摘要：本文針對“凸透鏡成像規(guī)律”實驗中物、鏡、屏三者中心是否一定要保持同一高度的問題，通過查閱資料，從實驗探究和光學原理兩個角度進行分析，得出結(jié)論：物、鏡、屏三者中心應處于同一高度而非在同一直線上。此外，本文從靜態(tài)思維、實驗器材、實驗方法三個方面分析了導致錯誤認知的成因，并提出了深入研究教材、立足實驗操作、開發(fā)課堂教學等相應的對策。

關(guān)鍵詞：凸透鏡成像規(guī)律；實驗；高度關(guān)系

1問題的提出

在“研究凸透鏡成像規(guī)律”的實驗中，實驗一段時間后，原來成在光屏中央的像“跑”到如圖所示的位置。下列操作可以讓像重新回到光屏中央的有。

①光屏上移一段距離

②蠟燭下移一段距離

③透鏡下移一段距離

基于燃燒、熔化等原因，蠟燭越來越短，導致燭焰高度下降，因此該小問的答案只可能是①和③。該小問立足實際，旨在引導師生關(guān)注燭焰、凸透鏡、光屏之間的高度變化，并進行適當?shù)恼{(diào)整，以確保像能成在光屏的中央。這類問題常見的操作：①將蠟燭往上移；②將凸透鏡往下移；③將光屏往上移。操作①會使物、鏡、屏三者中心回到同一高度，而操作②或③會使物、鏡、屏三者中心高度關(guān)系發(fā)生變化（見圖1）。由圖1可知，此時物、鏡、屏三者的中心在同一直線上，而非在同一高度上。經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，很多教師認為物、鏡、屏三者中心應在同一高度，同時他們又都認為該題答案選擇①③是沒有問題的。那么，物、鏡、屏三者中心的位置關(guān)系到底應該是在同一直線上，還是在同一高度上呢？如果物、鏡、屏三者中心在同一直線而非在同一高度上對實驗有怎么樣的影響？

2物、鏡、屏三者中心高度的關(guān)系分析

2.1文獻分析

通過查閱了人教版、蘇科版、浙教版三個版本的教材發(fā)現(xiàn)：人教版《義務教育教科書物理八年級上冊》并未對高度提出具體的文字要求［1］；蘇科版《義務教育教科書物理八年級上冊》則指出實驗前應使燭焰和光屏的中心位于凸透鏡的主光軸上［2］；浙教版《義務教育教科書科學七年級下冊》則要求調(diào)節(jié)蠟燭、凸透鏡、光屏的中心大致處于同一高度，并讓學生想一想，為什么要這么做［3］。因此，可以得出結(jié)論，教材普遍要求蠟燭、凸透鏡、光屏三者的中心處于同一高度，而非同一直線上。

在知網(wǎng)上以“凸透鏡高度”“光屏高度”和“光屏位置”等關(guān)鍵詞進行搜索，并未發(fā)現(xiàn)相關(guān)研究。根據(jù)調(diào)研數(shù)據(jù)，教師在日常教學中尚未對物、鏡、屏三者中心是否需要位于同一高度還是同一直線的問題進行深入探討。

2.2實驗分析

在日常實驗中，通常采用物、鏡、屏三者中心在同一高度的方法進行實驗，實驗結(jié)果也與預期相符，故不再對物、鏡、屏三者中心在同一高度的情況進行詳細分析。接下來，本文將對物、鏡、屏三者中心在同一直線但不同高度的情況進行實驗分析。

2.2.1調(diào)節(jié)凸透鏡高度使物、鏡、屏三者中心回到同一直線

當物體的高度偏低，導致像成在光屏的上部時，通過調(diào)節(jié)光屏位置，可以在光屏上呈現(xiàn)出清晰的像。以物、鏡、屏三者中心在同一直線上即可的思想為指導，如果將凸透鏡向下移動一段合適的距離，像確實能回到光屏中央。然而，通過實驗發(fā)現(xiàn)，此時的像已不再清晰。由此可知，當蠟燭變短時，雖然通過調(diào)節(jié)凸透鏡的高度或光屏的高度能使像重新成在光屏的中央，但所成的像已不再清晰。

2.2.2改變物距分析像的高度變化

當物、鏡、屏三者中心在同一直線但高度不同時，調(diào)整三者之間的相對距離，可以在光屏上呈現(xiàn)出清晰的像。在這種情況下，物體的高度最低，而光屏的高度最高。若減小物距，同時移動光屏，使光屏上再次呈現(xiàn)出清晰的像。通過實驗發(fā)現(xiàn)，當光屏上再次呈現(xiàn)出清晰的像時，像會出現(xiàn)在光屏的上部。由此可知，當物、鏡、屏三者中心在同一直線但不同高度時，雖然能使像成在光屏中心，但改變物距后，像所在的高度會隨之發(fā)生改變，不能保持像一直成在光屏中心。

2.3原理分析

2.3.1調(diào)節(jié)凸透鏡高度導致像模糊的原理分析

在探究“凸透鏡成像規(guī)律”實驗中，若蠟燭燃燒變短，燭焰將會低于凸透鏡主光軸而處于圖2所示的A位置。經(jīng)過凸透鏡折射后，燭焰的像成在A′的位置，若將光屏中心放在A′的位置，則可得到一個清晰的像。若將凸透鏡向下移動，則主光軸和焦點均會下移，物距發(fā)生了變化。作圖可知，燭焰的像成在A″的位置，此時像距變大。由此可知，雖然向下移動凸透鏡可以使像下移，但也會使像成在光屏的后面，光屏上將不能呈現(xiàn)出清晰的像。為了在光屏上得到清晰的像，需要將光屏向右移動一小段距離。若通過調(diào)節(jié)光屏的方式，使像成在光屏中心，同樣會因為蠟燭變短導致物距發(fā)生變化，導致光屏上不能呈現(xiàn)出清晰的像。因此，該實驗應當確保物、鏡、屏三者中心在同一高度，而非同一直線上。

2.3.2改變物距對像高度變化的影響分析

在探究“凸透鏡成像規(guī)律”實驗中，若蠟燭燃燒變短，燭焰將會低于凸透鏡主光軸，處于圖3所示的A位置。經(jīng)過凸透鏡折射后，燭焰的像成在A′的位置。若將光屏中心放在A′的位置，則可得到一個清晰的像。若將燭焰移到B位置時，則經(jīng)過凸透鏡折射后，燭焰的像將成在B′的位置。由圖3可知，B′所在的位置比A′高，因此，即使將光屏水平向右移到B′位置，像也會成在光屏的上方。為了使像重新成在光屏中央，需要繼續(xù)將光屏向上移動。由此可知，每當燭焰向左或向右移動時，都需要相應調(diào)節(jié)光屏的高度。若蠟燭燃燒變短，可以通過將凸透鏡下移的方式讓像重新成在光屏中央，那么燭焰、凸透鏡、像三者的相對位置依然是如圖3中所示的A、凸透鏡、A′所處的位置關(guān)系。同理可知，每次將燭焰向左或向右移動時，都需調(diào)節(jié)凸透鏡的高度。若通過調(diào)節(jié)燭焰高度的方式，使燭焰、凸透鏡、光屏三者中心處于同一高度，則每次將燭焰向左或向右移動時，并不需要再調(diào)節(jié)燭焰、凸透鏡、光屏三者的高度。

3分析造成錯誤認知的原因

3.1思維方式靜態(tài)

在實驗或試題中遇到該問題時，師生往往只從當前問題的角度進行操作或思考，只關(guān)注到當前問題的解決，而沒有深入思考實驗操作的后續(xù)影響。這導致學生對物、鏡、屏三者中心應在同一直線還是同一高度的認識不夠深刻。

3.2實驗器材迭代

近年來，光學實驗器材更新迭代迅速，普遍采用“F”形光源替代蠟燭進行實驗。“F”形光源、凸透鏡和光屏三者中心的高度已經(jīng)由廠家預先調(diào)試好，學生在進行實驗時無需再次調(diào)整，可以實現(xiàn)即插即用。此外，“F”形光源使用電能作為能源，避免了蠟燭燃燒變短的問題。在實驗過程中，物、鏡、屏三者中心始終保持在同一高度，因此物、鏡、屏三者中心不在同一高度的問題，在使用新型實驗器材時已不再適用。

3.3實驗方式固化

在使用“F”形光源之前，凸透鏡成像實驗通常由教師進行演示和講解，而學生僅扮演觀察者的角色。隨著實驗條件改善，當學生開始進行分組實驗時，又已是使用“F”形光源的時代，學生因此失去了發(fā)現(xiàn)問題的機會。此外，由于凸透鏡成像實驗相對比較復雜，需要關(guān)注的細節(jié)較多，數(shù)據(jù)處理也較為困難，導致即使是分組實驗，學生也往往在教師演示和經(jīng)過反復討論設計之后，才按照既定步驟進行實驗，從而失去了在探索中發(fā)現(xiàn)問題的環(huán)境。

4對策及建議

4.1精研教材挖細節(jié)

教材是重要的教學載體，每個細節(jié)都經(jīng)過精心設計。因此，教師在教學之前，應當深入研究教材，逐字逐句進行分析，力求理解教材中每個字的深層含義，這樣可以發(fā)現(xiàn)和避免大多數(shù)問題。例如，多個版本教材中都明確指出燭焰、凸透鏡、光屏三者中心是在同一高度而非同一直線。在命制試題時，應考慮物、鏡、屏三者中心在同一直線而不在同一高度時可能對后續(xù)實驗產(chǎn)生干擾，以避免學生形成錯誤認知。

4.2立足實驗勤驗證

物理是一門立足于實驗的學科，當教學中遇到難以決斷的問題時，可通過實驗進行驗證，對實驗結(jié)果進行理論分析，從而得到問題的答案。

4.3開放課堂重生成

開放的課堂環(huán)境常常會出現(xiàn)一些生成性問題，這些問題是教師事先無法預知的，同時也是學生在學習過程中遇到的實際挑戰(zhàn)。在這樣的課堂氛圍中，教師可以引導學生發(fā)現(xiàn)問題，并鼓勵他們探索解決問題的方法。這樣的教學過程能夠促進學生對問題進行多角度的思考和解讀，通過辯論和實踐來深入地解決問題，進而培養(yǎng)學生的批判性思維和創(chuàng)新思維，帶來更為深刻的學習體驗。

參考文獻

［1］人民教育出版社課程教材研究所物理課程教材研究開發(fā)中心.義務教育教科書物理八年級上冊［M］.北京：人民教育出版社，2012：97-99.

［2］劉炳昇，李容.義務教育教科書物理八年級上冊［M］.南京：江蘇鳳凰科學技術(shù)出版社，2012：88.

［3］朱清時.義務教育教科書科學七年級下冊［M］.杭州：浙江教育出版社，2013：76-77.