“透鏡”實(shí)驗(yàn)儀器的創(chuàng)新改進(jìn)

秦 野 田麗杰 馬曉光

(魯東大學(xué)物理與光電工程學(xué)院 山東 煙臺 264025)

隨著基礎(chǔ)教育的改革和當(dāng)今社會教育理念的不斷更新，物理學(xué)科中實(shí)驗(yàn)教學(xué)的地位越來越重要.2011年教育部制定的《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2011年版)》中提到物理課程應(yīng)當(dāng)“使學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)探究過程，學(xué)習(xí)科學(xué)研究方法，培養(yǎng)學(xué)生的探索精神、實(shí)踐能力及創(chuàng)新意識”[1].“透鏡”是義務(wù)教育階段光學(xué)部分的基礎(chǔ)知識，透鏡對光線的作用是學(xué)生需要掌握的重要光學(xué)規(guī)律.因此，研發(fā)針對“透鏡”實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新教具輔助教學(xué)符合新教學(xué)理念，是使學(xué)生深入理解光學(xué)原理，提高學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的重要途徑.傳統(tǒng)教學(xué)中，教師通常利用激光燈發(fā)出光線，在煙霧室或暗室中對實(shí)驗(yàn)光路進(jìn)行簡單演示，不易操作、誤差較大、污染環(huán)境.因此，針對傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的不足，受霧天汽車燈光的啟發(fā)，自制了“透鏡對光線的作用實(shí)驗(yàn)儀”.經(jīng)實(shí)踐，借助自制教具改進(jìn)后的“透鏡”實(shí)驗(yàn)，使物理課堂與實(shí)驗(yàn)教學(xué)有效結(jié)合，大大提高了教學(xué)效率和學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣.

1 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方式

基于人教版義務(wù)教育教科書《物理》八年級上冊第五章第1節(jié)“透鏡”[2]，經(jīng)調(diào)研，“透鏡對光線的作用”實(shí)驗(yàn)演示主要采取以下兩種方式.

1.1 利用暗室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)

利用暗室演示透鏡對光線的作用是最傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法，人教版教材中也采取了這一方式，如圖1所示.其中圖1(a)是凸透鏡對光線的作用實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，圖1(b)是凹透鏡對光線的作用實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象.該實(shí)驗(yàn)裝置的主要構(gòu)成有：帶有磁鐵的三孔激光燈(可吸附于黑板或白板上)、柱狀平凹(凸)透鏡.實(shí)驗(yàn)操作比較簡單，需提供一個(gè)暗室，在教室中關(guān)窗簾、關(guān)燈即可，這也是最常用的實(shí)驗(yàn)方法.但該方法也有明顯不足之處.首先，實(shí)驗(yàn)對暗室環(huán)境要求較高，且三孔激光燈功率過小，易造成實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不直觀，不能很好呈現(xiàn)光路等問題.其次，實(shí)驗(yàn)利用的透鏡外觀并非本節(jié)課學(xué)生新接觸的“透鏡”，因此該實(shí)驗(yàn)說服力不夠，缺乏物理學(xué)科應(yīng)有的嚴(yán)謹(jǐn)性，容易使學(xué)生形成錯(cuò)誤的前概念.因此，該實(shí)驗(yàn)方式需要從光源選取和透鏡選擇兩個(gè)方面進(jìn)行創(chuàng)新改進(jìn).

(a)凸透鏡對光線的作用

(b)凹透鏡對光線的作用

1.2 利用煙霧室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)

經(jīng)調(diào)研，將暗室改進(jìn)成煙霧室的想法很早就有人提出[3].改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置簡化圖如圖2所示.其主要構(gòu)造有：透明可密封的玻璃箱或亞克力箱、大功率激光燈、透鏡、煙霧產(chǎn)生裝置.其中煙霧可由紅磷或香煙產(chǎn)生，相比較于暗室，該裝置存在實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更明顯、受外界環(huán)境干擾較小等優(yōu)點(diǎn).但與此同時(shí)，利用紅磷或香煙制造煙霧來呈現(xiàn)光路存在非常大的安全隱患，并且煙霧對環(huán)境也會造成污染.除了利用這一方法產(chǎn)生煙霧之外，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，后來采用煙霧器產(chǎn)生煙霧，這種方法雖然解決了安全隱患，但由于煙霧器成本較高，所以利用煙霧室演示該實(shí)驗(yàn)的方法至今沒有得到很廣泛的推行.

①煙霧室；②透鏡；③激光燈；④煙霧產(chǎn)生裝置

2 自制實(shí)驗(yàn)儀

2.1 儀器的構(gòu)造及作用

經(jīng)過以上分析，針對以往實(shí)驗(yàn)顯露的弊端，利用生活中常見的材料和家用小電器，對該實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，自制出“透鏡對光線的作用實(shí)驗(yàn)儀”，如圖3所示.該儀器主要由背景板、激光燈、水霧器、出霧管、透鏡5個(gè)部分構(gòu)成.

①背景板；②激光燈；③水霧器；④出霧管；⑤透鏡

(1)背景板

以往實(shí)驗(yàn)中，利用白板作為實(shí)驗(yàn)背景板，將三孔激光燈的磁鐵吸附于上，但由于磁力太小無法在豎直平面內(nèi)固定透鏡及激光燈.針對這一問題，改進(jìn)后的背景板是由雪弗板、泡沫板、薄鐵板粘合而成.雪弗板不易變形，因此作為背景板的最外層.泡沫板輕便且可塑性強(qiáng)，方便在背景板上鑿出凹槽放置透鏡.薄鐵板可以加強(qiáng)背景板的吸附力，防止調(diào)節(jié)透鏡或激光燈位置時(shí)發(fā)生掉落現(xiàn)象.另外，實(shí)驗(yàn)儀器的巧妙之處在于根據(jù)所使用的透鏡直徑及焦距，提前在背景板上標(biāo)畫輔助線，方便教師判斷主光軸位置，平行光路以及焦點(diǎn)位置，使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加準(zhǔn)確也便于測量焦距.

(2)激光燈和透鏡

透鏡底部粘有磁鐵，這樣便可使透鏡固定于背景板的凹槽中，且可調(diào)節(jié)更換不同的透鏡.考慮到激光燈的循環(huán)利用問題，不宜直接粘附強(qiáng)磁鐵，因此特意制作了“燈托”.燈托的主要作用是固定激光燈，由于背景板內(nèi)部鑲有鐵板，燈托可以依靠磁鐵與背景板相吸，起到任意調(diào)節(jié)光源來向的作用.燈托和透鏡都是通過強(qiáng)磁鐵吸附于背景板上的，利用此方法方便實(shí)驗(yàn)操作，提高了實(shí)驗(yàn)效率.

(3)水霧器和出霧管

根據(jù)比較發(fā)現(xiàn)，利用水霧顯示光路效果更好.將家用小型水霧器改裝，“出霧口”連接軟管，軟管一端與水霧器相連，一端水平固定在背景板上，巧妙之處在于將背景板上方的軟管上鉆出一排小孔用來排出水霧，可使水霧均勻分布在背景板表面，從而做到資源有效利用.將透鏡固定好后，連接電源，打開水霧器開關(guān)和激光燈開關(guān)，此時(shí)就會看到光路非常清晰地在水霧中呈現(xiàn)，拍攝效果如圖4所示.

圖4 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象圖

2.2 儀器的優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：

(1)制作材料常見，設(shè)計(jì)巧妙.該實(shí)驗(yàn)儀器主要采用生活中常見的材料或者廢棄材料、零部件制成，環(huán)保且經(jīng)久耐用.

(2)利用該儀器演示的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象生動(dòng)直觀，使學(xué)生深入理解透鏡對光的作用，在實(shí)驗(yàn)探究過程中可以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和探索精神，提高科學(xué)素養(yǎng).

(3)該實(shí)驗(yàn)儀器可用于演示透鏡對光線的作用、光路可逆現(xiàn)象，也可用于講解“焦點(diǎn)”“焦距”等概念，操作簡便，使課堂效率得到很大提高.

缺點(diǎn)：

(1)透鏡選擇有限，只能利用粘有磁鐵的配套透鏡，缺乏普遍性.

(2)體積、重量較大.

(3)水霧易受風(fēng)力影響.

2.3 改進(jìn)措施

(1)將儀器的背景板繼續(xù)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)可任意切換透鏡且方便測量焦距的功能.

(2)采用更加輕便的制作材料，減小無用體積.

(3)考慮在儀器上方加一個(gè)透明罩，減小特殊情況下的風(fēng)力影響.

3 實(shí)驗(yàn)過程

3.1 實(shí)驗(yàn)器材

透鏡對光線的作用實(shí)驗(yàn)儀,凸透鏡(焦距10 cm),凹透鏡(焦距10 cm),激光燈(綠色、紅色).

3.2 實(shí)驗(yàn)步驟

實(shí)驗(yàn)一：凸透鏡對光線的作用

將事先準(zhǔn)備好的焦距為10 cm的凸透鏡放入背景板的凹槽中，調(diào)整好位置.調(diào)整燈托位置，使激光燈發(fā)出的光線平行于主光軸入射凸透鏡，可以觀察到折射光線經(jīng)過入射方異側(cè)焦點(diǎn)；調(diào)整激光燈位置，使光線經(jīng)過焦點(diǎn)入射凸透鏡，可以觀察到折射光線平行于主光軸.再次調(diào)整激光燈位置，使之發(fā)出的光線過光心入射凸透鏡，可以觀察到其傳播方向不變.實(shí)驗(yàn)光路圖如圖5所示.

圖5 凸透鏡對光線的作用光路圖

實(shí)驗(yàn)二：凹透鏡對光線的作用

將凹槽處的凸透鏡替換成焦距為10 cm的凹透鏡，調(diào)整好位置.以同樣的方式調(diào)整激光燈位置，使入射光線平行于主光軸入射，可以觀察到折射光線反向延長線過入射方同側(cè)焦點(diǎn)；調(diào)整激光燈位置，使入射光線延長線過凹透鏡異側(cè)焦點(diǎn)入射凹透鏡，可以觀察到折射光線平行于主光軸；最后調(diào)整激光燈使入射光線過光心入射，可以看到其傳播方向不變，實(shí)驗(yàn)光路圖如圖6所示.

圖6 凹透鏡對光線的作用光路圖

實(shí)驗(yàn)三：探究透鏡中的光路可逆現(xiàn)象

使綠色激光燈發(fā)出的光線平行于凸(凹)透鏡主光軸入射，可以看到明顯光路，此時(shí)在異側(cè)用紅色激光燈逆著折射光線照射，會發(fā)現(xiàn)紅色光路與綠色光路完全重合，光路變?yōu)辄S色，如圖7和圖8所示.由此可見，透鏡對光線的作用中光路是可逆的.

圖7 凸透鏡中的光路可逆現(xiàn)象

圖8 凹透鏡中的光路可逆現(xiàn)象

4 結(jié)束語

當(dāng)今社會，在新教育觀念的背景下，人們對學(xué)生的動(dòng)手操作能力和創(chuàng)新能力越來越重視，提倡將實(shí)驗(yàn)教學(xué)融入物理課堂.“透鏡對光線的作用實(shí)驗(yàn)儀”便是基于此背景的產(chǎn)物.儀器制作過程中，田麗杰老師給予筆者理論指導(dǎo)，儀器的制作也得到了山東省科普專家王德法副教授的指導(dǎo).目前，此研究已應(yīng)用于物理教學(xué)技能大賽，且成功申報(bào)研究項(xiàng)目.該項(xiàng)研究非常具有應(yīng)用價(jià)值，同時(shí)也具有廣闊的應(yīng)用前景.但該儀器還處于雛形階段，對于“透鏡”實(shí)驗(yàn)研究過程中產(chǎn)生的一系列新問題，依然需要不斷地優(yōu)化改進(jìn).同時(shí)，我們應(yīng)尋求更多有效的手段應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新，使物理課堂與更多生動(dòng)有趣的實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)我們的研究價(jià)值.