探究凸透鏡成像規律實驗裝置及探究方法的改進*

陳達成

（桂林市第十三中學，廣西 桂林 541001)

探究凸透鏡成像規律實驗裝置及探究方法的改進*

陳達成?

（桂林市第十三中學，廣西 桂林 541001)

針對初中物理探究凸透鏡成像規律實驗的一些問題進行改進。通過改進實驗的裝置，利用容易測量物體本身大小的高亮度發光數碼顯示管代替蠟燭，使成像穩定而容易得到清晰的像；對光屏增加二維坐標刻度，使在實驗過程中很容易測量判斷像與物體的大小，并對此進行比較，得出像大小的性質；增加刻度尺，準確地測量物距和像距，使實驗誤差減小；通過改變探究的方法，給學生更多探索與思考的空間，讓學生通過更多的探索、觀察、分析和思考，應用實驗現象和數據總結、歸納出物理規律。

凸透鏡成像；裝置；探究方法；改進

1 引言

很多教師在初中物理探究凸透鏡成像的規律實驗中都會遇到這樣的問題：一是在實驗中物距相等時，不同組的同學測出的像距不相同，有的相差甚遠；二是像與原物的大小怎樣確定的問題，尤其是判斷像與物大小相等的情況時遇到困難，在物距等于2倍焦距時，往往有一部分同學得出的是倒立放大實像，一部分同學得出的是倒立縮小的實像。三是在探究實驗中，學生多半只是機械地按照老師的要求完成實驗，機械地對凸透鏡成像規律進行驗證，而不是一步步地從實驗數據中探究出凸透鏡成像的規律。

造成上述第一、二兩種現象的原因，是因為實驗裝置存在問題。用作發光物體的是燭焰，而燭焰常常晃動，所以其通過透鏡后在光屏上所成的像也是晃動的，晃動的燭焰像難以判斷是否為最清晰。而第二種現象中判斷像大小的問題，主要是判斷像的大小與物體本身的大小是否相同是由實驗者的主觀意識來比較完成的，而不是通過測量來進行定量的比較，因而很難得出客觀的正確結果。

如何更準確地判斷成像是否清晰？如何較準確地測量判斷像是放大還是縮小？如何更科學地引導學生通過實驗探究出凸透鏡成像的規律？筆者通過對探究實驗的裝置及探究方法的改進，取得了較好的實驗效果。

2 改進實驗裝置

2.1 改換成像物體

原來光具座利用蠟燭作為凸透鏡成像的物體，在實驗中點燃的蠟燭火焰總是會左右搖晃或時高時低，也就是說燭焰總是處于不穩定的狀態，這樣不利于觀察燭焰經過凸透鏡所成的像是否處于最清晰的狀態，從而會影響到像大小的判斷和像距的測量。為此，筆者把發光物體蠟燭更換為長寬約為4×3cm2發光數碼顯示管。實驗時讓數碼顯示管顯示數字“7”，實驗之前可以先測量好“7”的橫段和豎段的長度，可將數據告知學生，也可讓學生自己測量。

2.2 改進光屏

一般來說光屏只是一面白屏，上面沒有任何起到標記作用的測量刻度。筆者認為把光屏標上刻度，以光屏的中心為原點，建立直角坐標系，以0.1cm為單位標上刻度，橫坐標測量像的寬度，縱坐標測量的高度。這樣像的大小就可以準確地測量出來了。

2.3 增加刻度尺

光具座上的滑塊與滑動橫桿之間存在一定的間隙，并且會隨使用時間、次數的增加而增大，致使安置在滑塊上的成像物體（數碼顯示管）、凸透鏡、光屏并沒有垂直于滑動橫桿，它們之間的實際距離并不是滑塊指示的距離。由于數碼顯示管、凸透鏡、光屏向左或向右偏側，偏離的幅度都在0.5cm左右，甚至更大。這樣必然給實驗數據帶來很大的系統誤差。

在光具座及儀器上方對稱地各置一刻度尺，便可準確地確定數碼顯示管、凸透鏡、光屏的位置，從而準確地測量它們之間的距離。

改進后的實驗裝置如圖1所示，在實驗中調整好發光數碼顯示管、凸透鏡、光屏，使它們在同一直線，同一高度上。確定物距，使發光數碼顯示管顯示“7”字，移動光屏，使光屏中間形成發光數碼管的像--倒“7”字。這樣很容易確定所得到的像是否是最清晰，這跟相機的調焦差不多，只要看到較亮的倒“7”字邊緣形成一條清晰的直線即可，比起判斷蠟燭晃動的火焰容易且準確多了。得到清晰的像后，根據光屏上橫縱坐標刻度測量像的大小（橫向和縱向長度），與成像物體進行比較，從而得到像是放大還是縮小的結論。

經過多次的實驗和學生得到的數據總結，像大小這一性質很容易得到體現，特別是在臨界狀態（2倍焦距處），像的大小可通過測量而定量比較出來。實驗中像距誤差一般都小于0.1cm。

3 改進探究方法

本節探究的目標是要讓學生在探究過程中初步獲得提出問題的能力；通過探究活動，體驗科學探究的全過程和方法；學習從物理現像中歸納科學規律的方法；樂于探索自然現象和日常生活中的物理學原理。

在改進前的探究過程中，教師都會告訴學生：先把蠟燭放在離凸透鏡盡量遠的地方，使物距大于2倍焦距，調整光屏與凸透鏡的距離，使燭焰在光屏上成一清晰的像，觀察像的大小、正倒，測量出物體和像到凸透鏡的距離；再把蠟燭向凸透鏡靠近，使物距在1倍到2倍焦距之間，重復操作。當把蠟燭移到透鏡的焦點位置時，觀察在光屏上能否形成像；把蠟燭再次向凸透鏡靠近，使物中小于1倍焦距時，光屏上能否看到像，這時怎樣才能看到像。探究的思路、實驗現象和實驗數據如表1（實驗用的凸透鏡 f=10cm）：

這樣的探究方法，先給學生灌輸了一個固定的探究思想模式，即在某個規定的范圍內進行探究，雖然能讓學生在探究的過程中得出我們想得到的結果，但是對于一個對凸透鏡成像規律一點也不了解的學生來說，為什么要規定在這個范圍內探究，學生不清楚也不理解。學生的探究受到了一定的約束，不能在更大的范圍、更普遍的條件下探究、歸納、總結得出結論。學生往往會提出這樣的問題：為什么要按老師你講的劃分區域來進行呢？為什么要在物距大于2倍焦距處開始呢？大于3倍、4倍焦距不可以嗎？為什么要在1倍到2倍焦距之間呢？

改進后的探究方法，主要是沒有預先規定好要測像距與物距有特殊關系的點，而是先取物距較大進行觀察測量，然后逐漸減小物距進行觀察測量，并對實驗現象和數據進行分析，再用實驗方法找出特殊點，最后進行分析、歸納、總結，得出凸透鏡成像的規律。改進后的探究思路、觀察實驗現象和實驗數據記錄見表2。

改進后的探究方法，讓學生從遠到近，相隔幾厘米測量一次。如：物距在30cm、27cm、24cm、21cm等處時，學生得到的都是倒立縮小的實像，而這些距離30cm、27cm、24cm、21cm都是大于2倍焦距20cm，即u＞2f，那么學生歸納總結：當物距u大于2倍焦距時，物體經凸透鏡所成的像是倒立縮小的實像。同樣，物距在18cm、15cm、12cm等處都大于1倍焦距小于2倍焦距，即2f＞u＞f，可以得到：當物距u大于1倍焦距小于2倍焦距時，物體經凸透鏡所成的像是倒立放大的實像。

表2 凸透鏡成像實驗探究思路、實驗現象和實驗數據（改進后）f=10cm

可以引導學生思考，當物距在21cm處時，得到的是倒立縮小的實像，而當物距在18cm處時，開始得到倒立放大的實像，那么中間肯定有一處是使物像等大的點。讓學生去探索找到倒立等大實像的點，也就是探究在20cm(u＝2f)這個點處像的性質。由此可以引導學生總結得到20cm(u＝2f)處是像放大縮小的分界點，物體在大于2倍焦距時，成的像是倒立縮小的實像，物體處在小于2倍焦距時，成的像是倒立放大的實像。

當物體向凸透鏡靠近物距小于10 cm后，如9cm、6cm時，引導學生經凸透鏡觀察，看到在物方一側成正立放大的虛像。而此時物距比1倍焦距（10cm）小，即u＜f，從而歸納得出結論是：當物距u小于1倍焦距時，物體所成的像是正立放大的虛像。

當物距在9cm（u＜f）處時，在光屏上都不能呈現出實像而只能觀察到虛像，前面在12cm處還能成實像，那么哪一點又是分界點呢？教師在黑板上畫出光路圖如圖2所示，根據光路圖給出答案。

當物體在焦點處時，物體上某點的光線經凸透鏡后成為平行光線，沒有會聚點，所以物體在焦點處時在光屏上不能形成像。如此便可得到焦點為另一個虛實分界點。

4 結束語

使用高亮度發光數碼顯示管代替蠟燭使得成像穩定，容易得到清晰的像，且避免了蠟燭燃燒的明火帶來的不安全性，沒有了蠟燭燃燒產生的大量二氧化碳和其它一些有害氣體的排放，使得實驗方便簡潔、低碳環保。通過光具座讀數系統的改進，使得實驗數據測量更加準確而減小了實驗誤差。通過探究方法的改進，學生的思維少了束縛，他們在實驗中樂于探索、觀察，應用實驗現象和數據分析、歸納、總結得到物理規律。這極大激發了學生的探究興趣和求知欲望，充分發揮了他們觀察、分析、思考的主觀能動性，收到了良好的教學效果。

[1] 彭前程,杜敏.物理（八年級 上冊）[M].人民教育出版社,2012,6.

G633.7

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：1003-7551(2016)02-0037-03

2016-04-20

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