关于电气自动化凸透镜成像实验探究的思考与改进

王庆平

摘要：在帮助学生解决凸透镜成像习题困惑的过程中发现，沪科版八年级物理《第四章多彩的光》的《第五节科学探究——凸透镜成像》的学生分组实验器材有诸多瑕疵，有待改进。为此，利用学校“极客园”科创工作室提供的便利条件，结合分析出实验器材的不足之处，如光源、光屏、如何精确找到像的位置、像的性质等问题进行改进，经历思考、分析、动手、论证、调试、编程、试验等，通过反复试验，不断改进提升，最终有效解决凸透镜成像的困惑，实现教学相长。

关键词：凸透镜；电气自动化；实验探究；体验；创新

在考查凸透镜成像时有涉及到像的性质这一考题，学生因实验探究中见到像是倒立的就直接答题，没有注意到像左右相反这一性质而答错题目，讲评时由于学生受限于抽象思维无法理解，可见八年级沪科版物理《第四章多彩的光》的《第五节科学探究——凸透镜成像》的学生分组实验器材有瑕疵。于是我动了一个念头，能否利用平时带领学生参加学校“极客园”科创工作室社团活动便利条件对该实验进行改进呢？因此我就选拔几个有兴趣的学生组成一个团队，开展《关于凸透镜成像实验探究的思考与改进》实验研究。

1沪科版探究凸透镜成像实验

在利用光具座、蜡烛、火柴、光屏、凸透镜等探究凸透镜成像规律学生分组实验中，提出问题是凸透镜成像特点与物距有什么关系？实验得出物距、像距、像的性质，然后分析得出粗糙的成像规律。

2该实验器材的不足之处

2.1光源

因蜡烛的烛焰亮度不够，导致实验环境要求在较暗的地方实验：光屏承接的像是平面的，但火焰是立体的，前后发光点都有对应的像，在成最亮最清晰的像时，光屏位置是不固定的，特别是u=f时，光屏上还能看到像，让学生莫名其妙：实验前老师强调要点燃蜡烛，调节烛焰、透镜、光屏在同一高度上，目的是要让像成在光屏的中心处，然而，一会后像会向上移动，因蜡烛会变短，所以实验过程中不时要调节蜡烛的高度，提升学生实验难度：因烛焰是对称的，故无法观察像物是左右相反的。

2.2透镜

透镜单一是这个实验另一不足之处，实验室只提供一只焦距为10cm的凸透镜，学生只能得到单一的实验现象，无从对比。在物距不变时，改变焦距，考查像的大小及像距的变化，此类题目对于学生而言也是无法理解的。

2.3光屏

光屏是一块白塑料板，像成在上面是一维的，但烛焰却是三维的，导致学生在观察比较像物大小关系时很吃力，特别是当u=2f时，烛焰的外沿在成像时因光线折射后衰减，无法清晰看到，学生看到的像是比物小的，与像物等大等距这一结论是相悖的。

3实验改进

3.1光源的变化

针对烛焰亮度不足、不稳定、变短等，网购了LED灯（1w）、驱动板，在LED灯两端加5V电压让其发出强白光，并将整个装置放在产生平行光源的透镜的焦点上，在平行光源塑料套前放一“F”字样的罩（用激光雕刻机雕刻有机板自制而成），就解决了光源的瑕疵。没想到点光源在调试过程中发现所成的像的边沿会变形，同时热感传感器在移动光屏时数值差异太小，换成光敏电阻也一样无法形成明显的差异，导致无法在光屏找到最清晰的像，后来又将LED點光源换成白炽灯也无法解决此类问题，通过上网查询，请教专家，又重新网购了贴片红色LED，0603封装贴片电阻等自制了一个由多个LED灯组成的FSZ形的光源，最终解决了光源问题。

3.2透镜的变化

先在有机版根据焦距不同凸透镜的外径雕刻两个圆圈，将两透镜放在圈内，利用有机板粘合剂粘好。这样就能解决在物距不变时，瞬间将凸透镜的焦距从3cm转换成5cm，这时我们再次移动光屏直到得到清晰的像时，比较像距的变化及像大小的变化，发现当物距不变时，焦距变小，则像距变小且像也变小轻松解决有关难题。

3.3光屏的变化

在光屏中心钻一小孔，放一光电传感器，测量光照量最大值，将有关信息发送给MEGA2560开发板，让其处理后自动驱动电机转动，自主移动光屏，直到光屏上成最清晰的像为止。同时在光屏中心处画一个与“F光源”大小相同的方框，更方便直观比较像物大小的关系。

3.4光具座的变化

光具座以三段滑台为主体，如图1，在短滑台间锁定了透镜的撑杆，两个电机上分别装上F字光源与光屏，可利用摇控器控制步进电机驱动板让滑台上两电机前进与后退，从而实现光源与光屏的移动。另一长滑台电机上装有5寸增强串口屏和由两个舵机控制可随意转向的摄像头，让摄像头可监测到像的大小：也可监测到光照量的数值，实现了由定量测量最清晰的像替代由学生自己感觉哪一点像是最清晰的感性测量，也可监测光源、光屏所在的位置等，更加科学准确合理。同时利用一个外接头可以将串口屏上的图像传输到多媒体上，让全班的学生可以看到，方便老师教学时演示实验时，能让学生清晰看到实验过程，容易得出准确的答案。整个实验过程清晰、直观，定量准确，科学有效。

3.5电气自动化

3.5.1电路图

控制部分使用了一块MEGA2560开发板，对传感器数据进行采集和运动控制。选择12V的锂电池作为电源，使用了稳压12V升压模块和稳压变压5V降压模块进行分别供电，如图2。

3.5.2主控版电路原理图

使用c语言与图形化mBlock创客工场V3.2.2相结合进行程序设计，主要包括了采集各种电信号、处理信号、驱动电机、舵机、将相关影像传输到显示屏上，从而实现人为利用遥控器控制的控制电机改变物距，并自动调节像距使光屏上得到清晰的像，改变物距与透镜的焦距。探究物体成像规律，并将实验现象通过数据线传输到多媒体的白屏上，如图3。利用智能MEGA2560开发板，为以后智能提升留下空间。

4该实验器材的创新点

（1）实现电气自动化实验过程，利用Arduino MEGA2550开发板，对传感器数据进行采集和运动控制，真正实现具体可感、可定量测试的实验探究，让同学们更易于理解掌握。

（2）能利用一个上下左右可调的摄像头拍摄实验数据和实验现象，用一串口屏将摄像头拍摄到呈现出来，用一数据线再将相关视频直接呈现到多媒体的屏幕上，方便老师演示时，学生能直接在屏幕上看到实验现象与数据，过程直观具体可感。且串口屏带有内存，也可将学生难理解的配套题目放在里面，适时调板给学生练习。

（3）用平面光源替代立体光源。

（4）能成一個左右相反的像。

（5）能解决光源各种不足，

（6）利用光电传感器，测量光照量最大值，由机器自主寻找最清晰像的位置。

5教具自制的感悟

（1）在自制改进教具的过程中，我们掌握了正确的学习方法，学会了科学的实验精神和研究的科学态度。经历制作这个电气自动化探究凸透镜成像分组实验器材这个过程后，虽然花了我们很多假期时间，流了很多的汗水，吃了很多的苦，但我们晓得遇到不懂知识得通过各种方式自学，如我们遇到编程时通过上网、图书馆查找、请教专家老师等，最终学习编程的方法。在总结时，学生们都感叹知识不够用，也深深知道得努力去学习，不断学习探究，不断增长才干。我们在硬件、软件搭建的过程中，从平面到立体、从简单到复杂，在考虑材料大小、数量、方向、结构之余，还需要建立流程、系统等战略性思维，有助于开发思维逻辑、分工合作和领导协调能力。在实验改进中，更培养同学们的科学精神和实验态度以及合作探究的精神，培养同学们的学科核心素养，为同学们的成才奠定了坚实的基础，且该成果代表泉港区参加泉州市第十四届泉州市青少年科技创新大赛荣获二等奖，学生与老师都有收获的惊喜，体验到成功的快乐。

（2）磨炼意志、提高韧性，提升自主学习能力。经历这个创新过程后，我们对科技创新的流程与方法有了初步的掌握，让我们对电气自动化实验各种功能有了非常浓厚的兴趣，正因这个兴趣让我们克服了制作过程中的种种困难，克服遇到一些情况不知手措后的茫然，最后将作品实现。在实验中，小组团结合作，学习表达自我、倾听他人意见，并从别人的想法中得到新的构思，进行深入探索。实践过程中不轻言放弃，学习调整心态，提高克服困难、抵御挫折的能力。在此期间，我与同学们学到了很多东西，磨练意志，锤炼品格，更提升自我学习能力。

总之，经历这次实验改进后，不断改进传统实验的方法，丰富教材的时代性，而且促进师生共同成长，增进师生友情，培养科学的探究和实验精神，培养同学的物理学科核心素养，为同学们的成才奠定了坚实的基础。