用透明水杯突破凸透镜成像的相关问题

程从亮 郑其武

摘   要：物理来源于生活实践。文章利用一个透明的水杯设计物理实验，更加直观地向学生讲解凸透镜成像的相关概念、规律及原理，帮助学生突破中考重难点。

关键词：凸透镜成像;水杯;实验

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2020）12-0064-3

凸透镜成像规律是中考中的重难点和考试热点。笔者和学生一起用透明水杯完成凸透镜成像演示实验，不仅帮助学生理解凸透镜成像规律，还探究出凸透镜成像规律与物距有关，从而突破这个中考重点和难点。此外，学生在此过程中亲身体验了实验对物理学习的帮助，加深了对凸透镜成像特点及原理的理解。

1    问题的提出

例1 将一蜡烛放在装有水的烧瓶前，调整蜡烛和烧瓶至如图1所示的位置，在墙壁上得到清晰的像。该像的性质是（）

A.缩小的虚像

B.放大的虚像

C.缩小的实像

D.放大的实像

这是一个初二凸透镜成像的常规题，也是一个探究凸透镜成像的典型题。学生面临该类题，仔细思考后，会有以下问题：

（1）到底什么是物距？什么是像距？怎样确定焦距？

（2）照相机、投影仪、放大镜的原理是什么？为什么感觉这三个光学器具的原理总是记不住？

（3）怎样快速、准确地判断所给出的光路图是属于照相机、投影仪还是放大镜呢？

（4）在探究凸透镜成像规律的实验中要注意什么问题呢？

2    解决方案

2.1    实验设计

可运用生活中常见的透明水杯、矿泉水瓶等可以看作直柱体的透明容器。在透明直柱体容器中装满水，这样一个凸透镜就做好了。在教学过程中可让两位学生在凸透镜两侧移动并互相观看对方所成的像，以此来探究凸透镜成像的特点与物距的关系，从而得到凸透镜成像规律。

2.2    改进实验装置的原理说明

图2是甲同学的实验装置原理图。物距是指物体到凸透镜的距离，用字母u表示;像距是指物体所成像到凸透镜的距离，用字母v表示。

3    改进实验的步骤

（1）物体距离透明水杯很近时（放大镜的原理）;

（2）物体距离透明水杯稍微远一点时（投影仪的原理）;

（3）物体距离透明水杯很远时（照相机的原理）。

4    改进实验的说明

（1）物体距离透明水杯很近时（放大镜的原理）

实验中甲同学很靠近透明水杯（几乎挨着透明水杯，物距很短），其原理如图2所示，乙同学观察现象，比较甲同学关于甲同学成像的特点，得出正立放大的虚像。接着甲、乙同学互换位置，继续完成实验探究。这样通过透明水杯演示凸透镜成像规律，他们就能直观地感受到凸透镜成像是正立放大的虚像。

（2）物体距离透明水杯稍微远一点时（投影仪的原理）

实验中甲同学稍微远离透明水杯，其原理如图3所示，乙同学观察现象，比较甲同学关于甲同学成像的特点，得出倒立放大的实像。甲、乙同学互换位置，继续完成探究。这样通过透明水杯演示凸透镜成像规律，他们就能直观地感受到凸透镜成像是倒立放大的实像。

（3）物体距离透明水杯很远时（照相机的原理）

实验中甲同学远离透明水杯，其原理如图4所示，乙同学观察现象，比较甲同学关于甲同学成像的特点。甲、乙同学互换位置，继续完成探究。这样通过透明水杯演示凸透镜成像规律，他们就能直观地感受到凸透镜成像是倒立缩小的实像。

5    创新说明

（1）本实验用透明水杯对传统的凸透镜成像实验进行创新性的改进，演示的功能和效果得到了很大的提升，提高了分组实验的参与度，增强了教学的生活化，更好地让学生掌握科学探究的核心素养。

（2）本实验创新在于从生活走向物理，又从物理走向生活，还能填充理论教学的不足。

（3）本实验创新还在于把实验有趣化、实验器材普及化、实验易操作化、实验现象明显化以及体现物理实验生活化。

6    成效及反思

在中考中，考查凸透镜成像规律是出题的题根，且所给题都具有很强的综合性。例如，不单单只有照相机的原理，有可能先给出一个投影仪的原理，最后考查的是放大镜的应用;也有可能先给出投影仪的原理，最后考查照相机的应用;还有可能给出照相机的原理，考查投影仪的应用，等等。我们在教学中，可以充分利用学生设计的实验，将身边最熟悉的生活物品作为实验器材，首先让学生理解凸透镜成像可以成三种最容易观察到的像（正立放大的虚像、倒立放大的实像、倒立缩小的实像），再根据题意确定是三种情景中的哪一种，然后根据相关的像距、物距关系，算出焦距范围，最后利用题干信息，从而更轻松地解决每个问题。下文以具体例题进行阐述。

（1）用透明水杯完成凸透镜成像规律的探究来解决凸透镜怎么移动问题

例2 一天，小聪告诉小亮，放大镜不仅能把物体“放大”，还能把物体“缩小”！有些惊讶的小亮立刻找来一个放大镜做起了实验。他把放大镜放到花朵前某一位置时，看到了如图5所示的花朵的正立放大的虚像。接着他按小聪的提示进行了操作，终于看到了“缩小”的花朵。关于小亮看到“放大”花朵后的操作及他看到的“缩小”花朵，下列说法正确的是（）

A.小亮向靠近花朵的方向移动放大镜，看到的是花朵正立缩小的虚像，像的位置在放大镜与花朵之間

B.小亮向靠近花朵的方向移动放大镜，看到的是花朵倒立缩小的实像，像的位置在放大镜与小亮眼睛之间

C.小亮向远离花朵的方向移动放大镜，看到的是花朵正立缩小的虚像，像的位置在放大镜与花朵之间

D.小亮向远离花朵的方向移动放大镜，看到的是花朵倒立缩小的实像，像的位置在放大镜与小亮眼睛之间

第一步，分析题意需要得到关于小亮看到“放大”花朵后的操作及他看到的“缩小”花朵。

第二步，回顾前面的实验探究，要得到缩小的像，只有“实验原理图3”中才有;正立放大的像，只有“实验原理图1”中才有。

第三步，确定实验操作应该是从“实验原理图1”到“实验原理图3”，这样很容易把这道复杂的常规题转化为学生动手实验探究来完成。

（2）用透明水杯完成凸透鏡成像规律的探究来解决凸透镜综合问题

例3 小林同学做“探究凸透镜成像规律”的实验中，蜡烛、凸透镜、光屏在光具座上的位置如图6所示，这时烛焰在光屏上成清晰的像（像未在图中画出来），下列说法正确的是（）

A.光屏上形成的是烛焰倒立等大的实像

B.图中成像特点与照相机成像特点完全相同

C.将蜡烛移到光具座10 cm刻度线处，保持凸透镜和光屏不动，光屏上仍可成清晰的烛焰像

D.将蜡烛移到光具座40 cm刻度线处，保持凸透镜不动，无论怎样移动光屏，上面都得不到清晰的蜡烛像

第一步，分析题干，找到“这时烛焰在光屏上成清晰的像（像未在图中画出来）”，得出物距小于像距，与笔者的“实验原理图2”一样。

第二步，根据实验结果可以得到，此时光屏的像是倒立放大的实像，属于投影仪。

第三步，根据投影仪的原理，物距在一二倍焦距之间，像距在二倍焦距以外，在光具座上读出物距和像距，算出焦距的范围。

第四步，根据焦距的范围，一一落实每个问题。

7    该实验的不足

本探究实验不能定量地确定放大镜、投影仪和照相机三种光学器具的原理中物距和像距的关系，只能进行定性研究。在帮助学生定性地理解这三种原理方面，这一方法却有很好的突破作用。

（栏目编辑    张正严）