“透鏡”實驗儀器的創新改進

秦 野 田麗杰 馬曉光

(魯東大學物理與光電工程學院 山東 煙臺 264025)

隨著基礎教育的改革和當今社會教育理念的不斷更新，物理學科中實驗教學的地位越來越重要.2011年教育部制定的《義務教育物理課程標準(2011年版)》中提到物理課程應當“使學生經歷科學探究過程，學習科學研究方法，培養學生的探索精神、實踐能力及創新意識”[1].“透鏡”是義務教育階段光學部分的基礎知識，透鏡對光線的作用是學生需要掌握的重要光學規律.因此，研發針對“透鏡”實驗的創新教具輔助教學符合新教學理念，是使學生深入理解光學原理，提高學生科學素養的重要途徑.傳統教學中，教師通常利用激光燈發出光線，在煙霧室或暗室中對實驗光路進行簡單演示，不易操作、誤差較大、污染環境.因此，針對傳統實驗的不足，受霧天汽車燈光的啟發，自制了“透鏡對光線的作用實驗儀”.經實踐，借助自制教具改進后的“透鏡”實驗，使物理課堂與實驗教學有效結合，大大提高了教學效率和學生的學習興趣.

1 傳統實驗方式

基于人教版義務教育教科書《物理》八年級上冊第五章第1節“透鏡”[2]，經調研，“透鏡對光線的作用”實驗演示主要采取以下兩種方式.

1.1 利用暗室進行實驗

利用暗室演示透鏡對光線的作用是最傳統的實驗方法，人教版教材中也采取了這一方式，如圖1所示.其中圖1(a)是凸透鏡對光線的作用實驗現象，圖1(b)是凹透鏡對光線的作用實驗現象.該實驗裝置的主要構成有：帶有磁鐵的三孔激光燈(可吸附于黑板或白板上)、柱狀平凹(凸)透鏡.實驗操作比較簡單，需提供一個暗室，在教室中關窗簾、關燈即可，這也是最常用的實驗方法.但該方法也有明顯不足之處.首先，實驗對暗室環境要求較高，且三孔激光燈功率過小，易造成實驗現象不直觀，不能很好呈現光路等問題.其次，實驗利用的透鏡外觀并非本節課學生新接觸的“透鏡”，因此該實驗說服力不夠，缺乏物理學科應有的嚴謹性，容易使學生形成錯誤的前概念.因此，該實驗方式需要從光源選取和透鏡選擇兩個方面進行創新改進.

(a)凸透鏡對光線的作用

(b)凹透鏡對光線的作用

1.2 利用煙霧室進行實驗

經調研，將暗室改進成煙霧室的想法很早就有人提出[3].改進后的實驗裝置簡化圖如圖2所示.其主要構造有：透明可密封的玻璃箱或亞克力箱、大功率激光燈、透鏡、煙霧產生裝置.其中煙霧可由紅磷或香煙產生，相比較于暗室，該裝置存在實驗現象更明顯、受外界環境干擾較小等優點.但與此同時，利用紅磷或香煙制造煙霧來呈現光路存在非常大的安全隱患，并且煙霧對環境也會造成污染.除了利用這一方法產生煙霧之外，隨著科學技術的發展，后來采用煙霧器產生煙霧，這種方法雖然解決了安全隱患，但由于煙霧器成本較高，所以利用煙霧室演示該實驗的方法至今沒有得到很廣泛的推行.

①煙霧室；②透鏡；③激光燈；④煙霧產生裝置

2 自制實驗儀

2.1 儀器的構造及作用

經過以上分析，針對以往實驗顯露的弊端，利用生活中常見的材料和家用小電器，對該實驗的實驗儀器進行了優化改進，自制出“透鏡對光線的作用實驗儀”，如圖3所示.該儀器主要由背景板、激光燈、水霧器、出霧管、透鏡5個部分構成.

①背景板；②激光燈；③水霧器；④出霧管；⑤透鏡

(1)背景板

以往實驗中，利用白板作為實驗背景板，將三孔激光燈的磁鐵吸附于上，但由于磁力太小無法在豎直平面內固定透鏡及激光燈.針對這一問題，改進后的背景板是由雪弗板、泡沫板、薄鐵板粘合而成.雪弗板不易變形，因此作為背景板的最外層.泡沫板輕便且可塑性強，方便在背景板上鑿出凹槽放置透鏡.薄鐵板可以加強背景板的吸附力，防止調節透鏡或激光燈位置時發生掉落現象.另外，實驗儀器的巧妙之處在于根據所使用的透鏡直徑及焦距，提前在背景板上標畫輔助線，方便教師判斷主光軸位置，平行光路以及焦點位置，使實驗結果更加準確也便于測量焦距.

(2)激光燈和透鏡

透鏡底部粘有磁鐵，這樣便可使透鏡固定于背景板的凹槽中，且可調節更換不同的透鏡.考慮到激光燈的循環利用問題，不宜直接粘附強磁鐵，因此特意制作了“燈托”.燈托的主要作用是固定激光燈，由于背景板內部鑲有鐵板，燈托可以依靠磁鐵與背景板相吸，起到任意調節光源來向的作用.燈托和透鏡都是通過強磁鐵吸附于背景板上的，利用此方法方便實驗操作，提高了實驗效率.

(3)水霧器和出霧管

根據比較發現，利用水霧顯示光路效果更好.將家用小型水霧器改裝，“出霧口”連接軟管，軟管一端與水霧器相連，一端水平固定在背景板上，巧妙之處在于將背景板上方的軟管上鉆出一排小孔用來排出水霧，可使水霧均勻分布在背景板表面，從而做到資源有效利用.將透鏡固定好后，連接電源，打開水霧器開關和激光燈開關，此時就會看到光路非常清晰地在水霧中呈現，拍攝效果如圖4所示.

圖4 實驗現象圖

2.2 儀器的優缺點

優點：

(1)制作材料常見，設計巧妙.該實驗儀器主要采用生活中常見的材料或者廢棄材料、零部件制成，環保且經久耐用.

(2)利用該儀器演示的實驗現象生動直觀，使學生深入理解透鏡對光的作用，在實驗探究過程中可以培養學生的創新意識和探索精神，提高科學素養.

(3)該實驗儀器可用于演示透鏡對光線的作用、光路可逆現象，也可用于講解“焦點”“焦距”等概念，操作簡便，使課堂效率得到很大提高.

缺點：

(1)透鏡選擇有限，只能利用粘有磁鐵的配套透鏡，缺乏普遍性.

(2)體積、重量較大.

(3)水霧易受風力影響.

2.3 改進措施

(1)將儀器的背景板繼續優化，實現可任意切換透鏡且方便測量焦距的功能.

(2)采用更加輕便的制作材料，減小無用體積.

(3)考慮在儀器上方加一個透明罩，減小特殊情況下的風力影響.

3 實驗過程

3.1 實驗器材

透鏡對光線的作用實驗儀,凸透鏡(焦距10 cm),凹透鏡(焦距10 cm),激光燈(綠色、紅色).

3.2 實驗步驟

實驗一：凸透鏡對光線的作用

將事先準備好的焦距為10 cm的凸透鏡放入背景板的凹槽中，調整好位置.調整燈托位置，使激光燈發出的光線平行于主光軸入射凸透鏡，可以觀察到折射光線經過入射方異側焦點；調整激光燈位置，使光線經過焦點入射凸透鏡，可以觀察到折射光線平行于主光軸.再次調整激光燈位置，使之發出的光線過光心入射凸透鏡，可以觀察到其傳播方向不變.實驗光路圖如圖5所示.

圖5 凸透鏡對光線的作用光路圖

實驗二：凹透鏡對光線的作用

將凹槽處的凸透鏡替換成焦距為10 cm的凹透鏡，調整好位置.以同樣的方式調整激光燈位置，使入射光線平行于主光軸入射，可以觀察到折射光線反向延長線過入射方同側焦點；調整激光燈位置，使入射光線延長線過凹透鏡異側焦點入射凹透鏡，可以觀察到折射光線平行于主光軸；最后調整激光燈使入射光線過光心入射，可以看到其傳播方向不變，實驗光路圖如圖6所示.

圖6 凹透鏡對光線的作用光路圖

實驗三：探究透鏡中的光路可逆現象

使綠色激光燈發出的光線平行于凸(凹)透鏡主光軸入射，可以看到明顯光路，此時在異側用紅色激光燈逆著折射光線照射，會發現紅色光路與綠色光路完全重合，光路變為黃色，如圖7和圖8所示.由此可見，透鏡對光線的作用中光路是可逆的.

圖7 凸透鏡中的光路可逆現象

圖8 凹透鏡中的光路可逆現象

4 結束語

當今社會，在新教育觀念的背景下，人們對學生的動手操作能力和創新能力越來越重視，提倡將實驗教學融入物理課堂.“透鏡對光線的作用實驗儀”便是基于此背景的產物.儀器制作過程中，田麗杰老師給予筆者理論指導，儀器的制作也得到了山東省科普專家王德法副教授的指導.目前，此研究已應用于物理教學技能大賽，且成功申報研究項目.該項研究非常具有應用價值，同時也具有廣闊的應用前景.但該儀器還處于雛形階段，對于“透鏡”實驗研究過程中產生的一系列新問題，依然需要不斷地優化改進.同時，我們應尋求更多有效的手段應用于實驗創新，使物理課堂與更多生動有趣的實驗相結合，實現我們的研究價值.