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        “透鏡”實(shí)驗(yàn)儀器的創(chuàng)新改進(jìn)

        2021-02-07 12:33:36田麗杰馬曉光
        物理通報(bào) 2021年2期
        關(guān)鍵詞:背景實(shí)驗(yàn)

        秦 野 田麗杰 馬曉光

        (魯東大學(xué)物理與光電工程學(xué)院 山東 煙臺(tái) 264025)

        隨著基礎(chǔ)教育的改革和當(dāng)今社會(huì)教育理念的不斷更新,物理學(xué)科中實(shí)驗(yàn)教學(xué)的地位越來(lái)越重要.2011年教育部制定的《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2011年版)》中提到物理課程應(yīng)當(dāng)“使學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)探究過(guò)程,學(xué)習(xí)科學(xué)研究方法,培養(yǎng)學(xué)生的探索精神、實(shí)踐能力及創(chuàng)新意識(shí)”[1].“透鏡”是義務(wù)教育階段光學(xué)部分的基礎(chǔ)知識(shí),透鏡對(duì)光線的作用是學(xué)生需要掌握的重要光學(xué)規(guī)律.因此,研發(fā)針對(duì)“透鏡”實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新教具輔助教學(xué)符合新教學(xué)理念,是使學(xué)生深入理解光學(xué)原理,提高學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的重要途徑.傳統(tǒng)教學(xué)中,教師通常利用激光燈發(fā)出光線,在煙霧室或暗室中對(duì)實(shí)驗(yàn)光路進(jìn)行簡(jiǎn)單演示,不易操作、誤差較大、污染環(huán)境.因此,針對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的不足,受霧天汽車(chē)燈光的啟發(fā),自制了“透鏡對(duì)光線的作用實(shí)驗(yàn)儀”.經(jīng)實(shí)踐,借助自制教具改進(jìn)后的“透鏡”實(shí)驗(yàn),使物理課堂與實(shí)驗(yàn)教學(xué)有效結(jié)合,大大提高了教學(xué)效率和學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣.

        1 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方式

        基于人教版義務(wù)教育教科書(shū)《物理》八年級(jí)上冊(cè)第五章第1節(jié)“透鏡”[2],經(jīng)調(diào)研,“透鏡對(duì)光線的作用”實(shí)驗(yàn)演示主要采取以下兩種方式.

        1.1 利用暗室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)

        利用暗室演示透鏡對(duì)光線的作用是最傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法,人教版教材中也采取了這一方式,如圖1所示.其中圖1(a)是凸透鏡對(duì)光線的作用實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,圖1(b)是凹透鏡對(duì)光線的作用實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象.該實(shí)驗(yàn)裝置的主要構(gòu)成有:帶有磁鐵的三孔激光燈(可吸附于黑板或白板上)、柱狀平凹(凸)透鏡.實(shí)驗(yàn)操作比較簡(jiǎn)單,需提供一個(gè)暗室,在教室中關(guān)窗簾、關(guān)燈即可,這也是最常用的實(shí)驗(yàn)方法.但該方法也有明顯不足之處.首先,實(shí)驗(yàn)對(duì)暗室環(huán)境要求較高,且三孔激光燈功率過(guò)小,易造成實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不直觀,不能很好呈現(xiàn)光路等問(wèn)題.其次,實(shí)驗(yàn)利用的透鏡外觀并非本節(jié)課學(xué)生新接觸的“透鏡”,因此該實(shí)驗(yàn)說(shuō)服力不夠,缺乏物理學(xué)科應(yīng)有的嚴(yán)謹(jǐn)性,容易使學(xué)生形成錯(cuò)誤的前概念.因此,該實(shí)驗(yàn)方式需要從光源選取和透鏡選擇兩個(gè)方面進(jìn)行創(chuàng)新改進(jìn).

        (a)凸透鏡對(duì)光線的作用

        (b)凹透鏡對(duì)光線的作用

        1.2 利用煙霧室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)

        經(jīng)調(diào)研,將暗室改進(jìn)成煙霧室的想法很早就有人提出[3].改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)化圖如圖2所示.其主要構(gòu)造有:透明可密封的玻璃箱或亞克力箱、大功率激光燈、透鏡、煙霧產(chǎn)生裝置.其中煙霧可由紅磷或香煙產(chǎn)生,相比較于暗室,該裝置存在實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更明顯、受外界環(huán)境干擾較小等優(yōu)點(diǎn).但與此同時(shí),利用紅磷或香煙制造煙霧來(lái)呈現(xiàn)光路存在非常大的安全隱患,并且煙霧對(duì)環(huán)境也會(huì)造成污染.除了利用這一方法產(chǎn)生煙霧之外,隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,后來(lái)采用煙霧器產(chǎn)生煙霧,這種方法雖然解決了安全隱患,但由于煙霧器成本較高,所以利用煙霧室演示該實(shí)驗(yàn)的方法至今沒(méi)有得到很廣泛的推行.

        ①煙霧室;②透鏡;③激光燈;④煙霧產(chǎn)生裝置

        2 自制實(shí)驗(yàn)儀

        2.1 儀器的構(gòu)造及作用

        經(jīng)過(guò)以上分析,針對(duì)以往實(shí)驗(yàn)顯露的弊端,利用生活中常見(jiàn)的材料和家用小電器,對(duì)該實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn),自制出“透鏡對(duì)光線的作用實(shí)驗(yàn)儀”,如圖3所示.該儀器主要由背景板、激光燈、水霧器、出霧管、透鏡5個(gè)部分構(gòu)成.

        ①背景板;②激光燈;③水霧器;④出霧管;⑤透鏡

        (1)背景板

        以往實(shí)驗(yàn)中,利用白板作為實(shí)驗(yàn)背景板,將三孔激光燈的磁鐵吸附于上,但由于磁力太小無(wú)法在豎直平面內(nèi)固定透鏡及激光燈.針對(duì)這一問(wèn)題,改進(jìn)后的背景板是由雪弗板、泡沫板、薄鐵板粘合而成.雪弗板不易變形,因此作為背景板的最外層.泡沫板輕便且可塑性強(qiáng),方便在背景板上鑿出凹槽放置透鏡.薄鐵板可以加強(qiáng)背景板的吸附力,防止調(diào)節(jié)透鏡或激光燈位置時(shí)發(fā)生掉落現(xiàn)象.另外,實(shí)驗(yàn)儀器的巧妙之處在于根據(jù)所使用的透鏡直徑及焦距,提前在背景板上標(biāo)畫(huà)輔助線,方便教師判斷主光軸位置,平行光路以及焦點(diǎn)位置,使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加準(zhǔn)確也便于測(cè)量焦距.

        (2)激光燈和透鏡

        透鏡底部粘有磁鐵,這樣便可使透鏡固定于背景板的凹槽中,且可調(diào)節(jié)更換不同的透鏡.考慮到激光燈的循環(huán)利用問(wèn)題,不宜直接粘附強(qiáng)磁鐵,因此特意制作了“燈托”.燈托的主要作用是固定激光燈,由于背景板內(nèi)部鑲有鐵板,燈托可以依靠磁鐵與背景板相吸,起到任意調(diào)節(jié)光源來(lái)向的作用.燈托和透鏡都是通過(guò)強(qiáng)磁鐵吸附于背景板上的,利用此方法方便實(shí)驗(yàn)操作,提高了實(shí)驗(yàn)效率.

        (3)水霧器和出霧管

        根據(jù)比較發(fā)現(xiàn),利用水霧顯示光路效果更好.將家用小型水霧器改裝,“出霧口”連接軟管,軟管一端與水霧器相連,一端水平固定在背景板上,巧妙之處在于將背景板上方的軟管上鉆出一排小孔用來(lái)排出水霧,可使水霧均勻分布在背景板表面,從而做到資源有效利用.將透鏡固定好后,連接電源,打開(kāi)水霧器開(kāi)關(guān)和激光燈開(kāi)關(guān),此時(shí)就會(huì)看到光路非常清晰地在水霧中呈現(xiàn),拍攝效果如圖4所示.

        圖4 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象圖

        2.2 儀器的優(yōu)缺點(diǎn)

        優(yōu)點(diǎn):

        (1)制作材料常見(jiàn),設(shè)計(jì)巧妙.該實(shí)驗(yàn)儀器主要采用生活中常見(jiàn)的材料或者廢棄材料、零部件制成,環(huán)保且經(jīng)久耐用.

        (2)利用該儀器演示的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象生動(dòng)直觀,使學(xué)生深入理解透鏡對(duì)光的作用,在實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程中可以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和探索精神,提高科學(xué)素養(yǎng).

        (3)該實(shí)驗(yàn)儀器可用于演示透鏡對(duì)光線的作用、光路可逆現(xiàn)象,也可用于講解“焦點(diǎn)”“焦距”等概念,操作簡(jiǎn)便,使課堂效率得到很大提高.

        缺點(diǎn):

        (1)透鏡選擇有限,只能利用粘有磁鐵的配套透鏡,缺乏普遍性.

        (2)體積、重量較大.

        (3)水霧易受風(fēng)力影響.

        2.3 改進(jìn)措施

        (1)將儀器的背景板繼續(xù)優(yōu)化,實(shí)現(xiàn)可任意切換透鏡且方便測(cè)量焦距的功能.

        (2)采用更加輕便的制作材料,減小無(wú)用體積.

        (3)考慮在儀器上方加一個(gè)透明罩,減小特殊情況下的風(fēng)力影響.

        3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

        3.1 實(shí)驗(yàn)器材

        透鏡對(duì)光線的作用實(shí)驗(yàn)儀,凸透鏡(焦距10 cm),凹透鏡(焦距10 cm),激光燈(綠色、紅色).

        3.2 實(shí)驗(yàn)步驟

        實(shí)驗(yàn)一:凸透鏡對(duì)光線的作用

        將事先準(zhǔn)備好的焦距為10 cm的凸透鏡放入背景板的凹槽中,調(diào)整好位置.調(diào)整燈托位置,使激光燈發(fā)出的光線平行于主光軸入射凸透鏡,可以觀察到折射光線經(jīng)過(guò)入射方異側(cè)焦點(diǎn);調(diào)整激光燈位置,使光線經(jīng)過(guò)焦點(diǎn)入射凸透鏡,可以觀察到折射光線平行于主光軸.再次調(diào)整激光燈位置,使之發(fā)出的光線過(guò)光心入射凸透鏡,可以觀察到其傳播方向不變.實(shí)驗(yàn)光路圖如圖5所示.

        圖5 凸透鏡對(duì)光線的作用光路圖

        實(shí)驗(yàn)二:凹透鏡對(duì)光線的作用

        將凹槽處的凸透鏡替換成焦距為10 cm的凹透鏡,調(diào)整好位置.以同樣的方式調(diào)整激光燈位置,使入射光線平行于主光軸入射,可以觀察到折射光線反向延長(zhǎng)線過(guò)入射方同側(cè)焦點(diǎn);調(diào)整激光燈位置,使入射光線延長(zhǎng)線過(guò)凹透鏡異側(cè)焦點(diǎn)入射凹透鏡,可以觀察到折射光線平行于主光軸;最后調(diào)整激光燈使入射光線過(guò)光心入射,可以看到其傳播方向不變,實(shí)驗(yàn)光路圖如圖6所示.

        圖6 凹透鏡對(duì)光線的作用光路圖

        實(shí)驗(yàn)三:探究透鏡中的光路可逆現(xiàn)象

        使綠色激光燈發(fā)出的光線平行于凸(凹)透鏡主光軸入射,可以看到明顯光路,此時(shí)在異側(cè)用紅色激光燈逆著折射光線照射,會(huì)發(fā)現(xiàn)紅色光路與綠色光路完全重合,光路變?yōu)辄S色,如圖7和圖8所示.由此可見(jiàn),透鏡對(duì)光線的作用中光路是可逆的.

        圖7 凸透鏡中的光路可逆現(xiàn)象

        圖8 凹透鏡中的光路可逆現(xiàn)象

        4 結(jié)束語(yǔ)

        當(dāng)今社會(huì),在新教育觀念的背景下,人們對(duì)學(xué)生的動(dòng)手操作能力和創(chuàng)新能力越來(lái)越重視,提倡將實(shí)驗(yàn)教學(xué)融入物理課堂.“透鏡對(duì)光線的作用實(shí)驗(yàn)儀”便是基于此背景的產(chǎn)物.儀器制作過(guò)程中,田麗杰老師給予筆者理論指導(dǎo),儀器的制作也得到了山東省科普專(zhuān)家王德法副教授的指導(dǎo).目前,此研究已應(yīng)用于物理教學(xué)技能大賽,且成功申報(bào)研究項(xiàng)目.該項(xiàng)研究非常具有應(yīng)用價(jià)值,同時(shí)也具有廣闊的應(yīng)用前景.但該儀器還處于雛形階段,對(duì)于“透鏡”實(shí)驗(yàn)研究過(guò)程中產(chǎn)生的一系列新問(wèn)題,依然需要不斷地優(yōu)化改進(jìn).同時(shí),我們應(yīng)尋求更多有效的手段應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新,使物理課堂與更多生動(dòng)有趣的實(shí)驗(yàn)相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)我們的研究?jī)r(jià)值.

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