凸透鏡成像實(shí)驗(yàn)的教學(xué)改進(jìn)

顧磊

摘 要：分析了《探究凸透鏡成像的規(guī)律》實(shí)驗(yàn)教學(xué)中有的問(wèn)題及困難，并提出了一些改進(jìn)措施。

關(guān)鍵詞：凸透鏡；燭焰的厚度；成像

《探究凸透鏡成像的規(guī)律》實(shí)驗(yàn)是初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的重點(diǎn)，而實(shí)驗(yàn)的完成情況則會(huì)影響到凸透鏡成像規(guī)律能否正確得出，進(jìn)而對(duì)凸透鏡成像規(guī)律的應(yīng)用教學(xué)帶來(lái)影響。一直以來(lái)《凸透鏡成像規(guī)律》的實(shí)驗(yàn)教學(xué)沿用傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法，即用蠟燭作為實(shí)驗(yàn)光源，不利于實(shí)驗(yàn)結(jié)論的得出。筆者對(duì)此進(jìn)行了一些改進(jìn)，使之簡(jiǎn)單易做，且更加符合學(xué)生的認(rèn)識(shí)過(guò)程。

一、問(wèn)題及困難

但在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，利用蠟燭、凸透鏡、光屏以及光具座等實(shí)驗(yàn)器材探究凸透鏡成像規(guī)律時(shí)，卻很難得到如上所述的兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的成像情況，除了測(cè)量誤差這個(gè)因素之外，更重要的原因就是實(shí)驗(yàn)中作為光源的燭焰自身沿主光軸方向存在一定的厚度，且容易晃動(dòng)，大小不定，無(wú)法利用刻度尺對(duì)像與物的大小進(jìn)行定量測(cè)量，所以會(huì)出現(xiàn)如下的問(wèn)題：

（1）當(dāng)u=2f時(shí)，像與物的大小無(wú)法進(jìn)行比較。

由于燭焰存在一定的厚度，我們可以設(shè)想把燭焰沿垂直于主光軸所在的平面分成兩個(gè)部分，此時(shí)各部分燭焰成像情況如下：在 2f點(diǎn)外側(cè)的燭焰，成倒立、縮小的實(shí)像；在2f點(diǎn)內(nèi)側(cè)的燭焰，成倒立、放大的實(shí)像，恰好在2f點(diǎn)上的燭焰，成倒立、等大的實(shí)像；最后在光屏上疊加后的效果是一個(gè)模糊的燭焰像。再加上燭焰的晃動(dòng)，根本無(wú)法使用刻度尺對(duì)像與物的大小進(jìn)行定量測(cè)量，學(xué)生只能憑眼睛觀察比較，就會(huì)得到縮小、等大和放大的實(shí)像這三種情況。此時(shí)v≠2f，左、右偏差約1cm；已經(jīng)不能用誤差來(lái)解釋了。

（2）當(dāng)u=f時(shí)，會(huì)得出成像的錯(cuò)誤結(jié)論。

同樣是因?yàn)闋T焰的厚度，假如將立體的燭焰沿豎直方向分成若干燭焰平面，那么，實(shí)驗(yàn)中處于焦點(diǎn)平面上的燭焰經(jīng)過(guò)凸透鏡折射后不會(huì)成像，在光屏上形成一片亮光；而處于焦點(diǎn)外側(cè)的諸多燭焰平面，由于距離凸透鏡的遠(yuǎn)近不同，即物距不同，當(dāng)一個(gè)燭焰平面在光屏上形成較為清晰的像后，其他各燭焰平面在光屏上形成的像就會(huì)模糊，彼此之間會(huì)造成一定的影響，最終光屏上能看到一片亮光中有一個(gè)倒立、放大的模糊的實(shí)像。同樣的道理，當(dāng)觀察者站在光屏一側(cè)透過(guò)凸透鏡觀察時(shí)，處于凸透鏡焦點(diǎn)內(nèi)側(cè)的半個(gè)燭焰，經(jīng)過(guò)凸透鏡折射后形成了正立、放大的模糊虛像。所以學(xué)生會(huì)誤認(rèn)為當(dāng)u=f時(shí)，可以成像，對(duì)學(xué)生的探究過(guò)程帶來(lái)影響。

二、改進(jìn)措施

通過(guò)上述分析，問(wèn)題的癥結(jié)所在已經(jīng)很清楚了，由于燭焰的厚度影響了成像清晰度，燭焰的晃動(dòng)和大小的變化，影響了像與物大小的測(cè)量和比較，以及燭焰的形狀影響了對(duì)像與物左右相反的判斷，針對(duì)這些，在實(shí)驗(yàn)中只需用平面圖案來(lái)代替立體的燭焰就可以較好地解決問(wèn)題。

解決問(wèn)題最簡(jiǎn)單的方法是在硬紙板上刻上不對(duì)稱的鏤空?qǐng)D案（如英文字母“F”），固定在光具座的滑塊上，并用強(qiáng)光（如手電筒、臺(tái)燈等）照射，來(lái)代替蠟燭燭焰。

改進(jìn)后的優(yōu)點(diǎn)：

1.改用平面圖案后，當(dāng)u=2f時(shí)，由于物和像都是靜止的，避免了由于蠟燭燃燒變短、燭焰晃動(dòng)等因素給實(shí)驗(yàn)帶來(lái)的不利影響，使光屏上所成的像更加清晰、穩(wěn)定，也方便通過(guò)測(cè)量來(lái)比較像與物的大小關(guān)系。另外，像距的誤差也變小了。u=2f時(shí)的成像規(guī)律一直是學(xué)生實(shí)驗(yàn)中的難點(diǎn)，現(xiàn)在可以放手給學(xué)生獨(dú)立完成。

2.由于是不對(duì)稱靜物成像，不僅能直觀地觀察到像與物是否上下顛倒，而且還能觀察到像與物是否左右相反。學(xué)生普遍認(rèn)為凸透鏡成實(shí)像時(shí)，僅僅上下顛倒，改進(jìn)后很好地糾正了這一錯(cuò)誤認(rèn)知，并為后面投影儀工作原理的教學(xué)做了鋪墊。

3.圖案由學(xué)生課后自己完成，可根據(jù)自己的心意隨便制作，這樣在實(shí)驗(yàn)中不僅可以增加實(shí)驗(yàn)的樂(lè)趣，還能提高學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣。

4.當(dāng)u=f時(shí)，移動(dòng)光屏或透過(guò)凸透鏡都觀察不到像，學(xué)生也不會(huì)出現(xiàn)有關(guān)成像的誤判。

通過(guò)以上改進(jìn)，操作上更加簡(jiǎn)單、安全，碰到的問(wèn)題也得到了很好的解決，整個(gè)探究過(guò)程一節(jié)課即可完成，且在學(xué)生實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，難以完成實(shí)驗(yàn)并得出上述實(shí)驗(yàn)結(jié)論的人數(shù)大大減少，收到了很好的實(shí)驗(yàn)效果。

（作者單位 江蘇省徐州市城北中學(xué)）