凸透鏡成像光路實驗改進

車宗衡

山東省淄博市淄川區(qū)雙溝中學(255100)

1 教材中的凸透鏡成像光路

在人教版初中物理等教材中，我們可以看到如下的光路圖。圖1為凸透鏡成實像的原理光路圖，圖2為凸透鏡成虛像的原理光路圖。

在實踐教學中，我們常常用畫光路的方式深化學生對凸透鏡成像原理的理解：凡從一點發(fā)出的多條光線，經凸透鏡折射后，要么平行(不成像)，要么發(fā)散(成虛像)，要么會聚于一點(成實像)，再也沒有第4種可能。但是畫圖方式存在以下缺陷：①不能顯示凸透鏡成像的連續(xù)變化過程；②光路繪畫過程中微小的誤差，可能導致經凸透鏡折射后的光線不會聚于一點；③過于重視理論知識；④課堂上耗費時間過長。

2 將理論實踐化的實驗設計

2.1 顯示光路儀器設計

能否將凸透鏡成像的光路圖實際顯示出來呢？經思考，筆者制作了透明亞克力箱，箱體大小剛剛能將實驗室標準光具座(帶有凸透鏡和光屏)罩住，箱內點燃蚊香產生煙霧，利用丁達爾效應使光路顯示出來。

2.2 光源儀器設計

實驗中如果使用傳統(tǒng)的蠟燭或LED光源，將無法顯示光路；使用激光燈可以見到光束，但是常見激光燈是單一光束。重新設計制作激光器難度太大，不是大多數一線教師可以完成的。如何模擬教材中點光源發(fā)出的多束光呢？受到教科版教材啟發(fā)，可將兩激光燈呈一定小角度放置，并用熱熔膠固定在一個木板或塑料板(圖中使用的是裝潢用UV板)上制作而成,如圖3所示。為了模擬點光源發(fā)出多條光束的效果，可調整木板尺寸將光線交叉前的部分遮住，如圖4所示。

這里需要注意兩激光燈射出光束的夾角不可太大，因為實驗室學生用凸透鏡直徑約5 cm，光束角度太大會使得光線過于分散，不能同時照射到凸透鏡上。

2.3 其他實驗設計

為提升實驗效果，還需補充以下操作：①為了提升顯示效果，亞克力箱的背面可以涂與光源顏色對比明顯的背景色或貼背景紙；②為了防止光線遇到亞克力板發(fā)生反射，影響觀察效果，還應該在亞克力箱光源的另一側貼粗糙的黑紙，以吸收光防止明顯反射；③為方便改變物距，可在亞克力箱光源側開口，方便手進入。

3 使用效果

在教學實踐中發(fā)現本套儀器的使用可產生以下效果：

(1)大大提高課堂效率，提高學生興趣。

(2)有助于學生理解凸透鏡成實像、不成像和成虛像的原理，分別如圖5、圖6、圖7所示。

(3)在課本實像、虛像光路圖基礎上，增加凸透鏡不成像光路圖，可見點光源置于焦點處(u=f)經過凸透鏡后變?yōu)槠叫泄猓?/p>

(4)能夠展示物距變化時連續(xù)的像距變化，讓學生更加直觀地理解凸透鏡成像規(guī)律，同時有更加深刻的記憶。

4 尚存在問題

在研究成虛像時，由于光束固定角度較小和物距太近的原因，經過凸透鏡折射后的光線可見發(fā)散，但相較原光線傳播方向的改變程度較小(如圖7)，不易判斷虛像的位置。下一步改進工作中，可以考慮光束夾角度數可調整的設計方案。

另外，光源在實驗時需要手持，手的抖動會影響學生觀察，可以設計支架與光具座組合使用。