“透镜”实验仪器的创新改进

秦 野 田丽杰 马晓光

(鲁东大学物理与光电工程学院 山东 烟台 264025)

随着基础教育的改革和当今社会教育理念的不断更新，物理学科中实验教学的地位越来越重要.2011年教育部制定的《义务教育物理课程标准(2011年版)》中提到物理课程应当“使学生经历科学探究过程，学习科学研究方法，培养学生的探索精神、实践能力及创新意识”[1].“透镜”是义务教育阶段光学部分的基础知识，透镜对光线的作用是学生需要掌握的重要光学规律.因此，研发针对“透镜”实验的创新教具辅助教学符合新教学理念，是使学生深入理解光学原理，提高学生科学素养的重要途径.传统教学中，教师通常利用激光灯发出光线，在烟雾室或暗室中对实验光路进行简单演示，不易操作、误差较大、污染环境.因此，针对传统实验的不足，受雾天汽车灯光的启发，自制了“透镜对光线的作用实验仪”.经实践，借助自制教具改进后的“透镜”实验，使物理课堂与实验教学有效结合，大大提高了教学效率和学生的学习兴趣.

1 传统实验方式

基于人教版义务教育教科书《物理》八年级上册第五章第1节“透镜”[2]，经调研，“透镜对光线的作用”实验演示主要采取以下两种方式.

1.1 利用暗室进行实验

利用暗室演示透镜对光线的作用是最传统的实验方法，人教版教材中也采取了这一方式，如图1所示.其中图1(a)是凸透镜对光线的作用实验现象，图1(b)是凹透镜对光线的作用实验现象.该实验装置的主要构成有：带有磁铁的三孔激光灯(可吸附于黑板或白板上)、柱状平凹(凸)透镜.实验操作比较简单，需提供一个暗室，在教室中关窗帘、关灯即可，这也是最常用的实验方法.但该方法也有明显不足之处.首先，实验对暗室环境要求较高，且三孔激光灯功率过小，易造成实验现象不直观，不能很好呈现光路等问题.其次，实验利用的透镜外观并非本节课学生新接触的“透镜”，因此该实验说服力不够，缺乏物理学科应有的严谨性，容易使学生形成错误的前概念.因此，该实验方式需要从光源选取和透镜选择两个方面进行创新改进.

(a)凸透镜对光线的作用

(b)凹透镜对光线的作用

1.2 利用烟雾室进行实验

经调研，将暗室改进成烟雾室的想法很早就有人提出[3].改进后的实验装置简化图如图2所示.其主要构造有：透明可密封的玻璃箱或亚克力箱、大功率激光灯、透镜、烟雾产生装置.其中烟雾可由红磷或香烟产生，相比较于暗室，该装置存在实验现象更明显、受外界环境干扰较小等优点.但与此同时，利用红磷或香烟制造烟雾来呈现光路存在非常大的安全隐患，并且烟雾对环境也会造成污染.除了利用这一方法产生烟雾之外，随着科学技术的发展，后来采用烟雾器产生烟雾，这种方法虽然解决了安全隐患，但由于烟雾器成本较高，所以利用烟雾室演示该实验的方法至今没有得到很广泛的推行.

①烟雾室；②透镜；③激光灯；④烟雾产生装置

2 自制实验仪

2.1 仪器的构造及作用

经过以上分析，针对以往实验显露的弊端，利用生活中常见的材料和家用小电器，对该实验的实验仪器进行了优化改进，自制出“透镜对光线的作用实验仪”，如图3所示.该仪器主要由背景板、激光灯、水雾器、出雾管、透镜5个部分构成.

①背景板；②激光灯；③水雾器；④出雾管；⑤透镜

(1)背景板

以往实验中，利用白板作为实验背景板，将三孔激光灯的磁铁吸附于上，但由于磁力太小无法在竖直平面内固定透镜及激光灯.针对这一问题，改进后的背景板是由雪弗板、泡沫板、薄铁板粘合而成.雪弗板不易变形，因此作为背景板的最外层.泡沫板轻便且可塑性强，方便在背景板上凿出凹槽放置透镜.薄铁板可以加强背景板的吸附力，防止调节透镜或激光灯位置时发生掉落现象.另外，实验仪器的巧妙之处在于根据所使用的透镜直径及焦距，提前在背景板上标画辅助线，方便教师判断主光轴位置，平行光路以及焦点位置，使实验结果更加准确也便于测量焦距.

(2)激光灯和透镜

透镜底部粘有磁铁，这样便可使透镜固定于背景板的凹槽中，且可调节更换不同的透镜.考虑到激光灯的循环利用问题，不宜直接粘附强磁铁，因此特意制作了“灯托”.灯托的主要作用是固定激光灯，由于背景板内部镶有铁板，灯托可以依靠磁铁与背景板相吸，起到任意调节光源来向的作用.灯托和透镜都是通过强磁铁吸附于背景板上的，利用此方法方便实验操作，提高了实验效率.

(3)水雾器和出雾管

根据比较发现，利用水雾显示光路效果更好.将家用小型水雾器改装，“出雾口”连接软管，软管一端与水雾器相连，一端水平固定在背景板上，巧妙之处在于将背景板上方的软管上钻出一排小孔用来排出水雾，可使水雾均匀分布在背景板表面，从而做到资源有效利用.将透镜固定好后，连接电源，打开水雾器开关和激光灯开关，此时就会看到光路非常清晰地在水雾中呈现，拍摄效果如图4所示.

图4 实验现象图

2.2 仪器的优缺点

优点：

(1)制作材料常见，设计巧妙.该实验仪器主要采用生活中常见的材料或者废弃材料、零部件制成，环保且经久耐用.

(2)利用该仪器演示的实验现象生动直观，使学生深入理解透镜对光的作用，在实验探究过程中可以培养学生的创新意识和探索精神，提高科学素养.

(3)该实验仪器可用于演示透镜对光线的作用、光路可逆现象，也可用于讲解“焦点”“焦距”等概念，操作简便，使课堂效率得到很大提高.

缺点：

(1)透镜选择有限，只能利用粘有磁铁的配套透镜，缺乏普遍性.

(2)体积、重量较大.

(3)水雾易受风力影响.

2.3 改进措施

(1)将仪器的背景板继续优化，实现可任意切换透镜且方便测量焦距的功能.

(2)采用更加轻便的制作材料，减小无用体积.

(3)考虑在仪器上方加一个透明罩，减小特殊情况下的风力影响.

3 实验过程

3.1 实验器材

透镜对光线的作用实验仪,凸透镜(焦距10 cm),凹透镜(焦距10 cm),激光灯(绿色、红色).

3.2 实验步骤

实验一：凸透镜对光线的作用

将事先准备好的焦距为10 cm的凸透镜放入背景板的凹槽中，调整好位置.调整灯托位置，使激光灯发出的光线平行于主光轴入射凸透镜，可以观察到折射光线经过入射方异侧焦点；调整激光灯位置，使光线经过焦点入射凸透镜，可以观察到折射光线平行于主光轴.再次调整激光灯位置，使之发出的光线过光心入射凸透镜，可以观察到其传播方向不变.实验光路图如图5所示.

图5 凸透镜对光线的作用光路图

实验二：凹透镜对光线的作用

将凹槽处的凸透镜替换成焦距为10 cm的凹透镜，调整好位置.以同样的方式调整激光灯位置，使入射光线平行于主光轴入射，可以观察到折射光线反向延长线过入射方同侧焦点；调整激光灯位置，使入射光线延长线过凹透镜异侧焦点入射凹透镜，可以观察到折射光线平行于主光轴；最后调整激光灯使入射光线过光心入射，可以看到其传播方向不变，实验光路图如图6所示.

图6 凹透镜对光线的作用光路图

实验三：探究透镜中的光路可逆现象

使绿色激光灯发出的光线平行于凸(凹)透镜主光轴入射，可以看到明显光路，此时在异侧用红色激光灯逆着折射光线照射，会发现红色光路与绿色光路完全重合，光路变为黄色，如图7和图8所示.由此可见，透镜对光线的作用中光路是可逆的.

图7 凸透镜中的光路可逆现象

图8 凹透镜中的光路可逆现象

4 结束语

当今社会，在新教育观念的背景下，人们对学生的动手操作能力和创新能力越来越重视，提倡将实验教学融入物理课堂.“透镜对光线的作用实验仪”便是基于此背景的产物.仪器制作过程中，田丽杰老师给予笔者理论指导，仪器的制作也得到了山东省科普专家王德法副教授的指导.目前，此研究已应用于物理教学技能大赛，且成功申报研究项目.该项研究非常具有应用价值，同时也具有广阔的应用前景.但该仪器还处于雏形阶段，对于“透镜”实验研究过程中产生的一系列新问题，依然需要不断地优化改进.同时，我们应寻求更多有效的手段应用于实验创新，使物理课堂与更多生动有趣的实验相结合，实现我们的研究价值.