探究凸透镜成像规律实验装置及探究方法的改进*

陈达成

（桂林市第十三中学，广西 桂林 541001)

探究凸透镜成像规律实验装置及探究方法的改进*

陈达成†

（桂林市第十三中学，广西 桂林 541001)

针对初中物理探究凸透镜成像规律实验的一些问题进行改进。通过改进实验的装置，利用容易测量物体本身大小的高亮度发光数码显示管代替蜡烛，使成像稳定而容易得到清晰的像；对光屏增加二维坐标刻度，使在实验过程中很容易测量判断像与物体的大小，并对此进行比较，得出像大小的性质；增加刻度尺，准确地测量物距和像距，使实验误差减小；通过改变探究的方法，给学生更多探索与思考的空间，让学生通过更多的探索、观察、分析和思考，应用实验现象和数据总结、归纳出物理规律。

凸透镜成像；装置；探究方法；改进

1 引言

很多教师在初中物理探究凸透镜成像的规律实验中都会遇到这样的问题：一是在实验中物距相等时，不同组的同学测出的像距不相同，有的相差甚远；二是像与原物的大小怎样确定的问题，尤其是判断像与物大小相等的情况时遇到困难，在物距等于2倍焦距时，往往有一部分同学得出的是倒立放大实像，一部分同学得出的是倒立缩小的实像。三是在探究实验中，学生多半只是机械地按照老师的要求完成实验，机械地对凸透镜成像规律进行验证，而不是一步步地从实验数据中探究出凸透镜成像的规律。

造成上述第一、二两种现象的原因，是因为实验装置存在问题。用作发光物体的是烛焰，而烛焰常常晃动，所以其通过透镜后在光屏上所成的像也是晃动的，晃动的烛焰像难以判断是否为最清晰。而第二种现象中判断像大小的问题，主要是判断像的大小与物体本身的大小是否相同是由实验者的主观意识来比较完成的，而不是通过测量来进行定量的比较，因而很难得出客观的正确结果。

如何更准确地判断成像是否清晰？如何较准确地测量判断像是放大还是缩小？如何更科学地引导学生通过实验探究出凸透镜成像的规律？笔者通过对探究实验的装置及探究方法的改进，取得了较好的实验效果。

2 改进实验装置

2.1 改换成像物体

原来光具座利用蜡烛作为凸透镜成像的物体，在实验中点燃的蜡烛火焰总是会左右摇晃或时高时低，也就是说烛焰总是处于不稳定的状态，这样不利于观察烛焰经过凸透镜所成的像是否处于最清晰的状态，从而会影响到像大小的判断和像距的测量。为此，笔者把发光物体蜡烛更换为长宽约为4×3cm2发光数码显示管。实验时让数码显示管显示数字“7”，实验之前可以先测量好“7”的横段和竖段的长度，可将数据告知学生，也可让学生自己测量。

2.2 改进光屏

一般来说光屏只是一面白屏，上面没有任何起到标记作用的测量刻度。笔者认为把光屏标上刻度，以光屏的中心为原点，建立直角坐标系，以0.1cm为单位标上刻度，横坐标测量像的宽度，纵坐标测量的高度。这样像的大小就可以准确地测量出来了。

2.3 增加刻度尺

光具座上的滑块与滑动横杆之间存在一定的间隙，并且会随使用时间、次数的增加而增大，致使安置在滑块上的成像物体（数码显示管）、凸透镜、光屏并没有垂直于滑动横杆，它们之间的实际距离并不是滑块指示的距离。由于数码显示管、凸透镜、光屏向左或向右偏侧，偏离的幅度都在0.5cm左右，甚至更大。这样必然给实验数据带来很大的系统误差。

在光具座及仪器上方对称地各置一刻度尺，便可准确地确定数码显示管、凸透镜、光屏的位置，从而准确地测量它们之间的距离。

改进后的实验装置如图1所示，在实验中调整好发光数码显示管、凸透镜、光屏，使它们在同一直线，同一高度上。确定物距，使发光数码显示管显示“7”字，移动光屏，使光屏中间形成发光数码管的像--倒“7”字。这样很容易确定所得到的像是否是最清晰，这跟相机的调焦差不多，只要看到较亮的倒“7”字边缘形成一条清晰的直线即可，比起判断蜡烛晃动的火焰容易且准确多了。得到清晰的像后，根据光屏上横纵坐标刻度测量像的大小（横向和纵向长度），与成像物体进行比较，从而得到像是放大还是缩小的结论。

经过多次的实验和学生得到的数据总结，像大小这一性质很容易得到体现，特别是在临界状态（2倍焦距处），像的大小可通过测量而定量比较出来。实验中像距误差一般都小于0.1cm。

3 改进探究方法

本节探究的目标是要让学生在探究过程中初步获得提出问题的能力；通过探究活动，体验科学探究的全过程和方法；学习从物理现像中归纳科学规律的方法；乐于探索自然现象和日常生活中的物理学原理。

在改进前的探究过程中，教师都会告诉学生：先把蜡烛放在离凸透镜尽量远的地方，使物距大于2倍焦距，调整光屏与凸透镜的距离，使烛焰在光屏上成一清晰的像，观察像的大小、正倒，测量出物体和像到凸透镜的距离；再把蜡烛向凸透镜靠近，使物距在1倍到2倍焦距之间，重复操作。当把蜡烛移到透镜的焦点位置时，观察在光屏上能否形成像；把蜡烛再次向凸透镜靠近，使物中小于1倍焦距时，光屏上能否看到像，这时怎样才能看到像。探究的思路、实验现象和实验数据如表1（实验用的凸透镜 f=10cm）：

这样的探究方法，先给学生灌输了一个固定的探究思想模式，即在某个规定的范围内进行探究，虽然能让学生在探究的过程中得出我们想得到的结果，但是对于一个对凸透镜成像规律一点也不了解的学生来说，为什么要规定在这个范围内探究，学生不清楚也不理解。学生的探究受到了一定的约束，不能在更大的范围、更普遍的条件下探究、归纳、总结得出结论。学生往往会提出这样的问题：为什么要按老师你讲的划分区域来进行呢？为什么要在物距大于2倍焦距处开始呢？大于3倍、4倍焦距不可以吗？为什么要在1倍到2倍焦距之间呢？

改进后的探究方法，主要是没有预先规定好要测像距与物距有特殊关系的点，而是先取物距较大进行观察测量，然后逐渐减小物距进行观察测量，并对实验现象和数据进行分析，再用实验方法找出特殊点，最后进行分析、归纳、总结，得出凸透镜成像的规律。改进后的探究思路、观察实验现象和实验数据记录见表2。

改进后的探究方法，让学生从远到近，相隔几厘米测量一次。如：物距在30cm、27cm、24cm、21cm等处时，学生得到的都是倒立缩小的实像，而这些距离30cm、27cm、24cm、21cm都是大于2倍焦距20cm，即u＞2f，那么学生归纳总结：当物距u大于2倍焦距时，物体经凸透镜所成的像是倒立缩小的实像。同样，物距在18cm、15cm、12cm等处都大于1倍焦距小于2倍焦距，即2f＞u＞f，可以得到：当物距u大于1倍焦距小于2倍焦距时，物体经凸透镜所成的像是倒立放大的实像。

表2 凸透镜成像实验探究思路、实验现象和实验数据（改进后）f=10cm

可以引导学生思考，当物距在21cm处时，得到的是倒立缩小的实像，而当物距在18cm处时，开始得到倒立放大的实像，那么中间肯定有一处是使物像等大的点。让学生去探索找到倒立等大实像的点，也就是探究在20cm(u＝2f)这个点处像的性质。由此可以引导学生总结得到20cm(u＝2f)处是像放大缩小的分界点，物体在大于2倍焦距时，成的像是倒立缩小的实像，物体处在小于2倍焦距时，成的像是倒立放大的实像。

当物体向凸透镜靠近物距小于10 cm后，如9cm、6cm时，引导学生经凸透镜观察，看到在物方一侧成正立放大的虚像。而此时物距比1倍焦距（10cm）小，即u＜f，从而归纳得出结论是：当物距u小于1倍焦距时，物体所成的像是正立放大的虚像。

当物距在9cm（u＜f）处时，在光屏上都不能呈现出实像而只能观察到虚像，前面在12cm处还能成实像，那么哪一点又是分界点呢？教师在黑板上画出光路图如图2所示，根据光路图给出答案。

当物体在焦点处时，物体上某点的光线经凸透镜后成为平行光线，没有会聚点，所以物体在焦点处时在光屏上不能形成像。如此便可得到焦点为另一个虚实分界点。

4 结束语

使用高亮度发光数码显示管代替蜡烛使得成像稳定，容易得到清晰的像，且避免了蜡烛燃烧的明火带来的不安全性，没有了蜡烛燃烧产生的大量二氧化碳和其它一些有害气体的排放，使得实验方便简洁、低碳环保。通过光具座读数系统的改进，使得实验数据测量更加准确而减小了实验误差。通过探究方法的改进，学生的思维少了束缚，他们在实验中乐于探索、观察，应用实验现象和数据分析、归纳、总结得到物理规律。这极大激发了学生的探究兴趣和求知欲望，充分发挥了他们观察、分析、思考的主观能动性，收到了良好的教学效果。

[1] 彭前程,杜敏.物理（八年级 上册）[M].人民教育出版社,2012,6.

G633.7

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：1003-7551(2016)02-0037-03

2016-04-20

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