“多合一”光學教具的開發與使用

陸茵

摘要：光學內容是蘇科版初中物理八年級上冊中的重點和難點，尤其是小孔成像、凸透鏡成像規律及其應用拓展等內容，實驗探究性很強。而實驗室所配備的各類標準器材存在一定缺陷。對此，嘗試自制“多合一”光學教具，并以之探究上述光學內容中大部分重難點實驗。該教具具有不少優點：取材環保低廉，適合自制推廣;可使實驗呈現多樣，觀察靈活自由;利于培養學生的科學思維和探究精神。

關鍵詞：光學;教具改進;探究實驗

光學內容是蘇科版初中物理八年級上冊中的重點和難點，尤其是小孔成像、凸透鏡成像規律及其應用拓展等內容，實驗探究性很強。而實驗室所配備的各類標準器材僅能研究一部分現象，整合性差，且體積較大，使得學生僅能在課堂上觀看演示實驗或在實驗室里動手實踐，無法在課后自主探究。

對此，筆者嘗試改進實驗教具，利用黑色硬卡紙、硫酸紙、不同焦距的凸透鏡和凹透鏡等材料自制了“多合一”光學教具。這一教具，通過不同插片組合可以研究小孔、放大鏡、照相機、投影儀、望遠鏡成像等相關問題，涵蓋初中階段所有小孔成像、凸透鏡成像規律及其應用的探究實驗;體型小巧，便于攜帶和使用;此外，還提供了一些擴展插片讓學生自主探究，體驗實驗的樂趣。下面，介紹“多合一”光學教具的組成及具體的教學應用。

一、“多合一”光學教具的組成

（一）光源

研究小孔成像或凸透鏡成像規律時，實驗室常用蠟燭火焰作為光源，但是燭焰易受空氣流動的干擾，同時蠟燭又會在燃燒過程中變短，從而影響實驗觀察。為解決這一問題，將高亮度的平面LED燈和利用黑色硬卡紙自制的暗箱組合成光源（如下頁圖1）。暗箱上留有插口，方便插入“F”插片或“上”插片等（如下頁圖2），來獲得不同形狀的光源（插入“上”插片的光源效果如下頁圖3所示）。不插光源插片時，平面LED燈還可以作為投影儀的光源使用，一物多用，一舉兩得。同時，平面LED燈選用充電式的，方便攜帶和調整角度。

（二）主體部分

“多合一”光學教具的主體部分（如圖4）由外筒和內筒組成，外筒和內筒的一側均有一個插口，標注為插口A和插口B，供多種透鏡、光屏、小孔等插片安裝，以滿足不同實驗的需求。外筒和內筒有兩種組合方式：第一種組合，內筒插入外筒中，內筒插口與外筒插口同向;第二種組合，內筒插入外筒中，內筒插口與外筒插口反向。

二、“多合一”光學教具的教學應用

（一）小孔成像

將硫酸紙做成的光屏插片（如圖5）插入插口B，更換插口A中的插片，根據環境情況組合內筒和外筒，改變物體到裝置的距離或調整內筒和外筒間的距離，即能研究小孔成像的相關問題。

1.小孔成像與孔的大小的關系。

將三角形大孔插片（如圖6）插入插口A，將方形插片（如圖7）慢慢插入插口A，逐漸遮蔽三角形大孔，使孔慢慢變小，觀察“上”光源所成的像。

實驗發現，當孔比較大時，光屏上會獲得與孔形狀相同的光斑，如圖8;當孔足夠小時，才能在光屏上觀察到倒立的像，如圖9。

2.小孔成像與孔的形狀的關系。

將三角形小孔、方形小孔、圓形小孔插片先后插入插口A，觀察“上”光源所成的像。

實驗發現，無論哪種形狀的小孔，所成的像都是物體倒立的像，說明小孔成像與小孔的形狀無關。

3.小孔成像與孔的數量的關系。

將2個小孔、3個小孔的插片先后插入插口A，觀察“上”光源所成的像。

實驗發現，2個小孔成2個像（如圖10），3個小孔成3個像（如圖11）。總結：一般情況下，小孔數量越多，小孔成的像越多，即小孔成像的數量與孔的數量有關。

進一步地，可以引導學生拓展思維：改變物距和像距來探究小孔成像與物距、像距的關系;更換光源插片來獲得不同形狀的物體，探究小孔成像與物體形狀的關系;利用沒有挖孔的插片來自主探究小孔成像的其他問題。通過這樣的拓展，助力學生在開放式思考和動手實驗中體驗科學探究的樂趣。

（二）照相機成像

將凸透鏡插片插入插口A，光屏插片插入插口B，改變物距和像距，即能清晰觀察生活中的物體或提供的光源，研究照相機成像原理及特點（如圖12）。利用提供的30 cm、10 cm、5 cm焦距的凸透鏡插片，也能初步探究照相機成像與凸透鏡焦距的關系。另外，也可以將方形插片和凸透鏡插片同時插入插口A，抽拉方形插片，研究遮蔽部分透鏡后成像的變化情況，等等。

（三）投影儀成像

將光源和紙筒組合，將凸透鏡插片插入插口A，即可得到一個小型投影儀。將投影片先用可擦寫的筆畫好圖案，再倒著插入插口B，將紙筒按照第一種組合方式裝好，同時調整物距和像距，就能使投影片所成的像清晰地投影到白墻上（如圖13）。利用該裝置除了能研究投影儀所成的像與物距、像距的關系，還能更換不同焦距的凸透鏡來研究投影儀所成的像與凸透鏡焦距的關系。

（四）望遠鏡成像

將紙筒按照第二種組合方式裝好，將合適的凸透鏡、凹透鏡插片組合分別插入插口A、B，組成望遠鏡。學生可用其觀察不同距離的物體，或抽拉內筒，從而研究望遠鏡的成像特點。

1.開普勒望遠鏡。

將焦距為30 cm的凸透鏡插片插入插口A，焦距為5 cm的凸透鏡插入插口B，即能組合成開普勒望遠鏡。通過插口B可觀察到倒立、放大的像。

2.伽利略望遠鏡。

將焦距為30 cm的凸透鏡插片插入插口A，焦距為-7.5 cm的凹透鏡插片插入插口B，即能組合成伽利略望遠鏡。通過插口B可觀察到正立、放大的像。

三、“多合一”光學教具的應用價值

（一）取材環保低廉，適合自制推廣

“多合一”光學教具主體部分使用黑色硬卡紙制作，取材環保，價格低廉;成品體積小巧，卻又有很高的整合度，適合自制推廣。“多合一”光合教具的制作與使用可以告訴學生，物理教具（學具）的制作并不困難，物理現象的研究就在身邊，從而有效激發學生探究和創新的意識。

（二）實驗呈現多樣，觀察靈活自由

平面LED燈和暗箱的組合既可以成為小型投影儀的光源，又能與不同光源插片組合形成不同形狀的光源。通過小孔插片與光屏的組合，或不同規格透鏡的組合，既可以探究小孔成像、凸透鏡成像規律的相關問題，又能搭建出小型的投影儀、開普勒望遠鏡和伽利略望遠鏡來觀察研究。實驗呈現靈活方便，現象觀察清晰高效。

（三）利于培養學生的科學思維和探究精神

利用“多合一”光學教具研究小孔成像規律或凸透鏡成像規律時，教師可引導學生在更換插片的實驗觀察中對比思考，明白什么是自變量、什么是因變量，從而加強對控制變量法的理解，掌握正確的科學研究方法，提升科學思維能力。同時，學生在動手實驗中能更深刻地理解這些光學現象的本質。此外，利用多種多樣的插片，學生可以自主探究諸如多個小孔成像或其他焦距凸透鏡成像等問題，從而在開放度高的動手動腦中研究物理問題，培養創新意識和探究精神。

參考文獻：

[1] 陳斯鈿，李德安，黃大平，等.自制多功能光學實驗探究儀[J].物理通報，2019（4）.

[2] 陳淑芹.從小孔成像與照相機成像談物理教學[J].中學物理教學參考，2019（9）.