“探究凸透镜成像规律”实验器材的改进初探

王正东

“探究凸透镜成像的规律”是苏科版《物理》(八年级上册)第五章第二节的内容，也是初中学生必做的重要光学实验，作为光学部分重要的学生探究活动，还是学生学习中的难点。这个探究实验，对培养学生的实验能力和提高学生的知识有着积极的作用。而该实验的成功则更能有效帮助学生总结和理解凸透镜成像的基本规律。多年来课本上一直都是用点燃的蜡烛作为光源，在科学技术高速发展的今天，理应对这套实验器材进行改进。经过尝试和探索，笔者对凸透镜成像实验器材做了一些改进，取得了不错的效果。

1光源的不足及改进

1.1光源的不足

实验中用蜡烛作为光源简单易行，基本上可帮助学生得出凸透镜成像的规律。但仍有以下一些不足：第一，由于烛焰自身有一定的厚度，测定的物距误差较大；加之烛焰处在2f点，学生很难观察到等大的实像。第二，烛焰容易受空气气流影响(学生在探究中必定有交流，也就会引起烛焰周围的空气流动)晃动从而导致大小不稳定，不便于学生找出最清晰的像，记录的像距误差较大，影响实验规律的总结。第三，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上，从而在光屏上找不到像，必须重新确定三者的高度。第四，此实验要在暗室中进行，空气流通不畅，蜡烛在燃烧时会发出浓烈的气味并使室内CO₂浓度增加，使学生感觉不适。第五，在实际的教学中，需要点、熄蜡烛的次数较多，较为麻烦、费时；在实验中一般是靠烛泪凝固在滑块上，容易发生倾斜，导致记录的物距不准确，造成实验误差；如果不慎还容易烫伤学生、引起火灾，存在安全隐患。第六，使用蜡烛时，烛焰所成的实像学生能观察到是上下倒立的，但却不能发现所成的实像是左右相反的特点。需要在教师的引导下，用手煽动或嘴轻吹才能看到，无法长时间用光屏承接，记忆就不深刻，学生常常靠死记硬背来解决实际的问题。

1.2光源的改进

针对以上情况，将实验中的烛焰改为由数码管显示的“9”(图1)，实验效果更明显。

制作材料：电池盒、干电池3节(5号)、数码管(1.2寸单色)、塑料板、导线、开关、写真纸、双面胶等。

具体做法：把数码管的几个脚根据需要进行焊接(本案例显示数字“9”，是为了观察实像的倒立的特点)之后固定在塑料板上，用导线将其与电池盒进行连接，用双面胶粘贴在写真纸的中央，并在面板上露出开关按钮，方便开关，再把它套装在带有插槽的支架上，就可固定在光具座的滑块上。装上三节5号电池(如图2)，按下开关即可显示出“9”。

当物距u=2f时，光屏上出现的烛焰的像感觉上是缩小的，学生很难观察到倒立等大的实像。而这套装置，很容易看到这个现象，而且物距、像距非常准确，非常有利于帮助学生寻找到2f这个分界点，很好地解决等大像的问题。

当物距u≤f时，光屏上会有类似烛焰的光斑，很容易被学生误当成烛焰的实像。特别是当烛焰位于凸透镜的焦点附近时，常常只是烛焰的一部分在凸透镜焦点以内，还有一部分位于焦点之外。这样，既能透过凸透镜看到在蜡烛的同侧有一个正立放大的虚像，又能在光屏上看到倒立放大的实像。改进之后，以上问题就彻底地得到了解决。

2刻度尺的不足及改进

常见光具座上的刻度尺，一般是从左往右依次变大。学生在探究过程中记录物距、像距时往往要经过计算，而不少学生忘记计算，直接记下刻度尺上的刻度，这将直接影响数据的分析、规律的总结。在原光具座基础上，将刻度尺的零刻度线放在中间，向两侧的刻度依次变大(如图3)。这样学生观察到的烛焰、光屏所在刻度即为物距、像距，只需直接记下数据。该改进在教学中使用效果良好。

3光屏的不足及改进

目前探究凸透镜成像规律实验的器材采用的是光具座和组件，光屏上成的像主要是通过目测来比较像与物的大小。当物体位于两倍焦距上成等大的像时，学生往往认为是缩小的。因为像比物要暗，从而造成变小的感觉，这种情况下靠目测的方法将得不出正确结论。在实验中，把改进的电光源的面板和光屏上都画上线条(如图4)，方便观察、比较和记录成像大小，更有利于得出成像的规律。图5为该装置经凸透镜成像后的效果图。

经过以上三个方面的改进本实验，具有下列优点：

1学生探究时，该光源操作方便、不会受气流的影响，使光屏上所成像位置更容易找准，像更加清晰、稳定，物距、像距也容易测量，减小了实验误差。

2由于该光源显示“9”，从光屏上所成的像可以直观观察到像的上下、左右都是相反的，这样在实验的过程中帮助学生轻松纠正了片面的认为凸透镜成实像时只是上下倒立的错误观点，很容易地突破了一个认知难点。

3在实验探究中，学生能很方便地观察到u=2f时成等大实像和u=f时不能成像的情况，也方便比较实像与物体的大小，实验效果很明显。

4此实验无需在暗室中进行，光线充足，有利于学生的身心健康成长。

5实验探究中学生记录的物距、像距准确，为分析数据和总结规律做好了准备。改进后的装置还具有操作简便、安全可靠、重复使用等特点。