探究凸透鏡成像規律實驗與方法的改進

譚穎+陳達成+潘明

相信很多教師在八年級物理探究凸透鏡成像的規律實驗中都會遇到相同的問題：一是在實驗中物距相等時，不同組的同學測出的像距不相同，有的相差甚遠；二是像與原物的大小怎樣確定，像比原物大還是小的問題，這個主要體現在物距等于2倍焦距時，一部分同學得出的是倒立放大實像，一部分同學得出的是倒立縮小的實像，真正得到倒立等大的實像的同學為數不多。其實問題的原因在于光屏上所成的像是搖晃的燭焰形成的，燭焰搖晃難以判斷當時的像是否是最清晰；其次是像的大小與物體本身的大小想必是由人的主觀意識來比較完成的，這樣只能說是判斷而不是測量比較，不能定量以進行對比，不能夠有力地說明像的大小這一性質。

如何更準確地判斷成像是否清晰；如何測量判斷像是放大還是縮小，用什么方法進得定量的測量；如何確定物距像距。針對這問題，筆者認為對探究的實驗進行改進，對實驗器材及準確程度要求更高。

一、改進實驗裝置

1.改換成像物體

原來光具座利用蠟燭作為凸透鏡成像的物體，在實驗中點燃的蠟燭火焰總是會左右搖晃或時高時低，也就是說火焰總是處于相對運動的狀態，這樣不利于觀察火焰經過凸透鏡所成的像是否處于最清晰的狀態，從而會影響到像大小的判斷和像距的測量。為此，筆者認為成像物體由蠟燭更換為長寬約為4×3cm2數碼顯示管即可。讓數碼顯示管顯示數字“7”，實驗之前可以先測量好“7”的橫段和豎段的長度，在實驗過程中告知學生物體“7”的大小，以便學生更容易對比物像的大小，使得實驗更快更順利進行。

2.改進光屏

一般來說光屏只是一面白屏，上面沒有任何起到標記作用的測量刻度。筆者認為把光屏標上刻度，以光屏的中心為原點，建立直角坐標系，以0.05cm為單位標上刻度，橫坐標測量像的寬度，縱坐標測量的高度。這樣像的大小就可以準確的測量出來了。

3.增加刻度尺

光具座上的滑塊與滑動橫桿之間存在一定的間隙，并且會隨使用時間、次數的增加而增大，致使安置在滑塊上的成像物體（數碼顯示管）、凸透鏡、光屏并沒有垂直于滑動橫桿，它們之間的實際距離并不是滑塊指示的距離。由于數碼顯示管、凸透鏡、光屏向左或向右偏側，很多偏離的幅度都在0.5cm左右，甚至更大，這樣實驗測出的數據與真實的數據相差之距可想而知。

假如A、B兩組的光具座成像物體（數碼顯示管）與凸透鏡都垂直于滑動橫桿，使兩個物體物距相同，而A、B兩組光具座光屏的傾斜情況不一樣，A往左傾0.3cm，B往右傾0.4cm，那么A、B兩組得到的像距相差了0.7cm。

由此可見，刻度的準確性非常重要，它關鍵到成像的性質，所以在原來光具座的上方增加一支與下方對應的刻度尺極其重要。上下各一支刻度尺便可準確地測量和放置好數碼顯示管、凸透鏡、光屏，不至于它們實際距離和滑塊指示的距離不一致了。

實驗裝置改進后，在實驗中調整好數碼顯示管、凸透鏡、光屏，使它們在同一直線，同一高度上。確定物距，使數碼顯示管顯示“7”字，光線經凸透鏡在光屏中間形成倒“7”字，很容易確定所得到的像是否是最清晰。

經過多次的實驗和學生得到的數據總結，像大小這一性質，特別是在臨界狀態（2倍焦距處），像大小便可測量比較出來。在每次實驗中像距相差一般都在0.1cm左右。這樣的結果比改進前明顯好多了，所以對實驗裝置的改進是非常必要的。

二、改進探究方法

在探究的過程中，我們教師都會告訴學生：先把蠟燭放在離凸透鏡盡量遠的地方，使物距大于2倍焦距，調整光屏與凸透鏡的距離，使燭焰在光屏上成一清晰的像，觀察像的大小、正倒，測量出物體和像到凸透鏡的距離；再把蠟燭向凸透鏡靠近，使物距在1倍到2倍焦距之間，重復剛才的操作。當把蠟燭移到透鏡的焦點時，看看在光屏上能否形成像；把蠟燭再次向凸透鏡靠近，使物中小于1倍焦距時，光屏上能否看到像，這時怎樣才能看到像。

這樣的探究方法，先給學生灌輸了一個固定的探究思維模式，即在某個規定的范圍內進行探究，雖然能讓學生在探究的過程中得出我們想得到的結果，但是對于一個對凸透鏡成像規律一點也不了解的學生來說為什么要規定在這個范圍內，學生一點也不清楚。學生親身體驗科學探究的全過程和方法到哪里去了？為什么要在1倍到2倍焦距之間呢？對于這些問題，也不知怎么回答他們最為恰當。因為我們劃分區域是在已經探究得出結論后劃分的，對于不懂得成像規律的學生沒有必要給他們劃分，應讓他們在各個位置進行探究測量，然后根據成像的性質規律，歸納總結得出在某個區域內成某種性質的像。

以焦距為10cm的凸透鏡為例，設計的表格

讓學生從遠到近，相隔幾厘米測量一次。如物距在40cm、35cm、30cm、25cm等處時，學生得到的都是倒立縮小的實像，而這些距離40cm、35cm、30cm、25cm都是大于2倍焦距20cm，即u>2f，那么學生歸納總結：當物距u大于2倍焦距時，物體經凸透鏡所成的像是倒立縮小的實像。同樣，物距在17cm、15cm、12cm等處都大于1倍焦距小于2倍焦距，即2f>u>f，可以得到：當物距u大于1倍焦距小于2倍焦距時，物體經凸透鏡所成的像是倒立放大的實像。

當物體再向凸透鏡靠近時，學生在物體的另一側經凸透鏡觀察，看到的是正立放大的虛像，而8cm、6cm、4cm都比1倍焦距（10cm）小，即u

三、實驗改進的其他好處

1 .安全

使用數碼顯示管代替蠟燭非常安全，如果實驗使用蠟燭，經常會有一些調皮的學生在實驗的過程中點燃紙張，這樣全班學生和實驗室的安全受到威脅；另外，在空間很有限的教室里，同時點燃幾十根蠟燭，放出大量的二氧化碳和一些其他有害氣體排放，影響到師生的身心健康；第三，一般地板上都會有很蠟滴，學生不小心踩到容易發生滑倒等嚴重情況，使用數碼顯示管則可避免這些問題。

2.方便簡潔

很多老師在做完這個都會感到后期的工作量是多么的大，光具座、課桌和地板上到處都是蠟滴，難以清理，并可能發生學生滑倒等更嚴重等情況，使用數碼顯示管則可避免這些問題。

3.低碳、低能耗、環保

現在整個社會提倡低碳、低能耗、環保，我們的實驗室利用數碼顯示管代替蠟燭，沒有二氧化碳和一些其他有害氣體排放，真正做好節能環保。

綜上所述，探究凸透鏡成像規律實驗的改進是非常有必要的。只有不斷的改進創新，我們的教學才會不斷的向前發展，邁上新的臺階。

（作者單位：廣西桂林市第十三中學）