關于電氣自動化凸透鏡成像實驗探究的思考與改進

王慶平

摘要：在幫助學生解決凸透鏡成像習題困惑的過程中發現，滬科版八年級物理《第四章多彩的光》的《第五節科學探究——凸透鏡成像》的學生分組實驗器材有諸多瑕疵，有待改進。為此，利用學校“極客園”科創工作室提供的便利條件，結合分析出實驗器材的不足之處，如光源、光屏、如何精確找到像的位置、像的性質等問題進行改進，經歷思考、分析、動手、論證、調試、編程、試驗等，通過反復試驗，不斷改進提升，最終有效解決凸透鏡成像的困惑，實現教學相長。

關鍵詞：凸透鏡；電氣自動化；實驗探究；體驗；創新

在考查凸透鏡成像時有涉及到像的性質這一考題，學生因實驗探究中見到像是倒立的就直接答題，沒有注意到像左右相反這一性質而答錯題目，講評時由于學生受限于抽象思維無法理解，可見八年級滬科版物理《第四章多彩的光》的《第五節科學探究——凸透鏡成像》的學生分組實驗器材有瑕疵。于是我動了一個念頭，能否利用平時帶領學生參加學校“極客園”科創工作室社團活動便利條件對該實驗進行改進呢？因此我就選拔幾個有興趣的學生組成一個團隊，開展《關于凸透鏡成像實驗探究的思考與改進》實驗研究。

1滬科版探究凸透鏡成像實驗

在利用光具座、蠟燭、火柴、光屏、凸透鏡等探究凸透鏡成像規律學生分組實驗中，提出問題是凸透鏡成像特點與物距有什么關系？實驗得出物距、像距、像的性質，然后分析得出粗糙的成像規律。

2該實驗器材的不足之處

2.1光源

因蠟燭的燭焰亮度不夠，導致實驗環境要求在較暗的地方實驗：光屏承接的像是平面的，但火焰是立體的，前后發光點都有對應的像，在成最亮最清晰的像時，光屏位置是不固定的，特別是u=f時，光屏上還能看到像，讓學生莫名其妙：實驗前老師強調要點燃蠟燭，調節燭焰、透鏡、光屏在同一高度上，目的是要讓像成在光屏的中心處，然而，一會后像會向上移動，因蠟燭會變短，所以實驗過程中不時要調節蠟燭的高度，提升學生實驗難度：因燭焰是對稱的，故無法觀察像物是左右相反的。

2.2透鏡

透鏡單一是這個實驗另一不足之處，實驗室只提供一只焦距為10cm的凸透鏡，學生只能得到單一的實驗現象，無從對比。在物距不變時，改變焦距，考查像的大小及像距的變化，此類題目對于學生而言也是無法理解的。

2.3光屏

光屏是一塊白塑料板，像成在上面是一維的，但燭焰卻是三維的，導致學生在觀察比較像物大小關系時很吃力，特別是當u=2f時，燭焰的外沿在成像時因光線折射后衰減，無法清晰看到，學生看到的像是比物小的，與像物等大等距這一結論是相悖的。

3實驗改進

3.1光源的變化

針對燭焰亮度不足、不穩定、變短等，網購了LED燈（1w）、驅動板，在LED燈兩端加5V電壓讓其發出強白光，并將整個裝置放在產生平行光源的透鏡的焦點上，在平行光源塑料套前放一“F”字樣的罩（用激光雕刻機雕刻有機板自制而成），就解決了光源的瑕疵。沒想到點光源在調試過程中發現所成的像的邊沿會變形，同時熱感傳感器在移動光屏時數值差異太小，換成光敏電阻也一樣無法形成明顯的差異，導致無法在光屏找到最清晰的像，后來又將LED點光源換成白熾燈也無法解決此類問題，通過上網查詢，請教專家，又重新網購了貼片紅色LED，0603封裝貼片電阻等自制了一個由多個LED燈組成的FSZ形的光源，最終解決了光源問題。

3.2透鏡的變化

先在有機版根據焦距不同凸透鏡的外徑雕刻兩個圓圈，將兩透鏡放在圈內，利用有機板粘合劑粘好。這樣就能解決在物距不變時，瞬間將凸透鏡的焦距從3cm轉換成5cm，這時我們再次移動光屏直到得到清晰的像時，比較像距的變化及像大小的變化，發現當物距不變時，焦距變小，則像距變小且像也變小輕松解決有關難題。

3.3光屏的變化

在光屏中心鉆一小孔，放一光電傳感器，測量光照量最大值，將有關信息發送給MEGA2560開發板，讓其處理后自動驅動電機轉動，自主移動光屏，直到光屏上成最清晰的像為止。同時在光屏中心處畫一個與“F光源”大小相同的方框，更方便直觀比較像物大小的關系。

3.4光具座的變化

光具座以三段滑臺為主體，如圖1，在短滑臺間鎖定了透鏡的撐桿，兩個電機上分別裝上F字光源與光屏，可利用搖控器控制步進電機驅動板讓滑臺上兩電機前進與后退，從而實現光源與光屏的移動。另一長滑臺電機上裝有5寸增強串口屏和由兩個舵機控制可隨意轉向的攝像頭，讓攝像頭可監測到像的大小：也可監測到光照量的數值，實現了由定量測量最清晰的像替代由學生自己感覺哪一點像是最清晰的感性測量，也可監測光源、光屏所在的位置等，更加科學準確合理。同時利用一個外接頭可以將串口屏上的圖像傳輸到多媒體上，讓全班的學生可以看到，方便老師教學時演示實驗時，能讓學生清晰看到實驗過程，容易得出準確的答案。整個實驗過程清晰、直觀，定量準確，科學有效。

3.5電氣自動化

3.5.1電路圖

控制部分使用了一塊MEGA2560開發板，對傳感器數據進行采集和運動控制。選擇12V的鋰電池作為電源，使用了穩壓12V升壓模塊和穩壓變壓5V降壓模塊進行分別供電，如圖2。

3.5.2主控版電路原理圖

使用c語言與圖形化mBlock創客工場V3.2.2相結合進行程序設計，主要包括了采集各種電信號、處理信號、驅動電機、舵機、將相關影像傳輸到顯示屏上，從而實現人為利用遙控器控制的控制電機改變物距，并自動調節像距使光屏上得到清晰的像，改變物距與透鏡的焦距。探究物體成像規律，并將實驗現象通過數據線傳輸到多媒體的白屏上，如圖3。利用智能MEGA2560開發板，為以后智能提升留下空間。

4該實驗器材的創新點

（1）實現電氣自動化實驗過程，利用Arduino MEGA2550開發板，對傳感器數據進行采集和運動控制，真正實現具體可感、可定量測試的實驗探究，讓同學們更易于理解掌握。

（2）能利用一個上下左右可調的攝像頭拍攝實驗數據和實驗現象，用一串口屏將攝像頭拍攝到呈現出來，用一數據線再將相關視頻直接呈現到多媒體的屏幕上，方便老師演示時，學生能直接在屏幕上看到實驗現象與數據，過程直觀具體可感。且串口屏帶有內存，也可將學生難理解的配套題目放在里面，適時調板給學生練習。

（3）用平面光源替代立體光源。

（4）能成一個左右相反的像。

（5）能解決光源各種不足，

（6）利用光電傳感器，測量光照量最大值，由機器自主尋找最清晰像的位置。

5教具自制的感悟

（1）在自制改進教具的過程中，我們掌握了正確的學習方法，學會了科學的實驗精神和研究的科學態度。經歷制作這個電氣自動化探究凸透鏡成像分組實驗器材這個過程后，雖然花了我們很多假期時間，流了很多的汗水，吃了很多的苦，但我們曉得遇到不懂知識得通過各種方式自學，如我們遇到編程時通過上網、圖書館查找、請教專家老師等，最終學習編程的方法。在總結時，學生們都感嘆知識不夠用，也深深知道得努力去學習，不斷學習探究，不斷增長才干。我們在硬件、軟件搭建的過程中，從平面到立體、從簡單到復雜，在考慮材料大小、數量、方向、結構之余，還需要建立流程、系統等戰略性思維，有助于開發思維邏輯、分工合作和領導協調能力。在實驗改進中，更培養同學們的科學精神和實驗態度以及合作探究的精神，培養同學們的學科核心素養，為同學們的成才奠定了堅實的基礎，且該成果代表泉港區參加泉州市第十四屆泉州市青少年科技創新大賽榮獲二等獎，學生與老師都有收獲的驚喜，體驗到成功的快樂。

（2）磨煉意志、提高韌性，提升自主學習能力。經歷這個創新過程后，我們對科技創新的流程與方法有了初步的掌握，讓我們對電氣自動化實驗各種功能有了非常濃厚的興趣，正因這個興趣讓我們克服了制作過程中的種種困難，克服遇到一些情況不知手措后的茫然，最后將作品實現。在實驗中，小組團結合作，學習表達自我、傾聽他人意見，并從別人的想法中得到新的構思，進行深入探索。實踐過程中不輕言放棄，學習調整心態，提高克服困難、抵御挫折的能力。在此期間，我與同學們學到了很多東西，磨練意志，錘煉品格，更提升自我學習能力。

總之，經歷這次實驗改進后，不斷改進傳統實驗的方法，豐富教材的時代性，而且促進師生共同成長，增進師生友情，培養科學的探究和實驗精神，培養同學的物理學科核心素養，為同學們的成才奠定了堅實的基礎。