王喜平

初中物理凸透鏡成像實(shí)驗(yàn)一節(jié)內(nèi)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(shí)驗(yàn)如圖1所示，此時(shí)所成的像是倒立的實(shí)像。并且老師還會(huì)告訴同學(xué)們，倒立的準(zhǔn)確理解應(yīng)該是：上下顛倒，同時(shí)左右也顛倒。我們對(duì)照著實(shí)驗(yàn)也沒(méi)有任何疑惑，也容易理解。

近幾年，有些教師把上面的實(shí)驗(yàn)加以改進(jìn)并進(jìn)行了推廣，改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)教具是：利用發(fā)光二極管拼成一個(gè)字母“F”作為光源，光屏仍然是不透明的，如圖2所示。改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)具有許多優(yōu)點(diǎn)，會(huì)使得同學(xué)們順利地完成這個(gè)實(shí)驗(yàn)。在完成凸透鏡成實(shí)像時(shí)，更加清晰的觀察到倒立的實(shí)像。老師對(duì)倒立的解釋依然是：上下顛倒，同時(shí)左右也顛倒。此時(shí)，細(xì)心的同學(xué)就會(huì)發(fā)現(xiàn)，自己所做的實(shí)驗(yàn)與老師講解的有些不同，同學(xué)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(yīng)該是上下左右都顛倒的“F” （如圖4所示）。有些老師就會(huì)詳細(xì)的給同學(xué)們解釋原因，而有一部分老師就會(huì)敷衍同學(xué)們，不作解釋?zhuān)苯痈嬖V學(xué)生答案是什么，死記硬背下來(lái)。

在這里，筆者針對(duì)大家的質(zhì)疑進(jìn)行深入的探討。當(dāng)我們用蠟燭做實(shí)驗(yàn)時(shí)，就不知道左右是否顛倒，老師說(shuō)是上下左右都顛倒的，同學(xué)們就認(rèn)同了（因?yàn)橛匈|(zhì)疑，也沒(méi)有辦法驗(yàn)證）。但是在改進(jìn)后的儀器下完成實(shí)驗(yàn)，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(shí)。理論上應(yīng)該上下左右都顛倒的實(shí)像，但看到的不是上下左右都顛倒的實(shí)像，哪里一定出了問(wèn)題。這個(gè)問(wèn)題在于：我們?cè)O(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)，存在缺陷。因?yàn)槲覀兪褂玫慕滩闹校ò▏?guó)外的教材），在完成凸透鏡成像實(shí)驗(yàn)時(shí)，用的都是蠟燭和不透明的光屏，假如我們?cè)诠饩咦蠌淖笙蛴覕[放蠟燭、凸透鏡和光屏，當(dāng)我們觀察物體（蠟燭）時(shí)，是要把自己的眼睛轉(zhuǎn)向左側(cè)觀察，觀察所成的像時(shí)，卻要把眼睛轉(zhuǎn)向右側(cè)觀察。那么問(wèn)題就在這里了，實(shí)驗(yàn)者在觀察物體和像時(shí)，所觀察的角度不一樣必然帶來(lái)不一樣的結(jié)果，甚至是錯(cuò)誤的結(jié)果。如果實(shí)驗(yàn)者在觀察物體和像時(shí)，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(rèn)為，我們現(xiàn)在使用的教材上的這個(gè)實(shí)驗(yàn)最好改為半透明光屏，實(shí)驗(yàn)者在完成這個(gè)實(shí)驗(yàn)時(shí)，最好站立在光屏后方，從右側(cè)的同一個(gè)位置，同一個(gè)角度觀測(cè)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(fù)存在。

在這里，筆者也有改進(jìn)這個(gè)實(shí)驗(yàn)。那就是把光源設(shè)計(jì)為16個(gè)發(fā)光二極管組成的正方形，每4個(gè)發(fā)光二極管組成一個(gè)小組，由一個(gè)開(kāi)關(guān)控制，即4個(gè)開(kāi)關(guān)控制4組發(fā)光二極管，如圖5所示。光屏設(shè)計(jì)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(gè)與光源大小一致的隱性正方形。

在完成凸透鏡成像實(shí)驗(yàn)時(shí)，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(diào)整好光源、凸透鏡和光屏的位置。實(shí)驗(yàn)者站立在光屏右側(cè)，從右向左同位置同角度觀察物和像，用開(kāi)關(guān)隨意控制四組發(fā)光二極管，可以讓右上角的一組不發(fā)光，觀察所成的像是什么位置不發(fā)光（可以清晰觀察到是左下角不發(fā)光）。 那么可以順利得到結(jié)論：凸透鏡成像是上下左右都顛倒的。對(duì)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(shí)驗(yàn)就會(huì)更加順利，所有問(wèn)題就迎刃而解了。

或者把光源設(shè)計(jì)為一個(gè)由13個(gè)發(fā)光二極管組成的正方形圖形，12個(gè)發(fā)光二極管組成的正方形外環(huán)，中心有一個(gè)單獨(dú)發(fā)光二極管，外環(huán)每3個(gè)發(fā)光二極管為一組（也可以用四種顏色的發(fā)光二極管，每一組為一種顏色），由一個(gè)開(kāi)關(guān)控制，中心單獨(dú)二極管由一個(gè)開(kāi)關(guān)控制，如圖6所示。中心單獨(dú)二極管為定位光源，使用方法是，先把凸透鏡固定在適當(dāng)?shù)奈恢煤透叨龋俅笾鹿潭òl(fā)光物體的高度，打開(kāi)定位光源開(kāi)關(guān)，調(diào)整光源、凸透鏡、光屏高度，當(dāng)定位光源的亮斑出現(xiàn)在光屏正中央時(shí)，三者高度一致，關(guān)閉定位光源。打開(kāi)其他幾組發(fā)光二極管完成實(shí)驗(yàn)。

教具制作方法：改進(jìn)后的光源利用不同顏色的發(fā)光二極管排列組合成的點(diǎn)陣來(lái)進(jìn)行凸透鏡成像演示。光源采用的是高亮發(fā)光二極管，通過(guò)四種顏色排列組合，同時(shí)每組光源可以獨(dú)立控制，以達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康?。同時(shí)里面采用的是大容量的鋰電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和與手機(jī)充電器相匹配的充電模塊，可以有效的提升續(xù)航時(shí)間和實(shí)驗(yàn)效果，同時(shí)可充電電池設(shè)計(jì)也達(dá)到了環(huán)保的目的，并且延長(zhǎng)了教具的使用壽命。外殼采用的是木質(zhì)結(jié)構(gòu)，成本低廉方便制，底座采用的是與傳統(tǒng)的透鏡成像實(shí)驗(yàn)一樣的底座，與傳統(tǒng)光學(xué)教具兼容性好。

在實(shí)際生活中，我們會(huì)在很多地方使用到凸透鏡的，比如書(shū)本上列舉的照相機(jī)，投影儀，放大鏡，望遠(yuǎn)鏡，顯微鏡，都是在同一個(gè)角度觀察物體和像，然后比較像與物的形狀關(guān)系（小孔成像也是同一個(gè)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(duì)比較專(zhuān)業(yè)化的研究者，在使用凸透鏡時(shí)，研究者預(yù)先已經(jīng)知道像的形狀發(fā)生了怎么樣的變化。而作為初學(xué)者的初中學(xué)生，是應(yīng)該讓初學(xué)者站立在同一個(gè)角度完成實(shí)驗(yàn)，才可以正確理解凸透鏡成像規(guī)律。

最后，筆者還是建議把書(shū)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(duì)稱的光源。改進(jìn)后的優(yōu)點(diǎn)是，一.不透明光屏上看到的像，為什么只是上下顛倒而沒(méi)有左右顛倒，就能夠順利解釋。二.讓所有的老師和學(xué)生能夠站立在一個(gè)正確的角度研究物理問(wèn)題，減少歧義。