創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)器材 顯示幾何光路 探究凸透鏡成像

喬樹潔 任振穎

摘 要：探究凸透鏡成像規(guī)律是光學(xué)的重點(diǎn)內(nèi)容、科學(xué)探究的典型實(shí)例、發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)的重要載體.筆者通過創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)器材，將抽象的成像原理可視化，加深學(xué)生對成像原理的理解，尊重學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，關(guān)注學(xué)生的發(fā)展需求，突出光學(xué)本質(zhì).

關(guān)鍵詞：凸透鏡成像;創(chuàng)新器材;光路顯示;實(shí)驗(yàn)探究

中圖分類號：G633.7???? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B???? 文章編號：1008-4134（2021）24-0033-02

作者簡介：喬樹潔（1986-），女，遼寧凌源人，本科，中學(xué)一級教師，研究方向：中學(xué)物理教學(xué)及教學(xué)管理;

任振穎（1975-），女，北京昌平人，本科，中學(xué)高級教師，研究方向：中學(xué)物理教學(xué)研究.

1 教學(xué)背景分析

1.1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容分析

“探究凸透鏡成像規(guī)律”位于北師大版物理教材八年級第八章第6節(jié)，是課標(biāo)對于“運(yùn)動和相互作用”部分內(nèi)容提出的9個(gè)必做探究性實(shí)驗(yàn)之一.同時(shí)，“凸透鏡成像規(guī)律”是光的折射現(xiàn)象、透鏡的應(yīng)用，是學(xué)生學(xué)習(xí)眼睛、眼鏡及放大鏡、幻燈機(jī)、照相機(jī)等內(nèi)容的基礎(chǔ).本章的核心內(nèi)容是光的傳播及應(yīng)用，重要模型是光路模型.凸透鏡成像的本質(zhì)是光的折射，成像規(guī)律遵循光的折射規(guī)律，教師在實(shí)驗(yàn)中引導(dǎo)學(xué)生從觀察凸透鏡成像的現(xiàn)象中進(jìn)一步總結(jié)規(guī)律，再通過畫光路圖驗(yàn)證規(guī)律，最后將實(shí)際光路顯示出來，讓學(xué)生直接觀察光的傳播規(guī)律，增強(qiáng)學(xué)生對“凸透鏡成像原理”的直觀認(rèn)識，進(jìn)一步理解凸透鏡成像的原理，加深學(xué)生對光路模型的認(rèn)識、對幾何光學(xué)的了解，體會物理學(xué)現(xiàn)象與規(guī)律的一致性.

1.2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)價(jià)值分析

學(xué)生實(shí)驗(yàn)：選擇光源F，可清楚顯示像的左右、正倒立情況，便于學(xué)生總結(jié)成像放大或縮小、正立或倒立的情況.選擇激光測距儀（如圖1所示），便于直接讀出像距，使探究過程中的非必要時(shí)間縮短，提高數(shù)據(jù)收集效率，尤其是當(dāng)實(shí)像像距較大，超出光具座范圍時(shí)，測距儀方便測量，為學(xué)生分析論證提供較豐富的數(shù)據(jù)支持.設(shè)計(jì)有白色小格的光屏，可直接讀出實(shí)像高度，根據(jù)像高和物體大小進(jìn)行對比，更加精準(zhǔn)地找到成像是否放大、縮小或者等大.

演示器材：如圖2所示，演示光源——可變光源F，可同時(shí)發(fā)射兩束非平行光，照亮一點(diǎn)，變成點(diǎn)光源.通過觀察這一光點(diǎn)成像情況，與物體成像建立聯(lián)系，進(jìn)一步驗(yàn)證成像規(guī)律.演示光路，空中可見光路，學(xué)生能夠更直觀看到光的路徑，比理論畫圖分析原理更易理解.再對“凸透鏡成像規(guī)律”進(jìn)行理論分析過程中加入實(shí)驗(yàn)，學(xué)生再次觀察成像特點(diǎn)，教師演示光源F的某一點(diǎn)，通過這一點(diǎn)發(fā)出特殊光線，再觀察點(diǎn)光源的像，直觀演示原理光路，便于學(xué)生理解成像規(guī)律，理解成像原理.

（1）可移動且可變光源箱F.

（2）光路顯示區(qū)，底部可由超聲波制造水霧.

（3）兩個(gè)可更換的焦距不同的凸透鏡.

（4）可移動光屏，用于接收實(shí)像.

2 創(chuàng)新點(diǎn)

該教具在畫光路圖驗(yàn)證規(guī)律的基礎(chǔ)上，增加了實(shí)際光路的演示，學(xué)生進(jìn)一步體會物距對成像情況的影響，加深學(xué)生對凸透鏡成像規(guī)律的理解.當(dāng)物距大于1倍焦距小于2倍焦距時(shí)，觀察到成實(shí)像，像距大于物距，通過測量可知像距范圍，如圖3所示;將物距變大，觀察到實(shí)像“變近”，實(shí)像像距變小，如圖4所示.此器材將成像原理直觀顯示.

3 演示器材使用

3.1 演示凸透鏡成像規(guī)律

第一步：組裝器材，將光源F、凸透鏡（焦距為10cm）、光屏中心調(diào)整至同一高度.

第二步：將光源放在距離凸透鏡30cm處，移動光屏找到實(shí)像，并觀察記錄成像情況.

第三步：將光源放在距離凸透鏡20cm處，移動光屏找到實(shí)像，并觀察記錄成像情況.

第四步：將光源放在距離凸透鏡15cm處，移動光屏找到實(shí)像，并觀察記錄成像情況.

第五步：將光源放在距離凸透鏡5cm處，從光屏一側(cè)透過凸透鏡觀察像，并觀察記錄成像情況.

第六步：結(jié)合學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)，初步總結(jié)凸透鏡成像規(guī)律.

3.2 驗(yàn)證凸透鏡成像的光學(xué)原理

第一步：將光源F放在距離凸透鏡15cm處，演示紅色光源F成倒立放大實(shí)像的情況，如圖5所示.

第二步：將F看成點(diǎn)光源，畫出此時(shí)的光路圖，如圖6所示.

第三步：關(guān)閉光源F紅光，在光源F上任選一點(diǎn)，讓兩條不平行的光線經(jīng)過這一點(diǎn)，通過凸透鏡成像，調(diào)整凸透鏡的高度，使這兩條光線一條經(jīng)過凸透鏡的光心，一條平行于主光軸，打開水霧器，觀察實(shí)際光路，如圖7所示.

第四步：將光源放在距離凸透鏡20cm以外，移動光屏找到光線焦點(diǎn)，讓焦點(diǎn)顯示在光屏上，如圖8所示.

第五步：將光源放在距離凸透鏡10cm以內(nèi)，觀察光路.

3.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)意義

直觀現(xiàn)象讓學(xué)生對凸透鏡成像規(guī)律形成深刻的認(rèn)識，此時(shí)回歸物理本質(zhì)，先通過畫特殊光線的方法，從幾何光學(xué)角度驗(yàn)證結(jié)論，這時(shí)有的學(xué)生存在質(zhì)疑，畫的光線真的是光實(shí)際的路徑嗎？為此筆者再用自制器材在光源F的一點(diǎn)發(fā)出兩條特殊光線，讓學(xué)生觀察光路，讓學(xué)生直接觀察到光路模型，解決困惑.通過演示光路，增強(qiáng)學(xué)生對“凸透鏡成像規(guī)律原理”的直觀認(rèn)識，進(jìn)一步理解規(guī)律，加深對“成實(shí)像時(shí)，物距變大，像距變小，像變小”的認(rèn)識，也再次認(rèn)識到實(shí)像是由實(shí)際光線會聚而成，領(lǐng)略科學(xué)現(xiàn)象與物理本質(zhì)的統(tǒng)一美.

4 教學(xué)反思

演示光路的器材尺寸過大，可適當(dāng)縮小;水霧的光路由于“水汽”的運(yùn)動，光路某些部分有些“動蕩”不太完美.如果能在物體的上、下、左三個(gè)位置分別找到兩個(gè)特殊點(diǎn)，進(jìn)行光路的演示，更能直觀地觀察到凸透鏡成像的規(guī)律.在實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生在探究像正、倒立情況時(shí)，如換成比較小的箭頭光源，將有助于學(xué)生判斷像的正、倒立情況.

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（收稿日期：2021-07-08）