關于凸透鏡成像規律中實驗光源的改進

張振福

本文主要闡述了物理實驗器材在物理實驗中的重要性，并結合教學過程的一個具體學生實驗器材的改進方案，說明實驗器材的更新與改革對物理實驗教學及培養學生創新創造能力、動手實驗能力的積極作用。

物理學是一門以實驗為基礎的研究自然界中各種物理現象的規律和物質結構的一門科學。物理實驗法也是人們研究物理學的一種非常重要的方法。物理實驗在物理教學和物理研究中有著非常重要的作用。它可以使學生直接獲得感性認識，加深學生對物理知識的理解，激發和培養學生學習物理的興趣，還可以培養和提高學生的觀察和實驗能力，另外使學生掌握物理學的研究方法對培養學生的實事求是的科學態度方面也有重要的作用。

在物理實驗教學過程中，確保實驗操作簡便易行、實驗的現象清楚、并且成功完成實驗是最基本的要求。為達到這些要求首先要從選擇實驗器材開始。實驗器材是實驗教學的重要物質條件。新的實驗器材、高精度的測量儀器對物理實驗和物理研究起著關鍵的作用。進行物理實驗教學中應在掌握實驗原理的基礎上科學地選用器材，科學選用器材可以減小實驗誤差，可以使實驗現象更加明顯，從而使得出的實驗結論更加準確。但是現在許多學校的物理實驗室中的多數實驗儀器都不可避免的存在著一些與開展現代探究性學習的要求不符之處。因此，物理教師在物理實驗教學過程中可以引導學生去發現一些實驗儀器的不足并加以改進，這樣不僅可以提高實驗的精確性，還能培養學生動手實驗能力和探究創新能力。

請看下面的一個具體實例：

蘇科版物理（八年級上冊）教材的第五章第二節中有一個學生實驗“探究凸透鏡成像的規律”。在這個實驗中用蠟燭作為光源簡單易行，可以幫助學生得出凸透鏡成像的規律，對培養和提高學生的實驗能力、提高學生的知識水平均起到了積極的作用，但本人認為用蠟燭作為光源仍有幾點不足之處，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，這會給確定像的位置帶來困難，從而使 所得數據誤差較大。

第二、由于蠟燭在燃燒的過程中不斷變短，因此燃燒一段時間后就不能使燭焰中心、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就必須重新調整蠟燭的位置。

第三、燭焰易晃動且大小不穩定對光屏上像的清晰度產生影響而不便觀察。

第四、由于此實驗要在密閉的暗室中進行，空氣流通不暢，蠟燭在燃燒時發出濃烈的氣味并使實驗室內二氧化碳濃度增加使人感覺不適。

第五、在實驗過程中蠟燭不易立穩，如果不慎還容易引起火災，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替代本實驗中的蠟燭作為光源。

2.替代光源的制作

2.1制作材料：小電池盒 干電池2節（5號或7號） 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10cm左右） 毛玻璃（較薄） 紙板（不透明塑料板）“F”形擋光板

2.2制作方法及過程：

（1）. 把圓柱形盒子左、右端蓋子剪掉。

（2）. 在一塊圓形（剛好放進盒子為宜）紙板（不透明塑料板）中間剪出一個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支架，這樣就制成了一個可以替代蠟燭的光源，如圖4所示。使用時只需把此光源固定在光具座的支架上就可以了。

3.替代光源的優點：

在“探究凸透鏡成像的規律”的學生實驗中用此光源替代蠟燭，具有如下特點：

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物距不是唯一的值而給確定像的位置所帶來的困難，從而使 所得數據誤差更小。

第二、在本學生實驗中，該光源的位置始終固定在透鏡的主光軸上，而且該光源也不會受風的影響而晃動、改變大小，因而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，使光屏上所形成的像更加清晰、穩定、減小誤差。

第三、使用蠟燭時，燭焰所成的像可以輕易使學生得出蠟燭成上下倒立的實像，但卻不能觀察所成的像也是左右倒立的特點。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，這樣在實驗的過程中就幫助學生輕松糾正了片面的認為凸透鏡成實像時只是上下倒立的錯誤觀點。這是使用蠟燭作為光源時不能直接觀察到的。

第四、該光源的使用范圍比蠟燭更加廣泛。如當把“F”形擋光板（前蓋）取下后就可以作為一個平行光源來使用，可以用來測量本學生實驗中所使用凸透鏡的焦距等。

第五、該光源還具有安全可靠、可重復使用等特點。

第六、本實驗器材也可由學生自己制作完成，這樣不僅能培養學生的動手習慣和動手制作能力，還培養了學生學習物理知識的興趣和探究科學知識的精神，提高學生的綜合素質。

眾所周知，物理實驗是物理學的基礎，而實驗器材又是物理實驗成功的首要條件。但是，現在許多中學（尤其是初中）的物理實驗室里面的所使用的實驗儀器、實驗設備普遍存在著精確度低、可靠性差、使用不方便、系統誤差大、使用范圍相對狹窄等缺點。這些缺點的存在使這些實驗儀器已不能滿足現代化物理教育和開展探究性學習的要求，更制約著學生自我科學素質的提高。為此，對存在不足的實驗儀器的改進，不僅僅能提高實驗儀器的精確度，增加儀器的可靠性，減小實驗儀器的系統誤差，而且在培養學生的文化科技素質、實踐操作能力和創新創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）