關(guān)于凸透鏡成像規(guī)律中實(shí)驗(yàn)光源的改進(jìn)

張振福

本文主要闡述了物理實(shí)驗(yàn)器材在物理實(shí)驗(yàn)中的重要性，并結(jié)合教學(xué)過(guò)程的一個(gè)具體學(xué)生實(shí)驗(yàn)器材的改進(jìn)方案，說(shuō)明實(shí)驗(yàn)器材的更新與改革對(duì)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)及培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)造能力、動(dòng)手實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ姆e極作用。

物理學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的研究自然界中各種物理現(xiàn)象的規(guī)律和物質(zhì)結(jié)構(gòu)的一門科學(xué)。物理實(shí)驗(yàn)法也是人們研究物理學(xué)的一種非常重要的方法。物理實(shí)驗(yàn)在物理教學(xué)和物理研究中有著非常重要的作用。它可以使學(xué)生直接獲得感性認(rèn)識(shí)，加深學(xué)生對(duì)物理知識(shí)的理解，激發(fā)和培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣，還可以培養(yǎng)和提高學(xué)生的觀察和實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Γ硗馐箤W(xué)生掌握物理學(xué)的研究方法對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度方面也有重要的作用。

在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，確保實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)便易行、實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象清楚、并且成功完成實(shí)驗(yàn)是最基本的要求。為達(dá)到這些要求首先要從選擇實(shí)驗(yàn)器材開(kāi)始。實(shí)驗(yàn)器材是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要物質(zhì)條件。新的實(shí)驗(yàn)器材、高精度的測(cè)量?jī)x器對(duì)物理實(shí)驗(yàn)和物理研究起著關(guān)鍵的作用。進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)在掌握實(shí)驗(yàn)原理的基礎(chǔ)上科學(xué)地選用器材，科學(xué)選用器材可以減小實(shí)驗(yàn)誤差，可以使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更加明顯，從而使得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)論更加準(zhǔn)確。但是現(xiàn)在許多學(xué)校的物理實(shí)驗(yàn)室中的多數(shù)實(shí)驗(yàn)儀器都不可避免的存在著一些與開(kāi)展現(xiàn)代探究性學(xué)習(xí)的要求不符之處。因此，物理教師在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中可以引導(dǎo)學(xué)生去發(fā)現(xiàn)一些實(shí)驗(yàn)儀器的不足并加以改進(jìn)，這樣不僅可以提高實(shí)驗(yàn)的精確性，還能培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手實(shí)驗(yàn)?zāi)芰吞骄縿?chuàng)新能力。

請(qǐng)看下面的一個(gè)具體實(shí)例：

蘇科版物理（八年級(jí)上冊(cè)）教材的第五章第二節(jié)中有一個(gè)學(xué)生實(shí)驗(yàn)“探究凸透鏡成像的規(guī)律”。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中用蠟燭作為光源簡(jiǎn)單易行，可以幫助學(xué)生得出凸透鏡成像的規(guī)律，對(duì)培養(yǎng)和提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α⑻岣邔W(xué)生的知識(shí)水平均起到了積極的作用，但本人認(rèn)為用蠟燭作為光源仍有幾點(diǎn)不足之處，并試著自制出蠟燭的替代光源。

1.蠟燭光源的不足

第一、由于燭焰自身沿透鏡主軸方向有一定的厚度，使物距不是唯一的值，這會(huì)給確定像的位置帶來(lái)困難，從而使 所得數(shù)據(jù)誤差較大。

第二、由于蠟燭在燃燒的過(guò)程中不斷變短，因此燃燒一段時(shí)間后就不能使?fàn)T焰中心、凸透鏡光心和光屏中心不在同一高度而在光屏上找不到像時(shí)就必須重新調(diào)整蠟燭的位置。

第三、燭焰易晃動(dòng)且大小不穩(wěn)定對(duì)光屏上像的清晰度產(chǎn)生影響而不便觀察。

第四、由于此實(shí)驗(yàn)要在密閉的暗室中進(jìn)行，空氣流通不暢，蠟燭在燃燒時(shí)發(fā)出濃烈的氣味并使實(shí)驗(yàn)室內(nèi)二氧化碳濃度增加使人感覺(jué)不適。

第五、在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中蠟燭不易立穩(wěn)，如果不慎還容易引起火災(zāi)，存在安全隱患。

由于以上因素，本人擬用如下器材制成的光源來(lái)替代本實(shí)驗(yàn)中的蠟燭作為光源。

2.替代光源的制作

2.1制作材料：小電池盒 干電池2節(jié)（5號(hào)或7號(hào)） 2.5V、0.3A小燈泡 焦距為f=5cm的凸透鏡 圓柱形塑料（紙）盒 （直徑比凸透鏡直徑略大，長(zhǎng)10cm左右） 毛玻璃（較?。?紙板（不透明塑料板）“F”形擋光板

2.2制作方法及過(guò)程：

（1）. 把圓柱形盒子左、右端蓋子剪掉。

（2）. 在一塊圓形（剛好放進(jìn)盒子為宜）紙板（不透明塑料板）中間剪出一個(gè)直徑比凸透鏡直徑略小的圓形孔，用膠水把凸透鏡粘在孔上（如圖1），然后把紙板固定在盒子中間靠右位置（凸透鏡的主光軸和盒子的軸線重合）。

（3）. 按圖2所示的電路圖連接好電路，把此電路用膠水固定在的盒子左端（如圖4），使小燈泡（燈絲）位于凸透鏡的左焦點(diǎn)上，電池盒固定在剪下的盒子的左端，然后作為后蓋套在盒子上（便于可取下更換電池）。

（4）. 把中間鏤空成“F”形的擋光板用膠水固定在毛玻璃上（如圖3）后固定在剪下的盒子的右端后作為前蓋套在盒子上（可取下），使字“F”的中心在凸透鏡的主光軸上（即使燈泡中心、凸透鏡的光心和字“F”的中心在同一高度、同一條直線上）。

（5）. 在盒子的下方固定一個(gè)支架，這樣就制成了一個(gè)可以替代蠟燭的光源，如圖4所示。使用時(shí)只需把此光源固定在光具座的支架上就可以了。

3.替代光源的優(yōu)點(diǎn)：

在“探究凸透鏡成像的規(guī)律”的學(xué)生實(shí)驗(yàn)中用此光源替代蠟燭，具有如下特點(diǎn)：

第一、由于該光源的自身厚度很薄，物距更容易確定，可以避免使用蠟燭時(shí)物距不是唯一的值而給確定像的位置所帶來(lái)的困難，從而使 所得數(shù)據(jù)誤差更小。

第二、在本學(xué)生實(shí)驗(yàn)中，該光源的位置始終固定在透鏡的主光軸上，而且該光源也不會(huì)受風(fēng)的影響而晃動(dòng)、改變大小，因而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，使光屏上所形成的像更加清晰、穩(wěn)定、減小誤差。

第三、使用蠟燭時(shí)，燭焰所成的像可以輕易使學(xué)生得出蠟燭成上下倒立的實(shí)像，但卻不能觀察所成的像也是左右倒立的特點(diǎn)。由于該光源為“F”形，從光屏上所成的像可以直觀的觀察到像的左右也是倒立的，這樣在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中就幫助學(xué)生輕松糾正了片面的認(rèn)為凸透鏡成實(shí)像時(shí)只是上下倒立的錯(cuò)誤觀點(diǎn)。這是使用蠟燭作為光源時(shí)不能直接觀察到的。

第四、該光源的使用范圍比蠟燭更加廣泛。如當(dāng)把“F”形擋光板（前蓋）取下后就可以作為一個(gè)平行光源來(lái)使用，可以用來(lái)測(cè)量本學(xué)生實(shí)驗(yàn)中所使用凸透鏡的焦距等。

第五、該光源還具有安全可靠、可重復(fù)使用等特點(diǎn)。

第六、本實(shí)驗(yàn)器材也可由學(xué)生自己制作完成，這樣不僅能培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手習(xí)慣和動(dòng)手制作能力，還培養(yǎng)了學(xué)生學(xué)習(xí)物理知識(shí)的興趣和探究科學(xué)知識(shí)的精神，提高學(xué)生的綜合素質(zhì)。

眾所周知，物理實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)的基礎(chǔ)，而實(shí)驗(yàn)器材又是物理實(shí)驗(yàn)成功的首要條件。但是，現(xiàn)在許多中學(xué)（尤其是初中）的物理實(shí)驗(yàn)室里面的所使用的實(shí)驗(yàn)儀器、實(shí)驗(yàn)設(shè)備普遍存在著精確度低、可靠性差、使用不方便、系統(tǒng)誤差大、使用范圍相對(duì)狹窄等缺點(diǎn)。這些缺點(diǎn)的存在使這些實(shí)驗(yàn)儀器已不能滿足現(xiàn)代化物理教育和開(kāi)展探究性學(xué)習(xí)的要求，更制約著學(xué)生自我科學(xué)素質(zhì)的提高。為此，對(duì)存在不足的實(shí)驗(yàn)儀器的改進(jìn)，不僅僅能提高實(shí)驗(yàn)儀器的精確度，增加儀器的可靠性，減小實(shí)驗(yàn)儀器的系統(tǒng)誤差，而且在培養(yǎng)學(xué)生的文化科技素質(zhì)、實(shí)踐操作能力和創(chuàng)新創(chuàng)造能力等方面也有積極的作用。

（作者單位：江蘇省張家港市第一中學(xué)）