“多合一”光学教具的开发与使用

陆茵

摘要：光学内容是苏科版初中物理八年级上册中的重点和难点，尤其是小孔成像、凸透镜成像规律及其应用拓展等内容，实验探究性很强。而实验室所配备的各类标准器材存在一定缺陷。对此，尝试自制“多合一”光学教具，并以之探究上述光学内容中大部分重难点实验。该教具具有不少优点：取材环保低廉，适合自制推广;可使实验呈现多样，观察灵活自由;利于培养学生的科学思维和探究精神。

关键词：光学;教具改进;探究实验

光学内容是苏科版初中物理八年级上册中的重点和难点，尤其是小孔成像、凸透镜成像规律及其应用拓展等内容，实验探究性很强。而实验室所配备的各类标准器材仅能研究一部分现象，整合性差，且体积较大，使得学生仅能在课堂上观看演示实验或在实验室里动手实践，无法在课后自主探究。

对此，笔者尝试改进实验教具，利用黑色硬卡纸、硫酸纸、不同焦距的凸透镜和凹透镜等材料自制了“多合一”光学教具。这一教具，通过不同插片组合可以研究小孔、放大镜、照相机、投影仪、望远镜成像等相关问题，涵盖初中阶段所有小孔成像、凸透镜成像规律及其应用的探究实验;体型小巧，便于携带和使用;此外，还提供了一些扩展插片让学生自主探究，体验实验的乐趣。下面，介绍“多合一”光学教具的组成及具体的教学应用。

一、“多合一”光学教具的组成

（一）光源

研究小孔成像或凸透镜成像规律时，实验室常用蜡烛火焰作为光源，但是烛焰易受空气流动的干扰，同时蜡烛又会在燃烧过程中变短，从而影响实验观察。为解决这一问题，将高亮度的平面LED灯和利用黑色硬卡纸自制的暗箱组合成光源（如下页图1）。暗箱上留有插口，方便插入“F”插片或“上”插片等（如下页图2），来获得不同形状的光源（插入“上”插片的光源效果如下页图3所示）。不插光源插片时，平面LED燈还可以作为投影仪的光源使用，一物多用，一举两得。同时，平面LED灯选用充电式的，方便携带和调整角度。

（二）主体部分

“多合一”光学教具的主体部分（如图4）由外筒和内筒组成，外筒和内筒的一侧均有一个插口，标注为插口A和插口B，供多种透镜、光屏、小孔等插片安装，以满足不同实验的需求。外筒和内筒有两种组合方式：第一种组合，内筒插入外筒中，内筒插口与外筒插口同向;第二种组合，内筒插入外筒中，内筒插口与外筒插口反向。

二、“多合一”光学教具的教学应用

（一）小孔成像

将硫酸纸做成的光屏插片（如图5）插入插口B，更换插口A中的插片，根据环境情况组合内筒和外筒，改变物体到装置的距离或调整内筒和外筒间的距离，即能研究小孔成像的相关问题。

1.小孔成像与孔的大小的关系。

将三角形大孔插片（如图6）插入插口A，将方形插片（如图7）慢慢插入插口A，逐渐遮蔽三角形大孔，使孔慢慢变小，观察“上”光源所成的像。

实验发现，当孔比较大时，光屏上会获得与孔形状相同的光斑，如图8;当孔足够小时，才能在光屏上观察到倒立的像，如图9。

2.小孔成像与孔的形状的关系。

将三角形小孔、方形小孔、圆形小孔插片先后插入插口A，观察“上”光源所成的像。

实验发现，无论哪种形状的小孔，所成的像都是物体倒立的像，说明小孔成像与小孔的形状无关。

3.小孔成像与孔的数量的关系。

将2个小孔、3个小孔的插片先后插入插口A，观察“上”光源所成的像。

实验发现，2个小孔成2个像（如图10），3个小孔成3个像（如图11）。总结：一般情况下，小孔数量越多，小孔成的像越多，即小孔成像的数量与孔的数量有关。

进一步地，可以引导学生拓展思维：改变物距和像距来探究小孔成像与物距、像距的关系;更换光源插片来获得不同形状的物体，探究小孔成像与物体形状的关系;利用没有挖孔的插片来自主探究小孔成像的其他问题。通过这样的拓展，助力学生在开放式思考和动手实验中体验科学探究的乐趣。

（二）照相机成像

将凸透镜插片插入插口A，光屏插片插入插口B，改变物距和像距，即能清晰观察生活中的物体或提供的光源，研究照相机成像原理及特点（如图12）。利用提供的30 cm、10 cm、5 cm焦距的凸透镜插片，也能初步探究照相机成像与凸透镜焦距的关系。另外，也可以将方形插片和凸透镜插片同时插入插口A，抽拉方形插片，研究遮蔽部分透镜后成像的变化情况，等等。

（三）投影仪成像

将光源和纸筒组合，将凸透镜插片插入插口A，即可得到一个小型投影仪。将投影片先用可擦写的笔画好图案，再倒着插入插口B，将纸筒按照第一种组合方式装好，同时调整物距和像距，就能使投影片所成的像清晰地投影到白墙上（如图13）。利用该装置除了能研究投影仪所成的像与物距、像距的关系，还能更换不同焦距的凸透镜来研究投影仪所成的像与凸透镜焦距的关系。

（四）望远镜成像

将纸筒按照第二种组合方式装好，将合适的凸透镜、凹透镜插片组合分别插入插口A、B，组成望远镜。学生可用其观察不同距离的物体，或抽拉内筒，从而研究望远镜的成像特点。

1.开普勒望远镜。

将焦距为30 cm的凸透镜插片插入插口A，焦距为5 cm的凸透镜插入插口B，即能组合成开普勒望远镜。通过插口B可观察到倒立、放大的像。

2.伽利略望远镜。

将焦距为30 cm的凸透镜插片插入插口A，焦距为-7.5 cm的凹透镜插片插入插口B，即能组合成伽利略望远镜。通过插口B可观察到正立、放大的像。

三、“多合一”光学教具的应用价值

（一）取材环保低廉，适合自制推广

“多合一”光学教具主体部分使用黑色硬卡纸制作，取材环保，价格低廉;成品体积小巧，却又有很高的整合度，适合自制推广。“多合一”光合教具的制作与使用可以告诉学生，物理教具（学具）的制作并不困难，物理现象的研究就在身边，从而有效激发学生探究和创新的意识。

（二）实验呈现多样，观察灵活自由

平面LED灯和暗箱的组合既可以成为小型投影仪的光源，又能与不同光源插片组合形成不同形状的光源。通过小孔插片与光屏的组合，或不同规格透镜的组合，既可以探究小孔成像、凸透镜成像规律的相关问题，又能搭建出小型的投影仪、开普勒望远镜和伽利略望远镜来观察研究。实验呈现灵活方便，现象观察清晰高效。

（三）利于培养学生的科学思维和探究精神

利用“多合一”光学教具研究小孔成像规律或凸透镜成像规律时，教师可引导学生在更换插片的实验观察中对比思考，明白什么是自变量、什么是因变量，从而加强对控制变量法的理解，掌握正确的科学研究方法，提升科学思维能力。同时，学生在动手实验中能更深刻地理解这些光学现象的本质。此外，利用多种多样的插片，学生可以自主探究诸如多个小孔成像或其他焦距凸透镜成像等问题，从而在开放度高的动手动脑中研究物理问题，培养创新意识和探究精神。

参考文献：

[1] 陈斯钿，李德安，黄大平，等.自制多功能光学实验探究仪[J].物理通报，2019（4）.

[2] 陈淑芹.从小孔成像与照相机成像谈物理教学[J].中学物理教学参考，2019（9）.