湖北省武漢市翠微中學(xué)(430000)

許 蓉

對(duì)初學(xué)物理的8年級(jí)學(xué)生而言，透鏡這一章的學(xué)習(xí)內(nèi)容無(wú)疑是比較難以理解的。學(xué)生在進(jìn)行光學(xué)有關(guān)內(nèi)容的學(xué)習(xí)時(shí)，主要是通過(guò)觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，總結(jié)出一些共性的特點(diǎn)。光現(xiàn)象雖然無(wú)處不在，但卻是抽象的，這就增加了實(shí)驗(yàn)的困難性。光學(xué)實(shí)驗(yàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境的要求很高，在實(shí)際演示中由于光線的亮度和不確定性等因素，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)觀察不到實(shí)驗(yàn)結(jié)果或者實(shí)驗(yàn)結(jié)果不明顯。

1 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的不足

在探究凸透鏡成像規(guī)律的實(shí)驗(yàn)中，通常使用的光源是蠟燭燭焰，操作過(guò)程存在以下不足。

(1)燭焰易受外界環(huán)境影響而晃動(dòng)，不便于觀察成像。

(2)光線強(qiáng)度不夠，現(xiàn)象不明顯。

(3)移動(dòng)不便(上下或左右移動(dòng)),有安全隱患。

(4)無(wú)法區(qū)分物像的左右。

基于此,筆者進(jìn)行了以下改進(jìn)嘗試。

2 第一次改進(jìn)實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)器材的改進(jìn)

(1)波長(zhǎng)635 nm、直徑16 mm的紅色粗激光光源和干電池。

(2)自制鏤空“F”的遮光屏。

用數(shù)控雕刻機(jī)制作直徑20 mm高16 mm的鏤空“F”字，用膠水固定在光源自帶的保護(hù)屏上，如圖1所示。

圖1 自制遮光屏

(3)自制光源固定座

在鋁合金中心線上兩側(cè)鉆2個(gè)直徑為2.6 mm孔并用3 mm的攻絲來(lái)攻；在鋁合金中央鉆1個(gè)直徑為3.3 mm孔并用4 mm的攻絲來(lái)攻。

圖2 自制光源固定座

在PVC20固定支架中心鉆1個(gè)直徑為3 mm的孔，用3 mm的沉頭螺絲將支架固定在鋁合金上，將光具支撐桿固定在鋁合金上，光源固定座制作完成，如圖2所示。

(4)自制半透明光屏

圖3 自制半透明光屏

半透明光屏制作方法和光源固定座類(lèi)似，挑選合適的磨砂玻璃，鉆孔再固定在光具支撐桿上，如圖3所示。

2.2 改進(jìn)后的優(yōu)點(diǎn)

(1)便于測(cè)焦距，成像非常清晰，操作方便。

將光源固定座安裝在光具座的一端，再將紅色粗激光新光源插入光源固定座，按常規(guī)實(shí)驗(yàn)安裝凸透鏡和屏，并調(diào)整三者的中心在同一高度。點(diǎn)燃蚊香，將光源和電源依次連接好，光源發(fā)出直徑為16 mm的紅光(三維)，調(diào)整屏的位置，使屏上得到一個(gè)很小、很亮的光斑，測(cè)出透鏡與光屏間的距離即為焦距。

(2)全方位無(wú)死角觀察現(xiàn)象。

將帶鏤空“F”遮光屏套在紅色粗激光外部進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中，無(wú)論站在哪個(gè)角度，都能非常清楚地看到光屏上所呈現(xiàn)的像。

2.3 問(wèn)題

在移動(dòng)光屏或新光源的過(guò)程中，不斷地取下或套上鏤空“F”的遮光屏，觀察現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)中可以發(fā)現(xiàn)，無(wú)論新光源在哪個(gè)位置(哪怕新光源在一倍焦距以?xún)?nèi))，光屏除了在1倍焦距處是一個(gè)很小很亮的光斑外，在其他范圍光屏上都能看到清晰地“F”的像。光屏在1倍焦距內(nèi)，可以成正立縮小的實(shí)像；在1～2倍焦距內(nèi)任意位置，可以成倒立縮小的清晰實(shí)像；在2倍焦距外任意位置，可以成倒立放大的清晰實(shí)像。為什么會(huì)這樣，難道我們所學(xué)的凸透鏡成像規(guī)律錯(cuò)了嗎？

2.4 探究

反復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，現(xiàn)象依舊如此。為何光源在1倍焦距以?xún)?nèi)，光屏上仍然能呈現(xiàn)清晰的像；為何光屏在1倍焦距以?xún)?nèi)時(shí)，會(huì)呈現(xiàn)正立縮小的像；為何無(wú)論怎樣移動(dòng)新光源，只要光屏不在1倍焦距上，并不需要調(diào)整距離，也會(huì)有清晰的像。經(jīng)筆者反復(fù)琢磨、畫(huà)光路圖分析，終于弄清楚了原因：帶鏤空“F”的遮光屏遮住了紅色粗激光的部分光，使得光源呈“F”形，實(shí)質(zhì)是“F”形的平行光源，除了在1倍焦距處是一個(gè)很小很亮的光斑外，其他范圍都是大小不等的光圈，遮光屏遮住的地方自然看不到，而新光源離凸透鏡的遠(yuǎn)近只是決定像的亮度(離得越近,像越亮)，并沒(méi)有違背凸透鏡成像規(guī)律,可用初中光學(xué)知識(shí)畫(huà)出光路圖來(lái)證明。

3 第二次改進(jìn)實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)器材的進(jìn)一步改進(jìn)

自制帶塑料磨砂“F”的遮光屏：在塑料磨砂包裝袋上剪一塊直徑為20 mm的塑料片，并用膠水粘在之前的鏤空“F”鐵片上，并固定在PVC20管接頭上，投籃非平行光“F屏”。塑料磨砂使得平行光源變成自然光源，和燭焰一樣。

3.2 改進(jìn)后的優(yōu)點(diǎn)

將改進(jìn)后的帶塑料磨砂“F”遮光屏再套在紅色粗激光外部，做探究凸透鏡成像規(guī)律的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中的一樣，但在操作上比傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方便了許多。

(1)能成非常清晰的像，從而演示照相機(jī)、幻燈機(jī)原理。

(2)操作方便、安全，可360°旋轉(zhuǎn)。

(3)能正確區(qū)分物與像的正倒、左右。

(4)能方便地演示當(dāng)光源左右或上下移動(dòng)時(shí)，像的變化情況。

3.3 改進(jìn)實(shí)驗(yàn)缺點(diǎn)

因?yàn)榧t色粗激光是安裝在光源固定座上，固定座下面中間的支撐桿所對(duì)齊的光具座上的刻度并不能代表光源的位置，所以物距不能直接在光具座上讀出來(lái)。

4 小結(jié)

在自制教具的摸索過(guò)程中，很多實(shí)驗(yàn)器材都不是一次制作成功的。在制作和實(shí)驗(yàn)中，不斷地發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，不斷地改進(jìn)實(shí)驗(yàn)器材，不斷地探索思考，極大地激發(fā)了教師的潛能，提高了教師的業(yè)務(wù)能力。利用這種新光源進(jìn)行教學(xué)演示時(shí)，能很好地克服傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的缺點(diǎn)，給教學(xué)演示帶來(lái)了極大的便利，教學(xué)效果好。同時(shí)，由于是采用學(xué)生較為喜歡的激光做實(shí)驗(yàn)并且還能360°旋轉(zhuǎn)，學(xué)生的興趣濃厚，探究意識(shí)強(qiáng)，紛紛要求到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行探究實(shí)驗(yàn)。對(duì)有能力的學(xué)生，還能夠進(jìn)一步地進(jìn)行拓展，充分理解凸透鏡成像原理。本教具制作突出了STSE(科學(xué)——技術(shù)——社會(huì)——環(huán)境)最新的教育思想，不僅提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)了學(xué)生的求知欲，同時(shí)還培養(yǎng)了學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，提升了學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。