對初中物理凸透鏡成像實驗的觀察角度分析

王喜平

初中物理凸透鏡成像實驗一節內容中，大部分教材中用到的是蠟燭、凸透鏡、不透明光屏。完成某次實驗如圖1所示，此時所成的像是倒立的實像。并且老師還會告訴同學們，倒立的準確理解應該是：上下顛倒，同時左右也顛倒。我們對照著實驗也沒有任何疑惑，也容易理解。

近幾年，有些教師把上面的實驗加以改進并進行了推廣，改進后的實驗教具是：利用發光二極管拼成一個字母“F”作為光源，光屏仍然是不透明的，如圖2所示。改進后的實驗具有許多優點，會使得同學們順利地完成這個實驗。在完成凸透鏡成實像時，更加清晰的觀察到倒立的實像。老師對倒立的解釋依然是：上下顛倒，同時左右也顛倒。此時，細心的同學就會發現，自己所做的實驗與老師講解的有些不同，同學們看到光源上是正立的 “F”字樣，看到光屏上只是上下顛倒的“F”（如圖3所示），但是按照老師的講解，應該是上下左右都顛倒的“F” （如圖4所示）。有些老師就會詳細的給同學們解釋原因，而有一部分老師就會敷衍同學們，不作解釋，直接告訴學生答案是什么，死記硬背下來。

在這里，筆者針對大家的質疑進行深入的探討。當我們用蠟燭做實驗時，就不知道左右是否顛倒，老師說是上下左右都顛倒的，同學們就認同了（因為有質疑，也沒有辦法驗證）。但是在改進后的儀器下完成實驗，光源是“F”字樣，光屏上的像是什么樣子，大家都看的清清楚楚，這是不可以隨意更改的事實。理論上應該上下左右都顛倒的實像，但看到的不是上下左右都顛倒的實像，哪里一定出了問題。這個問題在于：我們設計的實驗，存在缺陷。因為我們使用的教材中（包括國外的教材），在完成凸透鏡成像實驗時，用的都是蠟燭和不透明的光屏，假如我們在光具座上從左向右擺放蠟燭、凸透鏡和光屏，當我們觀察物體（蠟燭）時，是要把自己的眼睛轉向左側觀察，觀察所成的像時，卻要把眼睛轉向右側觀察。那么問題就在這里了，實驗者在觀察物體和像時，所觀察的角度不一樣必然帶來不一樣的結果，甚至是錯誤的結果。如果實驗者在觀察物體和像時，所站立和觀察的角度保持不變，那么透鏡成像就一定是上下左右都顛倒的。所以筆者認為，我們現在使用的教材上的這個實驗最好改為半透明光屏，實驗者在完成這個實驗時，最好站立在光屏后方，從右側的同一個位置，同一個角度觀測物體和所成的像。由于站立的位置和觀察角度是不變的，所有的疑惑都不復存在。

在這里，筆者也有改進這個實驗。那就是把光源設計為16個發光二極管組成的正方形，每4個發光二極管組成一個小組，由一個開關控制，即4個開關控制4組發光二極管，如圖5所示。光屏設計為半透明毛玻璃板，并在毛玻璃板中心位置處提前作好一個與光源大小一致的隱性正方形。

在完成凸透鏡成像實驗時，將光源、凸透鏡和半透明光屏依次從左向右在光具座上擺放好，調整好光源、凸透鏡和光屏的位置。實驗者站立在光屏右側，從右向左同位置同角度觀察物和像，用開關隨意控制四組發光二極管，可以讓右上角的一組不發光，觀察所成的像是什么位置不發光（可以清晰觀察到是左下角不發光）。 那么可以順利得到結論：凸透鏡成像是上下左右都顛倒的。對于像是放大或是縮小，參考光屏上的隱性正方形即可分辨。這樣完成凸透鏡成像實驗就會更加順利，所有問題就迎刃而解了。

或者把光源設計為一個由13個發光二極管組成的正方形圖形，12個發光二極管組成的正方形外環，中心有一個單獨發光二極管，外環每3個發光二極管為一組（也可以用四種顏色的發光二極管，每一組為一種顏色），由一個開關控制，中心單獨二極管由一個開關控制，如圖6所示。中心單獨二極管為定位光源，使用方法是，先把凸透鏡固定在適當的位置和高度，再大致固定發光物體的高度，打開定位光源開關，調整光源、凸透鏡、光屏高度，當定位光源的亮斑出現在光屏正中央時，三者高度一致，關閉定位光源。打開其他幾組發光二極管完成實驗。

教具制作方法：改進后的光源利用不同顏色的發光二極管排列組合成的點陣來進行凸透鏡成像演示。光源采用的是高亮發光二極管，通過四種顏色排列組合，同時每組光源可以獨立控制，以達到實驗目的。同時里面采用的是大容量的鋰電池結構設計和與手機充電器相匹配的充電模塊，可以有效的提升續航時間和實驗效果，同時可充電電池設計也達到了環保的目的，并且延長了教具的使用壽命。外殼采用的是木質結構，成本低廉方便制，底座采用的是與傳統的透鏡成像實驗一樣的底座，與傳統光學教具兼容性好。

在實際生活中，我們會在很多地方使用到凸透鏡的，比如書本上列舉的照相機，投影儀，放大鏡，望遠鏡，顯微鏡，都是在同一個角度觀察物體和像，然后比較像與物的形狀關系（小孔成像也是同一個角度觀察物體和像）。如果不是在同一位置觀察物體和像，都是相對比較專業化的研究者，在使用凸透鏡時，研究者預先已經知道像的形狀發生了怎么樣的變化。而作為初學者的初中學生，是應該讓初學者站立在同一個角度完成實驗，才可以正確理解凸透鏡成像規律。

最后，筆者還是建議把書本上的不透明光屏改為半透明光屏更好，把光源改為左右和上下均不對稱的光源。改進后的優點是，一.不透明光屏上看到的像，為什么只是上下顛倒而沒有左右顛倒，就能夠順利解釋。二.讓所有的老師和學生能夠站立在一個正確的角度研究物理問題，減少歧義。