用透明水杯突破凸透鏡成像的相關(guān)問(wèn)題

程從亮 鄭其武

摘? ?要：物理來(lái)源于生活實(shí)踐。文章利用一個(gè)透明的水杯設(shè)計(jì)物理實(shí)驗(yàn)，更加直觀地向?qū)W生講解凸透鏡成像的相關(guān)概念、規(guī)律及原理，幫助學(xué)生突破中考重難點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：凸透鏡成像;水杯;實(shí)驗(yàn)

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? 文章編號(hào)：1003-6148（2020）12-0064-3

凸透鏡成像規(guī)律是中考中的重難點(diǎn)和考試熱點(diǎn)。筆者和學(xué)生一起用透明水杯完成凸透鏡成像演示實(shí)驗(yàn)，不僅幫助學(xué)生理解凸透鏡成像規(guī)律，還探究出凸透鏡成像規(guī)律與物距有關(guān)，從而突破這個(gè)中考重點(diǎn)和難點(diǎn)。此外，學(xué)生在此過(guò)程中親身體驗(yàn)了實(shí)驗(yàn)對(duì)物理學(xué)習(xí)的幫助，加深了對(duì)凸透鏡成像特點(diǎn)及原理的理解。

1? ? 問(wèn)題的提出

例1 將一蠟燭放在裝有水的燒瓶前，調(diào)整蠟燭和燒瓶至如圖1所示的位置，在墻壁上得到清晰的像。該像的性質(zhì)是（）

A.縮小的虛像

B.放大的虛像

C.縮小的實(shí)像

D.放大的實(shí)像

這是一個(gè)初二凸透鏡成像的常規(guī)題，也是一個(gè)探究凸透鏡成像的典型題。學(xué)生面臨該類題，仔細(xì)思考后，會(huì)有以下問(wèn)題：

（1）到底什么是物距？什么是像距？怎樣確定焦距？

（2）照相機(jī)、投影儀、放大鏡的原理是什么？為什么感覺(jué)這三個(gè)光學(xué)器具的原理總是記不?。?/p>

（3）怎樣快速、準(zhǔn)確地判斷所給出的光路圖是屬于照相機(jī)、投影儀還是放大鏡呢？

（4）在探究凸透鏡成像規(guī)律的實(shí)驗(yàn)中要注意什么問(wèn)題呢？

2? ? 解決方案

2.1? ? 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

可運(yùn)用生活中常見(jiàn)的透明水杯、礦泉水瓶等可以看作直柱體的透明容器。在透明直柱體容器中裝滿水，這樣一個(gè)凸透鏡就做好了。在教學(xué)過(guò)程中可讓兩位學(xué)生在凸透鏡兩側(cè)移動(dòng)并互相觀看對(duì)方所成的像，以此來(lái)探究凸透鏡成像的特點(diǎn)與物距的關(guān)系，從而得到凸透鏡成像規(guī)律。

2.2? ? 改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置的原理說(shuō)明

圖2是甲同學(xué)的實(shí)驗(yàn)裝置原理圖。物距是指物體到凸透鏡的距離，用字母u表示;像距是指物體所成像到凸透鏡的距離，用字母v表示。

3? ? 改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的步驟

（1）物體距離透明水杯很近時(shí)（放大鏡的原理）;

（2）物體距離透明水杯稍微遠(yuǎn)一點(diǎn)時(shí)（投影儀的原理）;

（3）物體距離透明水杯很遠(yuǎn)時(shí)（照相機(jī)的原理）。

4? ? 改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的說(shuō)明

（1）物體距離透明水杯很近時(shí)（放大鏡的原理）

實(shí)驗(yàn)中甲同學(xué)很靠近透明水杯（幾乎挨著透明水杯，物距很短），其原理如圖2所示，乙同學(xué)觀察現(xiàn)象，比較甲同學(xué)關(guān)于甲同學(xué)成像的特點(diǎn)，得出正立放大的虛像。接著甲、乙同學(xué)互換位置，繼續(xù)完成實(shí)驗(yàn)探究。這樣通過(guò)透明水杯演示凸透鏡成像規(guī)律，他們就能直觀地感受到凸透鏡成像是正立放大的虛像。

（2）物體距離透明水杯稍微遠(yuǎn)一點(diǎn)時(shí)（投影儀的原理）

實(shí)驗(yàn)中甲同學(xué)稍微遠(yuǎn)離透明水杯，其原理如圖3所示，乙同學(xué)觀察現(xiàn)象，比較甲同學(xué)關(guān)于甲同學(xué)成像的特點(diǎn)，得出倒立放大的實(shí)像。甲、乙同學(xué)互換位置，繼續(xù)完成探究。這樣通過(guò)透明水杯演示凸透鏡成像規(guī)律，他們就能直觀地感受到凸透鏡成像是倒立放大的實(shí)像。

（3）物體距離透明水杯很遠(yuǎn)時(shí)（照相機(jī)的原理）

實(shí)驗(yàn)中甲同學(xué)遠(yuǎn)離透明水杯，其原理如圖4所示，乙同學(xué)觀察現(xiàn)象，比較甲同學(xué)關(guān)于甲同學(xué)成像的特點(diǎn)。甲、乙同學(xué)互換位置，繼續(xù)完成探究。這樣通過(guò)透明水杯演示凸透鏡成像規(guī)律，他們就能直觀地感受到凸透鏡成像是倒立縮小的實(shí)像。

5? ? 創(chuàng)新說(shuō)明

（1）本實(shí)驗(yàn)用透明水杯對(duì)傳統(tǒng)的凸透鏡成像實(shí)驗(yàn)進(jìn)行創(chuàng)新性的改進(jìn)，演示的功能和效果得到了很大的提升，提高了分組實(shí)驗(yàn)的參與度，增強(qiáng)了教學(xué)的生活化，更好地讓學(xué)生掌握科學(xué)探究的核心素養(yǎng)。

（2）本實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新在于從生活走向物理，又從物理走向生活，還能填充理論教學(xué)的不足。

（3）本實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新還在于把實(shí)驗(yàn)有趣化、實(shí)驗(yàn)器材普及化、實(shí)驗(yàn)易操作化、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯化以及體現(xiàn)物理實(shí)驗(yàn)生活化。

6? ? 成效及反思

在中考中，考查凸透鏡成像規(guī)律是出題的題根，且所給題都具有很強(qiáng)的綜合性。例如，不單單只有照相機(jī)的原理，有可能先給出一個(gè)投影儀的原理，最后考查的是放大鏡的應(yīng)用;也有可能先給出投影儀的原理，最后考查照相機(jī)的應(yīng)用;還有可能給出照相機(jī)的原理，考查投影儀的應(yīng)用，等等。我們?cè)诮虒W(xué)中，可以充分利用學(xué)生設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)，將身邊最熟悉的生活物品作為實(shí)驗(yàn)器材，首先讓學(xué)生理解凸透鏡成像可以成三種最容易觀察到的像（正立放大的虛像、倒立放大的實(shí)像、倒立縮小的實(shí)像），再根據(jù)題意確定是三種情景中的哪一種，然后根據(jù)相關(guān)的像距、物距關(guān)系，算出焦距范圍，最后利用題干信息，從而更輕松地解決每個(gè)問(wèn)題。下文以具體例題進(jìn)行闡述。

（1）用透明水杯完成凸透鏡成像規(guī)律的探究來(lái)解決凸透鏡怎么移動(dòng)問(wèn)題

例2 一天，小聰告訴小亮，放大鏡不僅能把物體“放大”，還能把物體“縮小”！有些驚訝的小亮立刻找來(lái)一個(gè)放大鏡做起了實(shí)驗(yàn)。他把放大鏡放到花朵前某一位置時(shí)，看到了如圖5所示的花朵的正立放大的虛像。接著他按小聰?shù)奶崾具M(jìn)行了操作，終于看到了“縮小”的花朵。關(guān)于小亮看到“放大”花朵后的操作及他看到的“縮小”花朵，下列說(shuō)法正確的是（）

A.小亮向靠近花朵的方向移動(dòng)放大鏡，看到的是花朵正立縮小的虛像，像的位置在放大鏡與花朵之間

B.小亮向靠近花朵的方向移動(dòng)放大鏡，看到的是花朵倒立縮小的實(shí)像，像的位置在放大鏡與小亮眼睛之間

C.小亮向遠(yuǎn)離花朵的方向移動(dòng)放大鏡，看到的是花朵正立縮小的虛像，像的位置在放大鏡與花朵之間

D.小亮向遠(yuǎn)離花朵的方向移動(dòng)放大鏡，看到的是花朵倒立縮小的實(shí)像，像的位置在放大鏡與小亮眼睛之間

第一步，分析題意需要得到關(guān)于小亮看到“放大”花朵后的操作及他看到的“縮小”花朵。

第二步，回顧前面的實(shí)驗(yàn)探究，要得到縮小的像，只有“實(shí)驗(yàn)原理圖3”中才有;正立放大的像，只有“實(shí)驗(yàn)原理圖1”中才有。

第三步，確定實(shí)驗(yàn)操作應(yīng)該是從“實(shí)驗(yàn)原理圖1”到“實(shí)驗(yàn)原理圖3”，這樣很容易把這道復(fù)雜的常規(guī)題轉(zhuǎn)化為學(xué)生動(dòng)手實(shí)驗(yàn)探究來(lái)完成。

（2）用透明水杯完成凸透鏡成像規(guī)律的探究來(lái)解決凸透鏡綜合問(wèn)題

例3 小林同學(xué)做“探究凸透鏡成像規(guī)律”的實(shí)驗(yàn)中，蠟燭、凸透鏡、光屏在光具座上的位置如圖6所示，這時(shí)燭焰在光屏上成清晰的像（像未在圖中畫(huà)出來(lái)），下列說(shuō)法正確的是（）

A.光屏上形成的是燭焰倒立等大的實(shí)像

B.圖中成像特點(diǎn)與照相機(jī)成像特點(diǎn)完全相同

C.將蠟燭移到光具座10 cm刻度線處，保持凸透鏡和光屏不動(dòng)，光屏上仍可成清晰的燭焰像

D.將蠟燭移到光具座40 cm刻度線處，保持凸透鏡不動(dòng)，無(wú)論怎樣移動(dòng)光屏，上面都得不到清晰的蠟燭像

第一步，分析題干，找到“這時(shí)燭焰在光屏上成清晰的像（像未在圖中畫(huà)出來(lái)）”，得出物距小于像距，與筆者的“實(shí)驗(yàn)原理圖2”一樣。

第二步，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得到，此時(shí)光屏的像是倒立放大的實(shí)像，屬于投影儀。

第三步，根據(jù)投影儀的原理，物距在一二倍焦距之間，像距在二倍焦距以外，在光具座上讀出物距和像距，算出焦距的范圍。

第四步，根據(jù)焦距的范圍，一一落實(shí)每個(gè)問(wèn)題。

7? ? 該實(shí)驗(yàn)的不足

本探究實(shí)驗(yàn)不能定量地確定放大鏡、投影儀和照相機(jī)三種光學(xué)器具的原理中物距和像距的關(guān)系，只能進(jìn)行定性研究。在幫助學(xué)生定性地理解這三種原理方面，這一方法卻有很好的突破作用。

（欄目編輯? ? 張正嚴(yán)）