深入探討“凸透鏡成像規(guī)律”實(shí)驗(yàn)中物、鏡、屏的高度問題

摘要：本文針對“凸透鏡成像規(guī)律”實(shí)驗(yàn)中物、鏡、屏三者中心是否一定要保持同一高度的問題，通過查閱資料，從實(shí)驗(yàn)探究和光學(xué)原理兩個角度進(jìn)行分析，得出結(jié)論：物、鏡、屏三者中心應(yīng)處于同一高度而非在同一直線上。此外，本文從靜態(tài)思維、實(shí)驗(yàn)器材、實(shí)驗(yàn)方法三個方面分析了導(dǎo)致錯誤認(rèn)知的成因，并提出了深入研究教材、立足實(shí)驗(yàn)操作、開發(fā)課堂教學(xué)等相應(yīng)的對策。

關(guān)鍵詞：凸透鏡成像規(guī)律；實(shí)驗(yàn)；高度關(guān)系

1問題的提出

在“研究凸透鏡成像規(guī)律”的實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)一段時間后，原來成在光屏中央的像“跑”到如圖所示的位置。下列操作可以讓像重新回到光屏中央的有。

①光屏上移一段距離

②蠟燭下移一段距離

③透鏡下移一段距離

基于燃燒、熔化等原因，蠟燭越來越短，導(dǎo)致燭焰高度下降，因此該小問的答案只可能是①和③。該小問立足實(shí)際，旨在引導(dǎo)師生關(guān)注燭焰、凸透鏡、光屏之間的高度變化，并進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，以確保像能成在光屏的中央。這類問題常見的操作：①將蠟燭往上移；②將凸透鏡往下移；③將光屏往上移。操作①會使物、鏡、屏三者中心回到同一高度，而操作②或③會使物、鏡、屏三者中心高度關(guān)系發(fā)生變化（見圖1）。由圖1可知，此時物、鏡、屏三者的中心在同一直線上，而非在同一高度上。經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，很多教師認(rèn)為物、鏡、屏三者中心應(yīng)在同一高度，同時他們又都認(rèn)為該題答案選擇①③是沒有問題的。那么，物、鏡、屏三者中心的位置關(guān)系到底應(yīng)該是在同一直線上，還是在同一高度上呢？如果物、鏡、屏三者中心在同一直線而非在同一高度上對實(shí)驗(yàn)有怎么樣的影響？

2物、鏡、屏三者中心高度的關(guān)系分析

2.1文獻(xiàn)分析

通過查閱了人教版、蘇科版、浙教版三個版本的教材發(fā)現(xiàn)：人教版《義務(wù)教育教科書物理八年級上冊》并未對高度提出具體的文字要求［1］；蘇科版《義務(wù)教育教科書物理八年級上冊》則指出實(shí)驗(yàn)前應(yīng)使?fàn)T焰和光屏的中心位于凸透鏡的主光軸上［2］；浙教版《義務(wù)教育教科書科學(xué)七年級下冊》則要求調(diào)節(jié)蠟燭、凸透鏡、光屏的中心大致處于同一高度，并讓學(xué)生想一想，為什么要這么做［3］。因此，可以得出結(jié)論，教材普遍要求蠟燭、凸透鏡、光屏三者的中心處于同一高度，而非同一直線上。

在知網(wǎng)上以“凸透鏡高度”“光屏高度”和“光屏位置”等關(guān)鍵詞進(jìn)行搜索，并未發(fā)現(xiàn)相關(guān)研究。根據(jù)調(diào)研數(shù)據(jù)，教師在日常教學(xué)中尚未對物、鏡、屏三者中心是否需要位于同一高度還是同一直線的問題進(jìn)行深入探討。

2.2實(shí)驗(yàn)分析

在日常實(shí)驗(yàn)中，通常采用物、鏡、屏三者中心在同一高度的方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果也與預(yù)期相符，故不再對物、鏡、屏三者中心在同一高度的情況進(jìn)行詳細(xì)分析。接下來，本文將對物、鏡、屏三者中心在同一直線但不同高度的情況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。

2.2.1調(diào)節(jié)凸透鏡高度使物、鏡、屏三者中心回到同一直線

當(dāng)物體的高度偏低，導(dǎo)致像成在光屏的上部時，通過調(diào)節(jié)光屏位置，可以在光屏上呈現(xiàn)出清晰的像。以物、鏡、屏三者中心在同一直線上即可的思想為指導(dǎo)，如果將凸透鏡向下移動一段合適的距離，像確實(shí)能回到光屏中央。然而，通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，此時的像已不再清晰。由此可知，當(dāng)蠟燭變短時，雖然通過調(diào)節(jié)凸透鏡的高度或光屏的高度能使像重新成在光屏的中央，但所成的像已不再清晰。

2.2.2改變物距分析像的高度變化

當(dāng)物、鏡、屏三者中心在同一直線但高度不同時，調(diào)整三者之間的相對距離，可以在光屏上呈現(xiàn)出清晰的像。在這種情況下，物體的高度最低，而光屏的高度最高。若減小物距，同時移動光屏，使光屏上再次呈現(xiàn)出清晰的像。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)光屏上再次呈現(xiàn)出清晰的像時，像會出現(xiàn)在光屏的上部。由此可知，當(dāng)物、鏡、屏三者中心在同一直線但不同高度時，雖然能使像成在光屏中心，但改變物距后，像所在的高度會隨之發(fā)生改變，不能保持像一直成在光屏中心。

2.3原理分析

2.3.1調(diào)節(jié)凸透鏡高度導(dǎo)致像模糊的原理分析

在探究“凸透鏡成像規(guī)律”實(shí)驗(yàn)中，若蠟燭燃燒變短，燭焰將會低于凸透鏡主光軸而處于圖2所示的A位置。經(jīng)過凸透鏡折射后，燭焰的像成在A′的位置，若將光屏中心放在A′的位置，則可得到一個清晰的像。若將凸透鏡向下移動，則主光軸和焦點(diǎn)均會下移，物距發(fā)生了變化。作圖可知，燭焰的像成在A″的位置，此時像距變大。由此可知，雖然向下移動凸透鏡可以使像下移，但也會使像成在光屏的后面，光屏上將不能呈現(xiàn)出清晰的像。為了在光屏上得到清晰的像，需要將光屏向右移動一小段距離。若通過調(diào)節(jié)光屏的方式，使像成在光屏中心，同樣會因?yàn)橄灎T變短導(dǎo)致物距發(fā)生變化，導(dǎo)致光屏上不能呈現(xiàn)出清晰的像。因此，該實(shí)驗(yàn)應(yīng)當(dāng)確保物、鏡、屏三者中心在同一高度，而非同一直線上。

2.3.2改變物距對像高度變化的影響分析

在探究“凸透鏡成像規(guī)律”實(shí)驗(yàn)中，若蠟燭燃燒變短，燭焰將會低于凸透鏡主光軸，處于圖3所示的A位置。經(jīng)過凸透鏡折射后，燭焰的像成在A′的位置。若將光屏中心放在A′的位置，則可得到一個清晰的像。若將燭焰移到B位置時，則經(jīng)過凸透鏡折射后，燭焰的像將成在B′的位置。由圖3可知，B′所在的位置比A′高，因此，即使將光屏水平向右移到B′位置，像也會成在光屏的上方。為了使像重新成在光屏中央，需要繼續(xù)將光屏向上移動。由此可知，每當(dāng)燭焰向左或向右移動時，都需要相應(yīng)調(diào)節(jié)光屏的高度。若蠟燭燃燒變短，可以通過將凸透鏡下移的方式讓像重新成在光屏中央，那么燭焰、凸透鏡、像三者的相對位置依然是如圖3中所示的A、凸透鏡、A′所處的位置關(guān)系。同理可知，每次將燭焰向左或向右移動時，都需調(diào)節(jié)凸透鏡的高度。若通過調(diào)節(jié)燭焰高度的方式，使?fàn)T焰、凸透鏡、光屏三者中心處于同一高度，則每次將燭焰向左或向右移動時，并不需要再調(diào)節(jié)燭焰、凸透鏡、光屏三者的高度。

3分析造成錯誤認(rèn)知的原因

3.1思維方式靜態(tài)

在實(shí)驗(yàn)或試題中遇到該問題時，師生往往只從當(dāng)前問題的角度進(jìn)行操作或思考，只關(guān)注到當(dāng)前問題的解決，而沒有深入思考實(shí)驗(yàn)操作的后續(xù)影響。這導(dǎo)致學(xué)生對物、鏡、屏三者中心應(yīng)在同一直線還是同一高度的認(rèn)識不夠深刻。

3.2實(shí)驗(yàn)器材迭代

近年來，光學(xué)實(shí)驗(yàn)器材更新迭代迅速，普遍采用“F”形光源替代蠟燭進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?！癋”形光源、凸透鏡和光屏三者中心的高度已經(jīng)由廠家預(yù)先調(diào)試好，學(xué)生在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時無需再次調(diào)整，可以實(shí)現(xiàn)即插即用。此外，“F”形光源使用電能作為能源，避免了蠟燭燃燒變短的問題。在實(shí)驗(yàn)過程中，物、鏡、屏三者中心始終保持在同一高度，因此物、鏡、屏三者中心不在同一高度的問題，在使用新型實(shí)驗(yàn)器材時已不再適用。

3.3實(shí)驗(yàn)方式固化

在使用“F”形光源之前，凸透鏡成像實(shí)驗(yàn)通常由教師進(jìn)行演示和講解，而學(xué)生僅扮演觀察者的角色。隨著實(shí)驗(yàn)條件改善，當(dāng)學(xué)生開始進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)時，又已是使用“F”形光源的時代，學(xué)生因此失去了發(fā)現(xiàn)問題的機(jī)會。此外，由于凸透鏡成像實(shí)驗(yàn)相對比較復(fù)雜，需要關(guān)注的細(xì)節(jié)較多，數(shù)據(jù)處理也較為困難，導(dǎo)致即使是分組實(shí)驗(yàn)，學(xué)生也往往在教師演示和經(jīng)過反復(fù)討論設(shè)計之后，才按照既定步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，從而失去了在探索中發(fā)現(xiàn)問題的環(huán)境。

4對策及建議

4.1精研教材挖細(xì)節(jié)

教材是重要的教學(xué)載體，每個細(xì)節(jié)都經(jīng)過精心設(shè)計。因此，教師在教學(xué)之前，應(yīng)當(dāng)深入研究教材，逐字逐句進(jìn)行分析，力求理解教材中每個字的深層含義，這樣可以發(fā)現(xiàn)和避免大多數(shù)問題。例如，多個版本教材中都明確指出燭焰、凸透鏡、光屏三者中心是在同一高度而非同一直線。在命制試題時，應(yīng)考慮物、鏡、屏三者中心在同一直線而不在同一高度時可能對后續(xù)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生干擾，以避免學(xué)生形成錯誤認(rèn)知。

4.2立足實(shí)驗(yàn)勤驗(yàn)證

物理是一門立足于實(shí)驗(yàn)的學(xué)科，當(dāng)教學(xué)中遇到難以決斷的問題時，可通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行理論分析，從而得到問題的答案。

4.3開放課堂重生成

開放的課堂環(huán)境常常會出現(xiàn)一些生成性問題，這些問題是教師事先無法預(yù)知的，同時也是學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中遇到的實(shí)際挑戰(zhàn)。在這樣的課堂氛圍中，教師可以引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題，并鼓勵他們探索解決問題的方法。這樣的教學(xué)過程能夠促進(jìn)學(xué)生對問題進(jìn)行多角度的思考和解讀，通過辯論和實(shí)踐來深入地解決問題，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維和創(chuàng)新思維，帶來更為深刻的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)

［1］人民教育出版社課程教材研究所物理課程教材研究開發(fā)中心.義務(wù)教育教科書物理八年級上冊［M］.北京：人民教育出版社，2012：97-99.

［2］劉炳昇，李容.義務(wù)教育教科書物理八年級上冊［M］.南京：江蘇鳳凰科學(xué)技術(shù)出版社，2012：88.

［3］朱清時.義務(wù)教育教科書科學(xué)七年級下冊［M］.杭州：浙江教育出版社，2013：76-77.