凸透镜成像实验装置的不足及改进

李迎春 张永春

(邹平县第一中学初中部 山东邹平 256200)

“探究凸透镜成像规律”是初中学生必做的光学实验,也是光学部分的重点.通过学习不仅要使学生了解凸透镜的成像规律,而且要使学生初步了解实验 —分析 —归纳的科学探究方法,强化学生学习的独立性、主动性.在探究过程中,教师要引导学生对凸透镜的成像规律进行猜想,初步设计实验方案,组织学生用实验探究的方法,得出凸透镜成像的规律.通过探究学习活动,实现三方面的目标:

一是使学生获得一定的知识与技能;

二是使学生体验探究过程,获得一些探究与创新学习的方法;

三是发挥探究活动具有的培养情感领域的功能,即让每个学生通过探究活动获得成就感,激发对科学的热爱和学习热情.

为更好地培养和提高学生的实验能力、提高学生的认知水平,根据学生实际做实验时出现的情况,现对教材中实验装置存在的问题及改进的方法总结如下.

1 光源的不足及改进

1.1 光源的不足

(1)使用蜡烛时,烛焰所成的实像学生能轻易观察到是上下相反、倒立的;但却不能发现所成的实像也是左右相反的特点,必须要在教师的直接告知下用手煽动才能看到,无法长时间用光屏承接.也就不能在头脑中留下深刻的印象,碰到实际问题时模棱两可.

(2)由于蜡烛在燃烧的过程中不断变短,因此燃烧一段时间后,烛焰中心、凸透镜光心和光屏中心不在同一高度,而在光屏上找不到像时就必须重新调整三者的高度.这样会干扰学生的思维.

(3)烛焰易受空气流动(学生操作过程中必定会在烛焰周围引起空气流动)而晃动使其大小不稳定,对光屏上像的清晰度及位置产生影响.这样就不便确定最清晰像的位置,造成较大的实验误差.

(4)蜡烛一般是靠蜡泪粘在托盘上,很容易发生倾斜,有可能读出的物距并不是烛焰到凸透镜光心的真实距离造成实验误差;如果不慎还容易烫伤学生,存在很大的安全隐患.

1.2 光源的改进

针对上面情况,我们将实验中的发光物体烛焰改为由发光二极管排列而成的“F”形(图1).

具体做法:把9个红色的发光二极管按“F”字样镶嵌排列在光屏正面的中央位置,在光屏背面用焊锡把二极管串联在一起,接上电池及开关.

图1

改进的优点:

(1)在学生实验时,该光源不会晃动、改变大小,因而避免了由于蜡烛燃烧变短、烛焰晃动等因素给实验带来的不利影响,使光屏上所成的像更加清晰、稳定,减小了误差.

(2)由于该光源为“F”形,从光屏上所成的像可以直观地观察到像的上下、左右都是相反的.这样在实验的过程中就帮助学生轻松纠正了片面地认为凸透镜成实像时只是上下颠倒的错误观点,很容易的突破一个认知难点.

(3)该光源还具有操作方便、安全可靠、可重复使用等特点.

2 光屏的不足及改进

以往光屏上成像的大小是用目测,如果成放大或缩小的实像可以辨别出来.但当物体位于两倍焦距上成等大的实像时,学生往往认为是缩小的.因为像比物要暗,从而造成变小的错觉,这种情况下靠目测的方法将得不出正确结论.在实验中,笔者把光源所在光屏和承接像的光屏上都标注等间距的刻度(图2),方便观察、比较和记录成像大小,确保实验的准确性.

图2

3 光具座的不足及改进

原来光具座的标尺,零刻度的位置在光具座的最左端,一次实验,物距和像距的得出要进行两次减法运算.改进后的标尺将零刻度定在原来45cm的位置,把凸透镜定在该处,向左右两侧分别标出刻度值,从中间向两边数字逐渐增大(图3).这样一次实验只要读出两个数据,不经过任何运算,就可以得到物距和像距,减少实验以外的干扰因素,降低难度,节省时间,有利于学生把主要精力用在科学探究上.

图3

4 对透镜的改进

在凸透镜成像规律中,当我们挡住透镜的一部分时,所成像大小、位置不变,只是像变暗了.这个现象如果学生不亲自观察到是很难接受的.所以我们在透镜上加一个遮光罩(图4),用来研究透光面积变化后成像是否变化.具体做法是:先观察完整透镜成像情况后,逐渐用遮光罩改变透镜的透光面积,观察所成像的变化情况,实验表明现象非常明显,效果很好.

图4