陳達成

（桂林市第十三中學(xué)，廣西 桂林 541001)

探究凸透鏡成像規(guī)律實驗裝置及探究方法的改進*

陳達成?

（桂林市第十三中學(xué)，廣西 桂林 541001)

針對初中物理探究凸透鏡成像規(guī)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(fā)光數(shù)碼顯示管代替蠟燭，使成像穩(wěn)定而容易得到清晰的像；對光屏增加二維坐標(biāo)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(zhì)；增加刻度尺，準(zhǔn)確地測量物距和像距，使實驗誤差減?。煌ㄟ^改變探究的方法，給學(xué)生更多探索與思考的空間，讓學(xué)生通過更多的探索、觀察、分析和思考，應(yīng)用實驗現(xiàn)象和數(shù)據(jù)總結(jié)、歸納出物理規(guī)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(guī)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(xué)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(xué)得出的是倒立放大實像，一部分同學(xué)得出的是倒立縮小的實像。三是在探究實驗中，學(xué)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(guī)律進行驗證，而不是一步步地從實驗數(shù)據(jù)中探究出凸透鏡成像的規(guī)律。

造成上述第一、二兩種現(xiàn)象的原因，是因為實驗裝置存在問題。用作發(fā)光物體的是燭焰，而燭焰常?；蝿?，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(xiàn)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(jié)果。

如何更準(zhǔn)確地判斷成像是否清晰？如何較準(zhǔn)確地測量判斷像是放大還是縮??？如何更科學(xué)地引導(dǎo)學(xué)生通過實驗探究出凸透鏡成像的規(guī)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(wěn)定的狀態(tài)，這樣不利于觀察燭焰經(jīng)過凸透鏡所成的像是否處于最清晰的狀態(tài)，從而會影響到像大小的判斷和像距的測量。為此，筆者把發(fā)光物體蠟燭更換為長寬約為4×3cm2發(fā)光數(shù)碼顯示管。實驗時讓數(shù)碼顯示管顯示數(shù)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(shù)據(jù)告知學(xué)生，也可讓學(xué)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(biāo)記作用的測量刻度。筆者認(rèn)為把光屏標(biāo)上刻度，以光屏的中心為原點，建立直角坐標(biāo)系，以0.1cm為單位標(biāo)上刻度，橫坐標(biāo)測量像的寬度，縱坐標(biāo)測量的高度。這樣像的大小就可以準(zhǔn)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(shù)的增加而增大，致使安置在滑塊上的成像物體（數(shù)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(shù)碼顯示管、凸透鏡、光屏向左或向右偏側(cè)，偏離的幅度都在0.5cm左右，甚至更大。這樣必然給實驗數(shù)據(jù)帶來很大的系統(tǒng)誤差。

在光具座及儀器上方對稱地各置一刻度尺，便可準(zhǔn)確地確定數(shù)碼顯示管、凸透鏡、光屏的位置，從而準(zhǔn)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(diào)整好發(fā)光數(shù)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(fā)光數(shù)碼顯示管顯示“7”字，移動光屏，使光屏中間形成發(fā)光數(shù)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(diào)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(zhǔn)確多了。得到清晰的像后，根據(jù)光屏上橫縱坐標(biāo)刻度測量像的大?。M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(jié)論。

經(jīng)過多次的實驗和學(xué)生得到的數(shù)據(jù)總結(jié)，像大小這一性質(zhì)很容易得到體現(xiàn)，特別是在臨界狀態(tài)（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(jié)探究的目標(biāo)是要讓學(xué)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(xué)探究的全過程和方法；學(xué)習(xí)從物理現(xiàn)像中歸納科學(xué)規(guī)律的方法；樂于探索自然現(xiàn)象和日常生活中的物理學(xué)原理。

在改進前的探究過程中，教師都會告訴學(xué)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(diào)整光屏與凸透鏡的距離，使?fàn)T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(fù)操作。當(dāng)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(xiàn)象和實驗數(shù)據(jù)如表1（實驗用的凸透鏡 f=10cm）：

這樣的探究方法，先給學(xué)生灌輸了一個固定的探究思想模式，即在某個規(guī)定的范圍內(nèi)進行探究，雖然能讓學(xué)生在探究的過程中得出我們想得到的結(jié)果，但是對于一個對凸透鏡成像規(guī)律一點也不了解的學(xué)生來說，為什么要規(guī)定在這個范圍內(nèi)探究，學(xué)生不清楚也不理解。學(xué)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(jié)得出結(jié)論。學(xué)生往往會提出這樣的問題：為什么要按老師你講的劃分區(qū)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(yù)先規(guī)定好要測像距與物距有特殊關(guān)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(xiàn)象和數(shù)據(jù)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(jié)，得出凸透鏡成像的規(guī)律。改進后的探究思路、觀察實驗現(xiàn)象和實驗數(shù)據(jù)記錄見表2。

改進后的探究方法，讓學(xué)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(xué)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(xué)生歸納總結(jié)：當(dāng)物距u大于2倍焦距時，物體經(jīng)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(dāng)物距u大于1倍焦距小于2倍焦距時，物體經(jīng)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(xiàn)象和實驗數(shù)據(jù)（改進后）f=10cm

可以引導(dǎo)學(xué)生思考，當(dāng)物距在21cm處時，得到的是倒立縮小的實像，而當(dāng)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(xué)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(zhì)。由此可以引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)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(dāng)物體向凸透鏡靠近物距小于10 cm后，如9cm、6cm時，引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)凸透鏡觀察，看到在物方一側(cè)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(jié)論是：當(dāng)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(dāng)物距在9cm（u＜f）處時，在光屏上都不能呈現(xiàn)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(jù)光路圖給出答案。

當(dāng)物體在焦點處時，物體上某點的光線經(jīng)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(jié)束語

使用高亮度發(fā)光數(shù)碼顯示管代替蠟燭使得成像穩(wěn)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(chǎn)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(huán)保。通過光具座讀數(shù)系統(tǒng)的改進，使得實驗數(shù)據(jù)測量更加準(zhǔn)確而減小了實驗誤差。通過探究方法的改進，學(xué)生的思維少了束縛，他們在實驗中樂于探索、觀察，應(yīng)用實驗現(xiàn)象和數(shù)據(jù)分析、歸納、總結(jié)得到物理規(guī)律。這極大激發(fā)了學(xué)生的探究興趣和求知欲望，充分發(fā)揮了他們觀察、分析、思考的主觀能動性，收到了良好的教學(xué)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.

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2016-04-20

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