凸透鏡成像實驗的教學改進

顧磊

摘 要：分析了《探究凸透鏡成像的規律》實驗教學中有的問題及困難，并提出了一些改進措施。

關鍵詞：凸透鏡；燭焰的厚度；成像

《探究凸透鏡成像的規律》實驗是初中物理實驗教學中的重點，而實驗的完成情況則會影響到凸透鏡成像規律能否正確得出，進而對凸透鏡成像規律的應用教學帶來影響。一直以來《凸透鏡成像規律》的實驗教學沿用傳統的實驗方法，即用蠟燭作為實驗光源，不利于實驗結論的得出。筆者對此進行了一些改進，使之簡單易做，且更加符合學生的認識過程。

一、問題及困難

但在實際實驗中，利用蠟燭、凸透鏡、光屏以及光具座等實驗器材探究凸透鏡成像規律時，卻很難得到如上所述的兩個關鍵點的成像情況，除了測量誤差這個因素之外，更重要的原因就是實驗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，大小不定，無法利用刻度尺對像與物的大小進行定量測量，所以會出現如下的問題：

（1）當u=2f時，像與物的大小無法進行比較。

由于燭焰存在一定的厚度，我們可以設想把燭焰沿垂直于主光軸所在的平面分成兩個部分，此時各部分燭焰成像情況如下：在 2f點外側的燭焰，成倒立、縮小的實像；在2f點內側的燭焰，成倒立、放大的實像，恰好在2f點上的燭焰，成倒立、等大的實像；最后在光屏上疊加后的效果是一個模糊的燭焰像。再加上燭焰的晃動，根本無法使用刻度尺對像與物的大小進行定量測量，學生只能憑眼睛觀察比較，就會得到縮小、等大和放大的實像這三種情況。此時v≠2f，左、右偏差約1cm；已經不能用誤差來解釋了。

（2）當u=f時，會得出成像的錯誤結論。

同樣是因為燭焰的厚度，假如將立體的燭焰沿豎直方向分成若干燭焰平面，那么，實驗中處于焦點平面上的燭焰經過凸透鏡折射后不會成像，在光屏上形成一片亮光；而處于焦點外側的諸多燭焰平面，由于距離凸透鏡的遠近不同，即物距不同，當一個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模糊，彼此之間會造成一定的影響，最終光屏上能看到一片亮光中有一個倒立、放大的模糊的實像。同樣的道理，當觀察者站在光屏一側透過凸透鏡觀察時，處于凸透鏡焦點內側的半個燭焰，經過凸透鏡折射后形成了正立、放大的模糊虛像。所以學生會誤認為當u=f時，可以成像，對學生的探究過程帶來影響。

二、改進措施

通過上述分析，問題的癥結所在已經很清楚了，由于燭焰的厚度影響了成像清晰度，燭焰的晃動和大小的變化，影響了像與物大小的測量和比較，以及燭焰的形狀影響了對像與物左右相反的判斷，針對這些，在實驗中只需用平面圖案來代替立體的燭焰就可以較好地解決問題。

解決問題最簡單的方法是在硬紙板上刻上不對稱的鏤空圖案（如英文字母“F”），固定在光具座的滑塊上，并用強光（如手電筒、臺燈等）照射，來代替蠟燭燭焰。

改進后的優點：

1.改用平面圖案后，當u=2f時，由于物和像都是靜止的，避免了由于蠟燭燃燒變短、燭焰晃動等因素給實驗帶來的不利影響，使光屏上所成的像更加清晰、穩定，也方便通過測量來比較像與物的大小關系。另外，像距的誤差也變小了。u=2f時的成像規律一直是學生實驗中的難點，現在可以放手給學生獨立完成。

2.由于是不對稱靜物成像，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。學生普遍認為凸透鏡成實像時，僅僅上下顛倒，改進后很好地糾正了這一錯誤認知，并為后面投影儀工作原理的教學做了鋪墊。

3.圖案由學生課后自己完成，可根據自己的心意隨便制作，這樣在實驗中不僅可以增加實驗的樂趣，還能提高學生學習物理的興趣。

4.當u=f時，移動光屏或透過凸透鏡都觀察不到像，學生也不會出現有關成像的誤判。

通過以上改進，操作上更加簡單、安全，碰到的問題也得到了很好的解決，整個探究過程一節課即可完成，且在學生實驗過程中，難以完成實驗并得出上述實驗結論的人數大大減少，收到了很好的實驗效果。

（作者單位 江蘇省徐州市城北中學）