“探究凸透鏡成像規(guī)律”實驗的改進

胡敏+顧鋒+盧海洋

摘 要：“探究凸透鏡成像的規(guī)律”既是初中物理的一大重要探究實驗，又是學(xué)生學(xué)習(xí)的一大難點。但目前大多數(shù)物理教師采用蠟燭、白屏、帶傳統(tǒng)刻度尺的光具座等實驗儀器進行探究實驗，往往會出現(xiàn)光源不穩(wěn)定、光源亮度不足、讀數(shù)不便利、像的大小判斷不科學(xué)等問題。為增加該探究實驗的成功率，使學(xué)生深入理解凸透鏡成像的規(guī)律，教師需要在教學(xué)中對光源、刻度尺與光屏進行改進。

關(guān)鍵詞：儀器改進；平行光源；發(fā)光二極管

中圖分類號：G64 文獻標識碼：A 文章編號：1673-9132（2017）14-0226-03

DOI：10.16657/j.cnki.issn1673-9132.2017.14.148

《全日制義務(wù)教育物理課程標準》在內(nèi)容標準中提出“探究并知道凸透鏡成像的規(guī)律”。由此可見，“探究凸透鏡成像的規(guī)律”既是初中物理的一大重要探究實驗，又是學(xué)生學(xué)習(xí)的一大難點。該探究實驗的成功與否直接影響了學(xué)生對于凸透鏡成像規(guī)律及其相關(guān)知識的掌握程度，做好該探究實驗還能培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究的能力，使學(xué)生深入體會科學(xué)學(xué)習(xí)的方法，增強學(xué)生的探究意識。實驗儀器的選擇對實驗是否成功至關(guān)重要，在科技飛速發(fā)展的今日，理應(yīng)對此實驗的傳統(tǒng)儀器進行一定的改進。

一、傳統(tǒng)儀器及其不足

上圖為目前大多數(shù)學(xué)校的實驗室普遍配置的傳統(tǒng)實驗儀器，用蠟燭、10cm焦距的凸透鏡、光屏以及帶刻度尺的光具座等實驗器材來演示和探究凸透鏡成像的規(guī)律。

（一）光源的不足

雖然傳統(tǒng)實驗將蠟燭作為光源有簡單易行的優(yōu)點，但仍然存在以下幾點不足。

1.在實驗過程中需要不斷調(diào)整位置以在光屏上找到最清晰的像，耗時較長。而蠟燭在燃燒過程中會不斷變短，因此，實驗過程中難以保證燭心、凸透鏡光心與光屏中心處于同一高度，需要學(xué)生不斷地對蠟燭的高度進行調(diào)整，導(dǎo)致操作繁瑣。

2.很小的空氣流動都會引起燭焰的晃動，使燭焰的大小不穩(wěn)定，會影響光屏上像的清晰度，不僅不利于學(xué)生找出最清晰的像，導(dǎo)致像距的誤差較大，而且難以科學(xué)地探究像的大小的變化規(guī)律，嚴重阻礙了實驗規(guī)律的得出。

3.除了燭焰會前后晃動，蠟燭本身也具有一定的厚度，這會導(dǎo)致測量物距的誤差較大。

4.燭焰的形狀具有左右對稱的特點，因此，在觀察光屏上的實像時只能發(fā)現(xiàn)上下倒立的特點，卻不能觀察到左右相反的特點，需要用手輕輕煽動才能看到。

5.由于蠟燭具有亮度不足和不穩(wěn)定的特點，此實驗需要在封閉的暗室中進行，而多個蠟燭同時長時間燃燒會產(chǎn)生大量的二氧化碳，濃烈的氣味會使人感到不適，不利于學(xué)生的身體健康。

6.在實驗中使用蠟燭存在安全隱患，若使用不慎容易引起火災(zāi)；蠟油流到桌面，難以清理，容易污染實驗室環(huán)境。

（二）刻度尺的不足

常見的光具座上帶有刻度尺，通常其最左端為零刻度線，且刻度從左至右依次變大。因此，學(xué)生在讀取物距時需要將凸透鏡的位置讀數(shù)減去光源的位置讀數(shù)，在讀取像距時用光屏的位置讀數(shù)減去凸透鏡的位置讀數(shù)，給數(shù)據(jù)的記錄帶來了諸多不便。此外，不少學(xué)生還會忘記計算，導(dǎo)致實驗數(shù)據(jù)的錯誤，直接影響了實驗規(guī)律的得出。

（三）光屏的不足

傳統(tǒng)實驗使用的光屏是一塊白屏，無法準確地反映像的位置與大小，學(xué)生通常靠目測來判斷像的大小變化和比較像與物的大小關(guān)系，具有較大的不確定性。例如，當(dāng)物體處于兩倍焦距時，由于像比較暗，學(xué)生往往會認為這時的像是縮小的，由此得出錯誤的實驗結(jié)論。

二、實驗儀器的改進

（一）光源的改進

針對蠟燭燭焰的不穩(wěn)定、亮度不足以及左右對稱等缺點，對光源作改進。下面，分別對“①”形平行光源和 “F”形LED光源的制作方法與原理作簡要介紹。

1.“①”形平行光源

（1）制作材料

微型遮光筒（約10cm長）、“6V 3W”的小燈泡、凸透鏡（焦距約為5cm）、擋光板、導(dǎo)線兩根、電源、膠水。

（2）制作方法

a. 利用膠水將凸透鏡粘于微型遮光筒的一端。

b. 在離凸透鏡光心5cm位置處的微型遮光筒的一側(cè)開一個小洞，并將小燈泡通過此洞裝入筒內(nèi)。導(dǎo)線接在小燈泡的正負端，引于筒外，用于連接電源。

c. 如圖2，將擋光板的中間挖成“①”形，并將其置于凸透鏡的前方。

d. 分別在微型遮光筒與擋光板的下方固定一個支架，方便在光具座上進行實驗。

（3）儀器原理

小燈泡位于凸透鏡的焦點處，其發(fā)出的光經(jīng)過凸透鏡的折射后會成為平行于主光軸的光線，再經(jīng)過“①”形擋光板后射出。因此，若將此儀器用于實驗，實驗中真正的光源是擋光板處射出的帶有“①”形的平行光。

2.“F”形LED光源

（1）制作材料

13個紅色的發(fā)光二極管（LED）、方格板、電池盒、干電池兩節(jié)（5號）、塑料板、導(dǎo)線、開關(guān)

（2）制作方法

a. 將13個紅色的發(fā)光二極管按“F”字樣鑲嵌排列在方格板上，并利用導(dǎo)線將發(fā)光二極管與開關(guān)串聯(lián)在電池盒的兩端。

b. 將上述串聯(lián)組合固定于塑料板內(nèi)，并在面板上露出“F”形光源與開關(guān)按鈕。

c. 在面板下固定一個支架，方便在光具座上進行實驗。

（3）儀器原理

LED二極管發(fā)出的是平行光束，具有同軸度高的特點，因此可以直接將其作為探究凸透鏡成像的實驗光源。

3. 改進儀器的比較

（1）共同特點

將上述兩種光源代替蠟燭來進行“探究凸透鏡成像規(guī)律”的實驗，具有以下幾點共同的特點。

a. 利用功率較大的小燈泡或發(fā)光二極管制作平行光源可以解決蠟燭亮度不足的問題，使成像更為清晰，有利于學(xué)生觀察光屏上的成像情況。

b. 若以上述儀器作為光源，真正的發(fā)光物分別為“①”形的擋光板處射出的平行光及“F”形發(fā)光二極管組，兩者厚度都很薄，可以解決使用蠟燭時測量物距的不確定性的問題，從而減小實驗誤差。

c. “①”與“F”的形狀不具有對稱性，都能利于學(xué)生觀察到實像同時具有倒立和左右相反的特點。

d. 兩個光源都不受空氣流動的影響，具有穩(wěn)定性。解決了蠟燭燭焰晃動以及燃燒時蠟燭不斷變短的問題，便于學(xué)生找到像的位置，得出實驗規(guī)律。

e. 兩儀器都比蠟燭具有更廣泛的使用空間，可以作為平行光源來使用，如可用于測量實驗中使用的凸透鏡的焦距等。

f. 兩光源都是通電的，皆具有可重復(fù)使用和安全穩(wěn)定的特點。

（2）注意事項

a. “①”形自制平行光源

第一，小燈泡發(fā)光的燈絲具有幾何形狀，所以，燈絲并非都置于凸透鏡的焦點處，較難得到平行光，即此光源較難達到共軸的效果，需要教師較強的實驗操作能力。

第二，“①”形的擋光板處發(fā)出的平行光為實驗光源，因此物距為擋光板到凸透鏡的距離，而學(xué)生對此難以理解，他們往往會把微型筒與凸透鏡的距離當(dāng)做物距，需要教師在實驗前對學(xué)生作簡要解釋。

b. “F”形LED光源

雖然發(fā)光二極管具有更高的穩(wěn)定性，但這種光源存在制作成本高的問題。

基于以上事項，教師需要根據(jù)自身的操作能力和教學(xué)環(huán)境來合理選擇改進方案。

（二）刻度尺的改進

針對常見刻度尺不便于數(shù)據(jù)記錄的問題，可以將零刻度線置于刻度尺的中點，且刻度從中間往兩端依次變大（如圖6）。在探究過程中，將凸透鏡固定于光具座的中間零刻度線處，移動光源與光屏后可以直接從刻度尺上讀出物距與像距，即光源與光屏的位置讀數(shù)。

改進方法：可以把零刻度在中間的鋼尺（長度為90cm）固定于光具座上，亦可以在雙面膠上畫上所需的刻度線，并貼于原來刻度尺上將其覆蓋。

（三）光屏的改進

針對白屏不能準確反應(yīng)像的大小的問題，在白屏上貼上畫有1cm×1cm網(wǎng)格線的紙片，再做一條可以動的刻度線（如圖7、圖8）。其中，網(wǎng)格線有助于學(xué)生直觀地觀察像的大小的變化情況，刻度線有利于學(xué)生更精確地比較像與物的大小關(guān)系。

三、基于中考的改進調(diào)整

目前，中學(xué)物理教師在此實驗教學(xué)中沒有對儀器作進一步改進，其主要原因是中考相關(guān)的實驗題涉及到的都是傳統(tǒng)的實驗儀器。

例：（2011年中考·山東濰坊卷）小麗組在探究凸透鏡成像的規(guī)律時，使用的凸透鏡焦距為10cm，他們把蠟燭和凸透鏡分別放在如下圖所示位置，然后調(diào)節(jié)光屏至合適的位置，則顯示出一個倒立、_______（填“放大”或“縮小”）的像，像的位置在60cm刻度處的______側(cè)（填“左”或“右”）。

若完全拋棄傳統(tǒng)的實驗儀器，學(xué)生在做題時會感到陌生?；诖藛栴}，可對該實驗課作如下調(diào)整。

（1）在演示實驗環(huán)節(jié)可以采用蠟燭作為光源，在學(xué)生充分觀察與了解后，再利用改進的光源讓學(xué)生進行探究實驗。

（2）在學(xué)生探究實驗“進行實驗與收集證據(jù)”的環(huán)節(jié)中，利用改進的刻度尺進行實驗。實驗后，在“交流與討論”環(huán)節(jié)中，教師可提出諸如“刻度尺上零刻度線在最左端時對實驗過程有何影響”的問題讓學(xué)生思考。這樣不僅能降低實驗數(shù)據(jù)的錯誤率，還能提醒學(xué)生注意刻度尺上零刻度線的位置。

通過以上的調(diào)整，能讓學(xué)生在利用改進儀器進行探究的同時了解傳統(tǒng)儀器。此外，若改進儀器在此實驗教學(xué)中得到普及，則中考的相關(guān)內(nèi)容也會與時俱進地作相應(yīng)調(diào)整。

四、改進總結(jié)

通過制作平行光源和LED光源來改進蠟燭穩(wěn)定性不足、亮度低、不安全、左右對稱等缺陷；調(diào)整零刻度線至刻度尺中間位置，以此解決讀數(shù)不便的問題；在光屏上添加網(wǎng)格線，使實驗現(xiàn)象更直觀精確。最后，根據(jù)實際情況對該實驗課作適當(dāng)調(diào)整，從而避免改進儀器與中考內(nèi)容脫節(jié)，同時促進中考相關(guān)內(nèi)容的即時調(diào)整。

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[責(zé)任編輯 馮紅偉]