìn)前明顯好多了，所以對實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)是非常必要的。

二、改進(jìn)探究方法

在探究的過程中，我們教師都會告訴學(xué)生：先把蠟燭放在離凸透鏡盡量遠(yuǎn)的地方，使物距大于2倍焦距，調(diào)整光屏與凸透鏡的距離，使?fàn)T焰在光屏上成一清晰的像，觀察像的大小、正倒，測量出物體和像到凸透鏡的距離；再把蠟燭向凸透鏡靠近，使物距在1倍到2倍焦距之間，重復(fù)剛才的操作。當(dāng)把蠟燭移到透鏡的焦點(diǎn)時(shí)，看看在光屏上能否形成像；把蠟燭再次向凸透鏡靠近，使物中小于1倍焦距時(shí)，光屏上能否看到像，這時(shí)怎樣才能看到像。

這樣的探究方法，先給學(xué)生灌輸了一個(gè)固定的探究思維模式，即在某個(gè)規(guī)定的范圍內(nèi)進(jìn)行探究，雖然能讓學(xué)生在探究的過程中得出我們想得到的結(jié)果，但是對于一個(gè)對凸透鏡成像規(guī)律一點(diǎn)也不了解的學(xué)生來說為什么要規(guī)定在這個(gè)范圍內(nèi)，學(xué)生一點(diǎn)也不清楚。學(xué)生親身體驗(yàn)科學(xué)探究的全過程和方法到哪里去了？為什么要在1倍到2倍焦距之間呢？對于這些問題，也不知怎么回答他們最為恰當(dāng)。因?yàn)槲覀儎澐謪^(qū)域是在已經(jīng)探究得出結(jié)論后劃分的，對于不懂得成像規(guī)律的學(xué)生沒有必要給他們劃分，應(yīng)讓他們在各個(gè)位置進(jìn)行探究測量，然后根據(jù)成像的性質(zhì)規(guī)律，歸納總結(jié)得出在某個(gè)區(qū)域內(nèi)成某種性質(zhì)的像。

以焦距為10cm的凸透鏡為例，設(shè)計(jì)的表格

讓學(xué)生從遠(yuǎn)到近，相隔幾厘米測量一次。如物距在40cm、35cm、30cm、25cm等處時(shí)，學(xué)生得到的都是倒立縮小的實(shí)像，而這些距離40cm、35cm、30cm、25cm都是大于2倍焦距20cm，即u>2f，那么學(xué)生歸納總結(jié)：當(dāng)物距u大于2倍焦距時(shí)，物體經(jīng)凸透鏡所成的像是倒立縮小的實(shí)像。同樣，物距在17cm、15cm、12cm等處都大于1倍焦距小于2倍焦距，即2f>u>f，可以得到：當(dāng)物距u大于1倍焦距小于2倍焦距時(shí)，物體經(jīng)凸透鏡所成的像是倒立放大的實(shí)像。

當(dāng)物體再向凸透鏡靠近時(shí)，學(xué)生在物體的另一側(cè)經(jīng)凸透鏡觀察，看到的是正立放大的虛像，而8cm、6cm、4cm都比1倍焦距（10cm）小，即u

三、實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的其他好處

1 .安全

使用數(shù)碼顯示管代替蠟燭非常安全，如果實(shí)驗(yàn)使用蠟燭，經(jīng)常會有一些調(diào)皮的學(xué)生在實(shí)驗(yàn)的過程中點(diǎn)燃紙張，這樣全班學(xué)生和實(shí)驗(yàn)室的安全受到威脅；另外，在空間很有限的教室里，同時(shí)點(diǎn)燃幾十根蠟燭，放出大量的二氧化碳和一些其他有害氣體排放，影響到師生的身心健康；第三，一般地板上都會有很蠟滴，學(xué)生不小心踩到容易發(fā)生滑倒等嚴(yán)重情況，使用數(shù)碼顯示管則可避免這些問題。

2.方便簡潔

很多老師在做完這個(gè)都會感到后期的工作量是多么的大，光具座、課桌和地板上到處都是蠟滴，難以清理，并可能發(fā)生學(xué)生滑倒等更嚴(yán)重等情況，使用數(shù)碼顯示管則可避免這些問題。

3.低碳、低能耗、環(huán)保

現(xiàn)在整個(gè)社會提倡低碳、低能耗、環(huán)保，我們的實(shí)驗(yàn)室利用數(shù)碼顯示管代替蠟燭，沒有二氧化碳和一些其他有害氣體排放，真正做好節(jié)能環(huán)保。

綜上所述，探究凸透鏡成像規(guī)律實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)是非常有必要的。只有不斷的改進(jìn)創(chuàng)新，我們的教學(xué)才會不斷的向前發(fā)展，邁上新的臺階。

（作者單位：廣西桂林市第十三中學(xué)）