“自制透镜组合教具”在教学中的应用研究

王素云张 鹉黄树清

（1.福建师范大学物理与能源学院，福建 福州 350108；2.晋江市侨声中学，福建 晋江 362271）

1 问题的提出

“透镜及其应用”是人教版8年级初中物理教材第5章的内容.这一单元主要讲述透镜的初步知识和透镜在日常生活中的应用.透镜是重要的光学仪器，本章内容围绕该核心知识展开，通过对照相机、投影仪、放大镜等常用光学仪器的学习，［1］让学生能够利用凸透镜成像规律解决实际问题，感受物理的魅力.对于第2节“生活中的透镜”来说，《标准》要求“了解凸透镜成像规律的应用.”［2］即要求学生了解凸透镜在放大镜、照相机、投影仪中的应用.学生已经获得了凸透镜的成像规律等知识，且掌握了凸透镜的物、像移动规律，具有一定的观察和分析能力，但是对于凸透镜成像规律的应用还不是很熟练，实验设计能力还有待提高.为了使学生更好地理解本节课的内容，培养学生的设计能力和创新思维，我们自制了“透镜组合教具”.通过一个核心元器件——凸透镜的不断变形、改装，设计出3种不同的光学仪器，打破思维常规，将理论知识与实际相结合，实现从物理走向生活的新课改理念.

2 仪器的设计与制作

2.1 准备材料

凸透镜（直径11 cm）、大小不同的水管（大的直径11 cm、小的直径10 cm）、手电筒、平面镜、铁架台、升降台、半透明塑料薄膜、灯带等.

2.2 制作过程

根据凸透镜的成像规律原理拟定照相机、幻灯机、投影仪的基本结构设计图纸.按照设计的方案选取并准备材料，在该过程中需不断尝试不同的材料以及规格.经过多次选择，我们发现水管遮光效果良好，容易构造出暗室，且价格便宜易得，有不同内径尺寸，方便构造内外筒结构.

通过一个大圆筒和小圆筒制作照相机的暗筒模型，让小圆筒恰好能够放入到大圆筒中，直径不能差距过大，导致小圆筒在里面不稳定，也不能差距过于小，这样不利于小圆筒取出.再寻找直径大小、焦距合适的透镜（放大镜）并在大圆筒一端，在外圆筒上做出可以固定凸透镜的凹槽.为了观察成像的性质，特别选择一个V字形灯带作为光源，并搭配一红一绿两种颜色，以便区分物与像的上下、左右结构.把大圆筒和小圆筒放置在升降台上，通过高度的调整使像可以呈在光屏的中心，仪器装置图如图1所示.

图1 仪器装置图

完成照相机模型后，再利用原来的凸透镜（放大镜）和大圆筒，经过变形和改装，构建幻灯机模型.在透明薄膜上画一个红色箭头充当幻灯机的物.若选取不透明的剪纸剪出的箭头形状来当做物体，虽能说明幻灯机将图片放大，但成的像是黑白的.所以最好选取透明、有颜色的材料，或者直接用彩色笔在半透明薄膜上画一个箭头符号，这样投出来的像给人舒适的视觉效果.

投影仪的改装是基于幻灯机模型，原始的幻灯机和投影仪的区别就在于投影仪能够在幻灯片上边写边放大.利用了投影仪的这个特点，只需要将水平放置的透镜组合改成竖直放置即可完成变形.为了使物体不呈现在天花板，而是呈现在水平前方，可以增加一个45°的平面镜，使像呈现在水平前方的屏幕.同时，为了保证有足够强的光照射，还要在平台下面装一个强光源来照射被放大的物体.

3 具体教学中的仪器使用

3.1 照相机

3.1.1 照相机模型

为防止大圆筒滚动，将大圆筒置于支架上，为方便调节照相机模型高度，将大圆筒和支架置于升降台上，将凸透镜固定在大圆筒的一端，将半透明薄膜代替胶片固定在小圆筒一端，使小圆筒套入大圆筒内，并且能够前后移动，这样就是一个简单的照相机模型，如图2所示.将被照物体置于凸透镜前方的两倍焦距之外，物体的像就可以在胶片上呈现出来.

图2 照相机装置图

3.1.2 照相机模型在实际教学中的应用

教师首先引导学生分析照相机的工作原理.由于照相机拍出来的像（照片）比实际物体小，可见照相机是利用了凸透镜成缩小实像的规律设计的.当物距在2倍焦距以外，就可以通过镜头在照相机内成倒立缩小的实像，可用光屏来承接.实际的照相机为了记录图像，是用“胶片”来替代“光屏”.这样胶片在受到光的照射后发生化学变化，物体的像就被记录了下来.由于胶片不能被曝光，需用一个暗盒保护，同时为了调节像的大小以及调节凸透镜和胶片的位置，需要暗盒能够自动伸缩，也就是实现照相机的镜头可以收缩.教具的设计实现从模型建构到成品照相机的转变，让学生对照相机的原理有深入的理解.

具体的操作方法如下：将远处竖立的光屏调整到合适的高度（中心大致与圆筒组合的中心在一条水平线），在桌子上架起底座，让大小两个空心圆筒可以稳定地平放在其上.两个大小不同的圆筒，大的圆筒远端可以固定一个放大镜作为照相机的镜头，小的圆筒一端固定一层薄膜代替胶片，这样就在现场组装出了照相机模型.打开灯带，灯带会显现出红绿两条光带组成的V字图案，将灯带作为物体，对灯带进行拍照，调节后在胶片上就可看到灯带成的倒立缩小的实像.结合照相机基本构造向学生展示照相机的成像原理，将已有知识与实际应用相结合，加强物理走向生活的意识.

3.2 幻灯机

3.2.1 幻灯机模型

要将照相机改装成幻灯机，只要将照相机模型上的薄膜取出，换成要放大的幻灯片，再放进去暗箱.但是因为箭头装在暗箱里，光线太弱，还应加一个强光源照射幻灯片，在屏幕上就能成放大的像了（屏幕要置于透镜的两倍焦距之外）.

3.2.2 幻灯机模型在实际教学中的应用

在很多情况下，都需要把小物体放大，投射在光屏上，这就是常见的幻灯机.由于幻灯机也是利用凸透镜来成像的，于是教师引导学生分析能否通过对照相机模型改装来实现？引导学生从照相机的光路图寻找思路.由于光路具有可逆性，在原来的光路图中，将光屏和物体的位置进行对调，就能在光屏上得到倒立放大的实像.

将照相机模型上的光屏取下，换上带箭头的薄膜，但因为暗盒里光线太弱了，为了能够在白屏上显示出清晰的箭头，应该在薄膜处加一个射向白屏的光源.于是加了一个强光手电筒，从而得到清晰的放大的实像，这样最原始的幻灯机模型就做出来了，如图3所示.

图3 幻灯机装置图

3.3 投影仪

3.3.1 投影仪模型

将幻灯机改装成投影仪，只要将凸透镜从大圆筒取出，再将其固定在大圆筒外部的上方，为了保证有足够强的光照射幻灯片，还需在平台下装一个强光源，使平台处于透镜的一倍焦距和两倍焦距之间.改装后的装置可以实现在幻灯片上边写边放大.为了使像成在前方的屏幕上，还需加一个与水平面成45°角的平面镜来改变光路，装置如图4所示.

图4 投影仪装置图

3.3.2 投影仪模型在实际教学中的应用

要实现能够边写边放大，教师引导学生分析：薄膜置于暗盒，并且竖立起来，不易于书写.因此将固定有小圆筒的薄膜取出，竖直放置，构成水平的书写台.凸透镜就置于平台的上方，将大圆筒竖直放置，取出凸透镜，固定在其上方；同时为保证有足够的光强，需在平台下装一个强光源.调节凸透镜，使平台位于其一倍到两倍焦距之间，得到的清晰实像呈现在天花板上.像在天花板上，需抬头才能看，教师启发学生加设一个平面镜来改变光路，最终使像呈现在水平前方.

通过对一种实验仪器的不断组合调整，从照相机改装到幻灯机，再到投影仪，设计出3种不同的光学仪器.学生逐步理解知识，深化应用，实验设计能力得到显著提高.

4 总结

凸透镜的成像规律既是重点也是难点，学生由理论知识到实际应用的能力还比较薄弱.本文利用自制教具进行逐步的展示和变形，从最常用的照相机开始分析，经过不断变形、改装，设计出3种不同的光学仪器（照相机、幻灯机、投影仪）.整个教学过程紧密结合教具，层层深入，环环相扣，逻辑严谨清晰.学生在此过程中不断加深对光学仪器原理的认识，在教具设计的过程中体会递进、可逆、统一的物理思想，提升其思维能力.再者，自制教具取材简单方便，主要由直径大小不同的水管和一个凸透镜的变形、改装而成，加强学生从身边取材，制作物理教具的创新意识.