探究凸透镜成像规律实验比较研究＊

贾 丽 朱文军

（南京树人国际学校，江苏 南京 210003）

探究凸透镜成像规律的实验是初中物理中一个重要的实验，成像情况较复杂、内容较多、且易混淆，涉及到的思维方法也多.

笔者在执教和听课的过程中想到这样几个问题：（1）探究凸透镜成像实验，到底应该如何探究？（2）怎样猜想到焦距f会影响成像性质的？（3）要做几次实验？（4）如何处理数据？（5）用蜡烛火焰做研究对象真的需要改变吗？

1 探究凸透镜成像整体设计

目前国内7种版本的分科物理教材中对凸透镜成像规律实验的设计基本上都是在观察的基础上提出猜想，设计思路大致有如下3种模式.

第1种是苏科版、粤教沪科版和沪科版教材的设计，它们是采用限制成像性质，分别得到倒立缩小的像、倒立放大的像和倒立等大的像，记录物距及像距，然后再设法引导学生得到正立放大的像，记录物距.

第2种是人教版、教科版和北师大实验版的教材，它们采用限制物距的方法.例如人教版，我们可以把物体放在距凸透镜较远的地方，然后逐渐移近，观察成像的情况.物距大到什么程度成实像，小到什么程度成虚像，大概不同的凸透镜会有不同，要有个参照的距离才便于研究.不同的凸透镜，焦距的大小不同.我们就用焦距f作为参照的距离.

先把物体放在较远处，例如使物距u＞2f，然后移动物体逐渐接近透镜，使物距u在2f和f之间，即f＜u＜2f，最后使物距u＜f.在这个过程中，观察并记录像的虚实、大小、正倒等情况.试试看，这样做能不能找出凸透镜成像的规律.

教科版也是要求先把蜡烛放在离透镜较远的地方，然后逐渐向透镜移动.在课文旁边有提示：“焦距标志着透镜对光的折射本领.实验中可以分为以下阶段选取数据进行研究：物体在2倍焦距以外；物体在2倍焦距和1倍焦距之间；物体在1倍焦距以内.”

第3种是北师大版教材，采用开放的探究模式.通过问题与猜想“改变物体与透镜之间的距离，可以得到不同的像.那么，透镜与物体之间的距离以及透镜的焦距是怎样影响像的正倒、虚实、大小的呢？”，制定计划：改变物体（点燃的蜡烛）到透镜的距离，从远到近，观察像的大小、正倒、虚实各怎样变化.测量出每一种情况下物体、像到凸透镜的距离.

那么，上面3种模式中哪一种较好呢？

建构主义教学理论认为，知识不是通过教师传授得到，而是学习者在一定的情境即社会文化背景下，借助其他人（包括教师和学习伙伴）的帮助，利用必要的学习资料，通过意义建构的方式而获得.学生要成为意义的主动建构者，这就要求学生在学习过程中从以下几个方面来发挥主体作用.

（1）要用探索法、发现法去建构知识的意义；

（2）在建构意义过程中，要求学生主动去搜集并分析有关的信息和资料，对所学习的问题要提出各种假设并努力加以验证；

（3）要把当前学习内容所反映的事物尽量和自己已经知道的事物相联系，并对这种联系加以认真的思考.

通过创设情境来引导学生对凸透镜成像的性质分类是可以的，所以才有了第1种的模式.这种模式的优点是学生只要找到所需要成的像，然后记录物距和像距，分析物距和像距有什么特点就可以了.简化了实验过程，方向性比较明确，降低了教学难点，也达到了节约时间的目的.这是一种限制性探究.

教师在教学中传播的不仅是知识，还要帮助学生经历探究的过程，更为重要的是要理解探究的思路和研究方法，让学生经历知识的形成过程，放慢教学的节奏.让教学的顺序与知识序和学生的认知顺序相吻合.

笔者认为，最能培养学生探究能力的模式应该是第3种模式，让学生在没有任何暗示的情况下进行自主探究学习，通过大量的实验发现规律.北师大实验版教材还要求选用不同的凸透镜，在物距相同时，比较成像情况是否相同；沪科版（2003年版）也要求学生选用不同焦距的凸透镜进行重复实验.北师大版美中不足的是，在最后要求学生把所观察到的成像情况画在图中（见图1所示），这其实也是在暗示学生把物距按照两倍焦距和焦点分成了几种不同的情况.

不建议采用的是第2种模式，学生在未知的情况下怎么知道要以焦距为参照物呢？怎么知道要限制物距大于2f、小于2f和大于f之间以及小于f的呢？

图1

2 怎么猜想到焦距f会影响成像性质的

建构主义学习理论强调，学习者并不是空着脑袋进入学习情境中的；教学不能无视学习者的已有知识经验，简单强硬的从外部对学习者实施知识的“填灌”，而是应当把学习者原有的知识经验作为新知识的生长点，引导学习者从原有的知识经验中，生长新的知识经验.教学不是知识的传递，而是知识的处理和转换.教师不是知识的呈现者，不是知识权威的象征，而应该重视学生自己对各种现象的理解，倾听他们时下的看法，思考他们这些想法的由来，并以此为据，引导学生丰富或调整自己的解释；教师与学生，学生与学生之间需要共同针对某些问题进行探索，并在探索的过程中相互交流和质疑，了解彼此的想法.

在学习了光的折射和凸透镜的基础知识之后，学生对凸透镜的成像规律是没有认识的，学生是不知道物距和焦距之间的关系会影响成像性质的，更不可能知道两倍焦距和焦点是成像性质的分界点.教师如果把自己掌握的知识生搬硬套的呈现在学生面前，就会让学生感觉很奇怪，这本质上还是一种“填鸭子”式的传统教学，是假探究，不是真探究.

最合理的设计是给学生提供2～3种不同焦距的凸透镜，先把蜡烛放在离凸透镜较远的地方，然后逐渐向透镜移动，在移动的过程中选取若干个位置，并调整光屏的位置，观察成像的情况，记录成像性质和物距、焦距、像和物的位置关系等，然后换用不同焦距的凸透镜重复实验.在大量的实验基础上进行分析、采用同种求异、异中求同和同异综合等物理科学方法寻找统一的凸透镜成像规律.

这样虽然会花很多的时间，甚至一节课都完成不了整个探究过程，但是我们可以先做实验，让学生在课后或者利用下一节课进行深入的分析、归纳而找出规律，这样看起来虽然“浪费”了时间，但是学生经历了真正的探究过程，所有的规律是学生在自己实验的基础上通过实验数据总结得出来的，印象自然比较深刻，理解了的东西记忆起来自然就长久，也就不再需要通过大量的“题海”使学生巩固这个成像规律了.

3 实验到底要做几次

物理学中很多规律都是通过大量实验数据归纳得出的，而不是一两次的巧合就可以归纳出的，用的是一种不完全归纳法，实验次数越多得到的规律其可靠性也就越高.由于时间的限制，在实际教学过程中不可能实验次数太多，一般做3次以上就可以了.但是笔者发现有的教材中，每种成像情况的实验次数太少，例如粤教沪科版教材（见表1）的实验记录表格中每种成像情况只需要做一次，这很明显是太少；沪科版教材是用两个不同焦距的凸透镜对每种成像情况做1次；人教版教材（见表2）和苏科版教材（见表3）教材对每种成像情况要求做2次，也是欠妥的.

表1

表2

表3

4 实验数据的处理

如果是每种成像情况做了3次以上，这些大量的数据应该如何处理呢？

表4

物理规律的建立是以观察和实验为基础，同时也离不开逻辑的和创造性的思维，通常还要建借助数学的描述和推理方法.初中物理常用的数据处理方式是列表、画图像等.对于凸透镜成像实验得出的多组数据，可以采用异中求同找出成像性质一样的多组数据，例如成倒立缩小实像的多组数据，再归纳总结出统一的规律.又如，物距都大于2倍焦距、像距都小于2倍焦距且大于1倍焦距，物距大于焦距，随着物距的减小像距在增大、像在增大，像和物在透镜的两侧等.

也可以采用Excel自动生成v－u图像，如根据表4（f＝10cm）生成如图2所示的v－u图像.

图2

也可以采用不同颜色（同一种成像性质用同一种颜色）和相同长度的箭头来表示物体，用对应的颜色和长度适当的箭头来表示像，放在凸透镜的主光轴上直观、形象地的来寻找规律，如图3所示.

图3

如果学生用的光源相同（如用9个发光二极管做成的“F”光源），还可以在同样大小的透明胶片上复印上凸透镜、主光轴、焦点和刻度，让学生对同一种成像性质的物体和像用同一种颜色的记号笔画上箭头（物体的长度统一，像的长度根据实验数据画出），然后把所有的胶片叠放在一起，就可以得到大量的数据，很清楚的看出凸透镜的成像规律.

5 实验用的光源如何选取比较好

在探究凸透镜成像实验中，传统的光源都是蜡烛，但是有教师认为：（1）燃烧的蜡烛的火焰是跳跃的，大小不稳定，左右摇摆，导致在光屏上所成的像也不稳定，对比较像与物的大小带来麻烦；（2）燃烧的蜡烛的火焰上下比较容易分辨，但要分辨左右关系就很困难了（当然要分辨像的左右也可以）；（3）燃烧的蜡烛的火焰由于自身沿透镜主轴方向有一定的厚度，使物距不是唯一的值，这会给确定像的位置带来困难，从而使所得数据有一定误差；（4）教材提供的成像物体是蜡烛，产生的气味不仅让人比较难以接受，而且每次实验过后这种气味较长时间地滞留在实验室影响了学生的身心健康；（5）用明火有安全隐患.于是给出了图4所示的装置.［3］也有的老师选用了9个发光二极管做成的“F”光源，如图5所示.

不可否认的是，选用烛焰做为物体在像和物的大小差别不是很大时不容易判断大小，但是对于像和物的左右关系还是很容易判断的.

图4

图5

北师大版教材中指出，“在成虚像和成实像的两种情况下，轻轻吹蜡烛的火焰，使它向左侧或者右侧偏斜，观察火焰的像向左侧还是右侧偏斜.注意像与物体的左右关系.”

有人认为采用图4或者图5的光源更好.这里就涉及到一个问题：如何观察判断像和物是不是左右相反的？采用蜡烛火焰作为研究对象，我们可以从蜡烛的外侧向蜡烛、凸透镜和光屏看去，沿一个方向可以同时观察物体和像，只要另一个学生沿垂直于光具座的方向轻轻吹烛焰，就可以清楚的看出烛焰的像和烛焰偏斜的方向是相反的.

图4所示的情景是从不同的方向看到的现象，人在看物体的左右时是站在凸透镜的位置向左看，而看像的左右时是站在凸透镜的位置向右看，其实这时候看到的像不是图4中所示的像的情况.图4中像的情况是站在光屏的右边向光屏、凸透镜、物体的方向看，这就要求光屏必须是半透明的了，如用毛玻璃来做.同理，用“F”光源做实验也存在着这个问题.

因此，笔者认为，如果单纯是为了方便准确地研究像和物体的大小的话，用图4和图5中的光源较好（在光屏上贴上坐标纸，方便通过数格子的方法测量像高）.如果只是单纯地研究像和物体的左右是否相反的话，那还是用烛焰做光源，人的视线沿一个方向去看像和物体.就像早期的120相机，我们在毛玻璃上看见的像是和物是上下颠倒、左右也颠倒的.

总之，物理实验的设计要综合考虑到实验器材的选择、物理科学方法的运用，更要考虑到学生的认知规律，要让学生经历真正的科学探究过程，而不能越俎代庖.在探究的过程中不能限制学生的思维维度，要让学生经历全面的探究过程.科学探究的过程是从一定的科学信念或者假设出发，通过对事物的观察、现象多次观察、实验，对取得的大量资料进行分析、综合、归纳，发现在一定条件下有关物理量之间的必然联系，从而才能得到真正的规律.这样的学习才是高效的，才是最优化的.

1 阎金铎等.中学物理新课程教学概论（第1版）.北京：北京师范大学出版社，2008.

2 李迎春.凸透镜成像实验装置的不足及改进.物理通报，2010（4）.

3 季建.“探究凸透镜成像的规律”实验改进.实验教学与仪器，2011（12）.

4 刘炳昇等.义务教育课程标准试验教科书（第2版）物理（8年级上册）.南京：江苏科技出版社，2007.

5 吴祖仁.义务教育课程标准试验教科书（第1版）物理（8年级上册）.北京：科学教育出版社，2003.

6 彭前程.义务教育课程标准试验教科书（第3版）物理（8年级上册）.北京：人民教育出版社，2006.

7 廖伯琴等.义务教育课程标准试验教科书（第1版）物理（8年级）.上海：上海科学技术出版社，2001，2007（修订）.

8 阎金铎.义务教育课程标准试验教科书（第2版）物理（8年级下册）.北京：北京师范大学出版社，2006.

9 阎金铎.北京市义务教育课程改革试验教材（第3版）物理（8年级）.北京：北京师范大学出版社，2005.

10 束炳如.义务教育课程标准试验教科书（第2版）物理（8年级上册）.广州：广东教育出版社，上海：上海科技出版社，2003.