凸透镜成像光路实验改进

车宗衡

山东省淄博市淄川区双沟中学(255100)

1 教材中的凸透镜成像光路

在人教版初中物理等教材中，我们可以看到如下的光路图。图1为凸透镜成实像的原理光路图，图2为凸透镜成虚像的原理光路图。

在实践教学中，我们常常用画光路的方式深化学生对凸透镜成像原理的理解：凡从一点发出的多条光线，经凸透镜折射后，要么平行(不成像)，要么发散(成虚像)，要么会聚于一点(成实像)，再也没有第4种可能。但是画图方式存在以下缺陷：①不能显示凸透镜成像的连续变化过程；②光路绘画过程中微小的误差，可能导致经凸透镜折射后的光线不会聚于一点；③过于重视理论知识；④课堂上耗费时间过长。

2 将理论实践化的实验设计

2.1 显示光路仪器设计

能否将凸透镜成像的光路图实际显示出来呢？经思考，笔者制作了透明亚克力箱，箱体大小刚刚能将实验室标准光具座(带有凸透镜和光屏)罩住，箱内点燃蚊香产生烟雾，利用丁达尔效应使光路显示出来。

2.2 光源仪器设计

实验中如果使用传统的蜡烛或LED光源，将无法显示光路；使用激光灯可以见到光束，但是常见激光灯是单一光束。重新设计制作激光器难度太大，不是大多数一线教师可以完成的。如何模拟教材中点光源发出的多束光呢？受到教科版教材启发，可将两激光灯呈一定小角度放置，并用热熔胶固定在一个木板或塑料板(图中使用的是装潢用UV板)上制作而成,如图3所示。为了模拟点光源发出多条光束的效果，可调整木板尺寸将光线交叉前的部分遮住，如图4所示。

这里需要注意两激光灯射出光束的夹角不可太大，因为实验室学生用凸透镜直径约5 cm，光束角度太大会使得光线过于分散，不能同时照射到凸透镜上。

2.3 其他实验设计

为提升实验效果，还需补充以下操作：①为了提升显示效果，亚克力箱的背面可以涂与光源颜色对比明显的背景色或贴背景纸；②为了防止光线遇到亚克力板发生反射，影响观察效果，还应该在亚克力箱光源的另一侧贴粗糙的黑纸，以吸收光防止明显反射；③为方便改变物距，可在亚克力箱光源侧开口，方便手进入。

3 使用效果

在教学实践中发现本套仪器的使用可产生以下效果：

(1)大大提高课堂效率，提高学生兴趣。

(2)有助于学生理解凸透镜成实像、不成像和成虚像的原理，分别如图5、图6、图7所示。

(3)在课本实像、虚像光路图基础上，增加凸透镜不成像光路图，可见点光源置于焦点处(u=f)经过凸透镜后变为平行光；

(4)能够展示物距变化时连续的像距变化，让学生更加直观地理解凸透镜成像规律，同时有更加深刻的记忆。

4 尚存在问题

在研究成虚像时，由于光束固定角度较小和物距太近的原因，经过凸透镜折射后的光线可见发散，但相较原光线传播方向的改变程度较小(如图7)，不易判断虚像的位置。下一步改进工作中，可以考虑光束夹角度数可调整的设计方案。

另外，光源在实验时需要手持，手的抖动会影响学生观察，可以设计支架与光具座组合使用。