论文部分内容阅读
摘 要：“探究凸透镜成像的规律”既是初中物理的一大重要探究实验，又是学生学习的一大难点。但目前大多数物理教师采用蜡烛、白屏、带传统刻度尺的光具座等实验仪器进行探究实验，往往会出现光源不稳定、光源亮度不足、读数不便利、像的大小判断不科学等问题。为增加该探究实验的成功率，使学生深入理解凸透镜成像的规律，教师需要在教学中对光源、刻度尺与光屏进行改进。
关键词：仪器改进；平行光源；发光二极管
中图分类号：G64 文献标识码：A 文章编号：1673-9132（2017）14-0226-03
DOI：10.16657/j.cnki.issn1673-9132.2017.14.148
《全日制义务教育物理课程标准》在内容标准中提出“探究并知道凸透镜成像的规律”。由此可见，“探究凸透镜成像的规律”既是初中物理的一大重要探究实验，又是学生学习的一大难点。该探究实验的成功与否直接影响了学生对于凸透镜成像规律及其相关知识的掌握程度，做好该探究实验还能培养学生科学探究的能力，使学生深入体会科学学习的方法，增强学生的探究意识。实验仪器的选择对实验是否成功至关重要，在科技飞速发展的今日，理应对此实验的传统仪器进行一定的改进。
一、传统仪器及其不足
上图为目前大多数学校的实验室普遍配置的传统实验仪器，用蜡烛、10cm焦距的凸透镜、光屏以及带刻度尺的光具座等实验器材来演示和探究凸透镜成像的规律。
（一）光源的不足
虽然传统实验将蜡烛作为光源有简单易行的优点，但仍然存在以下几点不足。
1.在实验过程中需要不断调整位置以在光屏上找到最清晰的像，耗时较长。而蜡烛在燃烧过程中会不断变短，因此，实验过程中难以保证烛心、凸透镜光心与光屏中心处于同一高度，需要学生不断地对蜡烛的高度进行调整，导致操作繁琐。
2.很小的空气流动都会引起烛焰的晃动，使烛焰的大小不稳定，会影响光屏上像的清晰度，不仅不利于学生找出最清晰的像，导致像距的误差较大，而且难以科学地探究像的大小的变化规律，严重阻碍了实验规律的得出。
3.除了烛焰会前后晃动，蜡烛本身也具有一定的厚度，这会导致测量物距的误差较大。
4.烛焰的形状具有左右对称的特点，因此，在观察光屏上的实像时只能发现上下倒立的特点，却不能观察到左右相反的特点，需要用手轻轻煽动才能看到。
5.由于蜡烛具有亮度不足和不稳定的特点，此实验需要在封闭的暗室中进行，而多个蜡烛同时长时间燃烧会产生大量的二氧化碳，浓烈的气味会使人感到不适，不利于学生的身体健康。
6.在实验中使用蜡烛存在安全隐患，若使用不慎容易引起火灾；蜡油流到桌面，难以清理，容易污染實验室环境。
（二）刻度尺的不足
常见的光具座上带有刻度尺，通常其最左端为零刻度线，且刻度从左至右依次变大。因此，学生在读取物距时需要将凸透镜的位置读数减去光源的位置读数，在读取像距时用光屏的位置读数减去凸透镜的位置读数，给数据的记录带来了诸多不便。此外，不少学生还会忘记计算，导致实验数据的错误，直接影响了实验规律的得出。
（三）光屏的不足
传统实验使用的光屏是一块白屏，无法准确地反映像的位置与大小，学生通常靠目测来判断像的大小变化和比较像与物的大小关系，具有较大的不确定性。例如，当物体处于两倍焦距时，由于像比较暗，学生往往会认为这时的像是缩小的，由此得出错误的实验结论。
二、实验仪器的改进
（一）光源的改进
针对蜡烛烛焰的不稳定、亮度不足以及左右对称等缺点，对光源作改进。下面，分别对“①”形平行光源和 “F”形LED光源的制作方法与原理作简要介绍。
1.“①”形平行光源
（1）制作材料
微型遮光筒（约10cm长）、“6V 3W”的小灯泡、凸透镜（焦距约为5cm）、挡光板、导线两根、电源、胶水。
（2）制作方法
a. 利用胶水将凸透镜粘于微型遮光筒的一端。
b. 在离凸透镜光心5cm位置处的微型遮光筒的一侧开一个小洞，并将小灯泡通过此洞装入筒内。导线接在小灯泡的正负端，引于筒外，用于连接电源。
c. 如图2，将挡光板的中间挖成“①”形，并将其置于凸透镜的前方。
d. 分别在微型遮光筒与挡光板的下方固定一个支架，方便在光具座上进行实验。
（3）仪器原理
小灯泡位于凸透镜的焦点处，其发出的光经过凸透镜的折射后会成为平行于主光轴的光线，再经过“①”形挡光板后射出。因此，若将此仪器用于实验，实验中真正的光源是挡光板处射出的带有“①”形的平行光。
2.“F”形LED光源
（1）制作材料
13个红色的发光二极管（LED）、方格板、电池盒、干电池两节（5号）、塑料板、导线、开关
（2）制作方法
a. 将13个红色的发光二极管按“F”字样镶嵌排列在方格板上，并利用导线将发光二极管与开关串联在电池盒的两端。
b. 将上述串联组合固定于塑料板内，并在面板上露出“F”形光源与开关按钮。
c. 在面板下固定一个支架，方便在光具座上进行实验。 （3）仪器原理
LED二极管发出的是平行光束，具有同轴度高的特点，因此可以直接将其作为探究凸透镜成像的实验光源。
3. 改进仪器的比较
（1）共同特点
将上述两种光源代替蜡烛来进行“探究凸透镜成像规律”的实验，具有以下几点共同的特点。
a. 利用功率较大的小灯泡或发光二极管制作平行光源可以解决蜡烛亮度不足的问题，使成像更为清晰，有利于学生观察光屏上的成像情况。
b. 若以上述仪器作为光源，真正的发光物分别为“①”形的挡光板处射出的平行光及“F”形发光二极管组，两者厚度都很薄，可以解决使用蜡烛时测量物距的不确定性的问题，从而减小实验误差。
c. “①”与“F”的形状不具有对称性，都能利于学生观察到实像同时具有倒立和左右相反的特点。
d. 两个光源都不受空气流动的影响，具有稳定性。解决了蜡烛烛焰晃动以及燃烧时蜡烛不断变短的问题，便于学生找到像的位置，得出实验规律。
e. 两仪器都比蜡烛具有更广泛的使用空间，可以作为平行光源来使用，如可用于测量实验中使用的凸透镜的焦距等。
f. 两光源都是通电的，皆具有可重复使用和安全稳定的特点。
（2）注意事项
a. “①”形自制平行光源
第一，小灯泡发光的灯丝具有几何形状，所以，灯丝并非都置于凸透镜的焦点处，较难得到平行光，即此光源较难达到共轴的效果，需要教师较强的实验操作能力。
第二，“①”形的挡光板处发出的平行光为实验光源，因此物距为挡光板到凸透镜的距离，而学生对此难以理解，他们往往会把微型筒与凸透镜的距离当做物距，需要教师在实验前对学生作简要解释。
b. “F”形LED光源
虽然发光二极管具有更高的稳定性，但这种光源存在制作成本高的问题。
基于以上事项，教师需要根据自身的操作能力和教学环境来合理选择改进方案。
（二）刻度尺的改进
针对常见刻度尺不便于数据记录的问题，可以将零刻度线置于刻度尺的中点，且刻度从中间往两端依次变大（如图6）。在探究过程中，将凸透镜固定于光具座的中间零刻度线处，移动光源与光屏后可以直接从刻度尺上读出物距与像距，即光源与光屏的位置读数。
改进方法：可以把零刻度在中间的钢尺（长度为90cm）固定于光具座上，亦可以在双面胶上画上所需的刻度线，并贴于原来刻度尺上将其覆盖。
（三）光屏的改進
针对白屏不能准确反应像的大小的问题，在白屏上贴上画有1cm×1cm网格线的纸片，再做一条可以动的刻度线（如图7、图8）。其中，网格线有助于学生直观地观察像的大小的变化情况，刻度线有利于学生更精确地比较像与物的大小关系。
三、基于中考的改进调整
目前，中学物理教师在此实验教学中没有对仪器作进一步改进，其主要原因是中考相关的实验题涉及到的都是传统的实验仪器。
例：（2011年中考·山东潍坊卷）小丽组在探究凸透镜成像的规律时，使用的凸透镜焦距为10cm，他们把蜡烛和凸透镜分别放在如下图所示位置，然后调节光屏至合适的位置，则显示出一个倒立、_______（填“放大”或“缩小”）的像，像的位置在60cm刻度处的______侧（填“左”或“右”）。
若完全抛弃传统的实验仪器，学生在做题时会感到陌生。基于此问题，可对该实验课作如下调整。
（1）在演示实验环节可以采用蜡烛作为光源，在学生充分观察与了解后，再利用改进的光源让学生进行探究实验。
（2）在学生探究实验“进行实验与收集证据”的环节中，利用改进的刻度尺进行实验。实验后，在“交流与讨论”环节中，教师可提出诸如“刻度尺上零刻度线在最左端时对实验过程有何影响”的问题让学生思考。这样不仅能降低实验数据的错误率，还能提醒学生注意刻度尺上零刻度线的位置。
通过以上的调整，能让学生在利用改进仪器进行探究的同时了解传统仪器。此外，若改进仪器在此实验教学中得到普及，则中考的相关内容也会与时俱进地作相应调整。
四、改进总结
通过制作平行光源和LED光源来改进蜡烛稳定性不足、亮度低、不安全、左右对称等缺陷；调整零刻度线至刻度尺中间位置，以此解决读数不便的问题；在光屏上添加网格线，使实验现象更直观精确。最后，根据实际情况对该实验课作适当调整，从而避免改进仪器与中考内容脱节，同时促进中考相关内容的即时调整。
参考文献：
[1] 张红云.凸透镜成像规律实验的创新设计[J].实验教学与仪器，2015（4）：31-32.
[2] 刘瑞英.关于探究凸透镜成像实验的几点改进[J].中学物理，2013（2）：43.
[3] 贾丽，朱文军.探究凸透镜成像规律实验比较研究[J].物理教师，2013（1）：44-46.
[4] 杨军强.对一节物理实验课的反思[J].学周刊，2012（11）：62.
[责任编辑 冯红伟]
关键词：仪器改进；平行光源；发光二极管
中图分类号：G64 文献标识码：A 文章编号：1673-9132（2017）14-0226-03
DOI：10.16657/j.cnki.issn1673-9132.2017.14.148
《全日制义务教育物理课程标准》在内容标准中提出“探究并知道凸透镜成像的规律”。由此可见，“探究凸透镜成像的规律”既是初中物理的一大重要探究实验，又是学生学习的一大难点。该探究实验的成功与否直接影响了学生对于凸透镜成像规律及其相关知识的掌握程度，做好该探究实验还能培养学生科学探究的能力，使学生深入体会科学学习的方法，增强学生的探究意识。实验仪器的选择对实验是否成功至关重要，在科技飞速发展的今日，理应对此实验的传统仪器进行一定的改进。
一、传统仪器及其不足
上图为目前大多数学校的实验室普遍配置的传统实验仪器，用蜡烛、10cm焦距的凸透镜、光屏以及带刻度尺的光具座等实验器材来演示和探究凸透镜成像的规律。
（一）光源的不足
虽然传统实验将蜡烛作为光源有简单易行的优点，但仍然存在以下几点不足。
1.在实验过程中需要不断调整位置以在光屏上找到最清晰的像，耗时较长。而蜡烛在燃烧过程中会不断变短，因此，实验过程中难以保证烛心、凸透镜光心与光屏中心处于同一高度，需要学生不断地对蜡烛的高度进行调整，导致操作繁琐。
2.很小的空气流动都会引起烛焰的晃动，使烛焰的大小不稳定，会影响光屏上像的清晰度，不仅不利于学生找出最清晰的像，导致像距的误差较大，而且难以科学地探究像的大小的变化规律，严重阻碍了实验规律的得出。
3.除了烛焰会前后晃动，蜡烛本身也具有一定的厚度，这会导致测量物距的误差较大。
4.烛焰的形状具有左右对称的特点，因此，在观察光屏上的实像时只能发现上下倒立的特点，却不能观察到左右相反的特点，需要用手轻轻煽动才能看到。
5.由于蜡烛具有亮度不足和不稳定的特点，此实验需要在封闭的暗室中进行，而多个蜡烛同时长时间燃烧会产生大量的二氧化碳，浓烈的气味会使人感到不适，不利于学生的身体健康。
6.在实验中使用蜡烛存在安全隐患，若使用不慎容易引起火灾；蜡油流到桌面，难以清理，容易污染實验室环境。
（二）刻度尺的不足
常见的光具座上带有刻度尺，通常其最左端为零刻度线，且刻度从左至右依次变大。因此，学生在读取物距时需要将凸透镜的位置读数减去光源的位置读数，在读取像距时用光屏的位置读数减去凸透镜的位置读数，给数据的记录带来了诸多不便。此外，不少学生还会忘记计算，导致实验数据的错误，直接影响了实验规律的得出。
（三）光屏的不足
传统实验使用的光屏是一块白屏，无法准确地反映像的位置与大小，学生通常靠目测来判断像的大小变化和比较像与物的大小关系，具有较大的不确定性。例如，当物体处于两倍焦距时，由于像比较暗，学生往往会认为这时的像是缩小的，由此得出错误的实验结论。
二、实验仪器的改进
（一）光源的改进
针对蜡烛烛焰的不稳定、亮度不足以及左右对称等缺点，对光源作改进。下面，分别对“①”形平行光源和 “F”形LED光源的制作方法与原理作简要介绍。
1.“①”形平行光源
（1）制作材料
微型遮光筒（约10cm长）、“6V 3W”的小灯泡、凸透镜（焦距约为5cm）、挡光板、导线两根、电源、胶水。
（2）制作方法
a. 利用胶水将凸透镜粘于微型遮光筒的一端。
b. 在离凸透镜光心5cm位置处的微型遮光筒的一侧开一个小洞，并将小灯泡通过此洞装入筒内。导线接在小灯泡的正负端，引于筒外，用于连接电源。
c. 如图2，将挡光板的中间挖成“①”形，并将其置于凸透镜的前方。
d. 分别在微型遮光筒与挡光板的下方固定一个支架，方便在光具座上进行实验。
（3）仪器原理
小灯泡位于凸透镜的焦点处，其发出的光经过凸透镜的折射后会成为平行于主光轴的光线，再经过“①”形挡光板后射出。因此，若将此仪器用于实验，实验中真正的光源是挡光板处射出的带有“①”形的平行光。
2.“F”形LED光源
（1）制作材料
13个红色的发光二极管（LED）、方格板、电池盒、干电池两节（5号）、塑料板、导线、开关
（2）制作方法
a. 将13个红色的发光二极管按“F”字样镶嵌排列在方格板上，并利用导线将发光二极管与开关串联在电池盒的两端。
b. 将上述串联组合固定于塑料板内，并在面板上露出“F”形光源与开关按钮。
c. 在面板下固定一个支架，方便在光具座上进行实验。 （3）仪器原理
LED二极管发出的是平行光束，具有同轴度高的特点，因此可以直接将其作为探究凸透镜成像的实验光源。
3. 改进仪器的比较
（1）共同特点
将上述两种光源代替蜡烛来进行“探究凸透镜成像规律”的实验，具有以下几点共同的特点。
a. 利用功率较大的小灯泡或发光二极管制作平行光源可以解决蜡烛亮度不足的问题，使成像更为清晰，有利于学生观察光屏上的成像情况。
b. 若以上述仪器作为光源，真正的发光物分别为“①”形的挡光板处射出的平行光及“F”形发光二极管组，两者厚度都很薄，可以解决使用蜡烛时测量物距的不确定性的问题，从而减小实验误差。
c. “①”与“F”的形状不具有对称性，都能利于学生观察到实像同时具有倒立和左右相反的特点。
d. 两个光源都不受空气流动的影响，具有稳定性。解决了蜡烛烛焰晃动以及燃烧时蜡烛不断变短的问题，便于学生找到像的位置，得出实验规律。
e. 两仪器都比蜡烛具有更广泛的使用空间，可以作为平行光源来使用，如可用于测量实验中使用的凸透镜的焦距等。
f. 两光源都是通电的，皆具有可重复使用和安全稳定的特点。
（2）注意事项
a. “①”形自制平行光源
第一，小灯泡发光的灯丝具有几何形状，所以，灯丝并非都置于凸透镜的焦点处，较难得到平行光，即此光源较难达到共轴的效果，需要教师较强的实验操作能力。
第二，“①”形的挡光板处发出的平行光为实验光源，因此物距为挡光板到凸透镜的距离，而学生对此难以理解，他们往往会把微型筒与凸透镜的距离当做物距，需要教师在实验前对学生作简要解释。
b. “F”形LED光源
虽然发光二极管具有更高的稳定性，但这种光源存在制作成本高的问题。
基于以上事项，教师需要根据自身的操作能力和教学环境来合理选择改进方案。
（二）刻度尺的改进
针对常见刻度尺不便于数据记录的问题，可以将零刻度线置于刻度尺的中点，且刻度从中间往两端依次变大（如图6）。在探究过程中，将凸透镜固定于光具座的中间零刻度线处，移动光源与光屏后可以直接从刻度尺上读出物距与像距，即光源与光屏的位置读数。
改进方法：可以把零刻度在中间的钢尺（长度为90cm）固定于光具座上，亦可以在双面胶上画上所需的刻度线，并贴于原来刻度尺上将其覆盖。
（三）光屏的改進
针对白屏不能准确反应像的大小的问题，在白屏上贴上画有1cm×1cm网格线的纸片，再做一条可以动的刻度线（如图7、图8）。其中，网格线有助于学生直观地观察像的大小的变化情况，刻度线有利于学生更精确地比较像与物的大小关系。
三、基于中考的改进调整
目前，中学物理教师在此实验教学中没有对仪器作进一步改进，其主要原因是中考相关的实验题涉及到的都是传统的实验仪器。
例：（2011年中考·山东潍坊卷）小丽组在探究凸透镜成像的规律时，使用的凸透镜焦距为10cm，他们把蜡烛和凸透镜分别放在如下图所示位置，然后调节光屏至合适的位置，则显示出一个倒立、_______（填“放大”或“缩小”）的像，像的位置在60cm刻度处的______侧（填“左”或“右”）。
若完全抛弃传统的实验仪器，学生在做题时会感到陌生。基于此问题，可对该实验课作如下调整。
（1）在演示实验环节可以采用蜡烛作为光源，在学生充分观察与了解后，再利用改进的光源让学生进行探究实验。
（2）在学生探究实验“进行实验与收集证据”的环节中，利用改进的刻度尺进行实验。实验后，在“交流与讨论”环节中，教师可提出诸如“刻度尺上零刻度线在最左端时对实验过程有何影响”的问题让学生思考。这样不仅能降低实验数据的错误率，还能提醒学生注意刻度尺上零刻度线的位置。
通过以上的调整，能让学生在利用改进仪器进行探究的同时了解传统仪器。此外，若改进仪器在此实验教学中得到普及，则中考的相关内容也会与时俱进地作相应调整。
四、改进总结
通过制作平行光源和LED光源来改进蜡烛稳定性不足、亮度低、不安全、左右对称等缺陷；调整零刻度线至刻度尺中间位置，以此解决读数不便的问题；在光屏上添加网格线，使实验现象更直观精确。最后，根据实际情况对该实验课作适当调整，从而避免改进仪器与中考内容脱节，同时促进中考相关内容的即时调整。
参考文献：
[1] 张红云.凸透镜成像规律实验的创新设计[J].实验教学与仪器，2015（4）：31-32.
[2] 刘瑞英.关于探究凸透镜成像实验的几点改进[J].中学物理，2013（2）：43.
[3] 贾丽，朱文军.探究凸透镜成像规律实验比较研究[J].物理教师，2013（1）：44-46.
[4] 杨军强.对一节物理实验课的反思[J].学周刊，2012（11）：62.
[责任编辑 冯红伟]