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創(chuàng)新實驗器材 顯示幾何光路 探究凸透鏡成像

2021-12-15 03:40:46喬樹潔任振穎
中學(xué)物理·初中 2021年12期
關(guān)鍵詞:實驗探究

喬樹潔 任振穎

摘 要:探究凸透鏡成像規(guī)律是光學(xué)的重點內(nèi)容、科學(xué)探究的典型實例、發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)的重要載體.筆者通過創(chuàng)新實驗器材,將抽象的成像原理可視化,加深學(xué)生對成像原理的理解,尊重學(xué)生的認知規(guī)律,關(guān)注學(xué)生的發(fā)展需求,突出光學(xué)本質(zhì).

關(guān)鍵詞:凸透鏡成像;創(chuàng)新器材;光路顯示;實驗探究

中圖分類號:G633.7???? 文獻標識碼:B???? 文章編號:1008-4134(2021)24-0033-02

作者簡介:喬樹潔(1986-),女,遼寧凌源人,本科,中學(xué)一級教師,研究方向:中學(xué)物理教學(xué)及教學(xué)管理;

任振穎(1975-),女,北京昌平人,本科,中學(xué)高級教師,研究方向:中學(xué)物理教學(xué)研究.

1 教學(xué)背景分析

1.1 實驗教學(xué)內(nèi)容分析

“探究凸透鏡成像規(guī)律”位于北師大版物理教材八年級第八章第6節(jié),是課標對于“運動和相互作用”部分內(nèi)容提出的9個必做探究性實驗之一.同時,“凸透鏡成像規(guī)律”是光的折射現(xiàn)象、透鏡的應(yīng)用,是學(xué)生學(xué)習(xí)眼睛、眼鏡及放大鏡、幻燈機、照相機等內(nèi)容的基礎(chǔ).本章的核心內(nèi)容是光的傳播及應(yīng)用,重要模型是光路模型.凸透鏡成像的本質(zhì)是光的折射,成像規(guī)律遵循光的折射規(guī)律,教師在實驗中引導(dǎo)學(xué)生從觀察凸透鏡成像的現(xiàn)象中進一步總結(jié)規(guī)律,再通過畫光路圖驗證規(guī)律,最后將實際光路顯示出來,讓學(xué)生直接觀察光的傳播規(guī)律,增強學(xué)生對“凸透鏡成像原理”的直觀認識,進一步理解凸透鏡成像的原理,加深學(xué)生對光路模型的認識、對幾何光學(xué)的了解,體會物理學(xué)現(xiàn)象與規(guī)律的一致性.

1.2 實驗教學(xué)價值分析

學(xué)生實驗:選擇光源F,可清楚顯示像的左右、正倒立情況,便于學(xué)生總結(jié)成像放大或縮小、正立或倒立的情況.選擇激光測距儀(如圖1所示),便于直接讀出像距,使探究過程中的非必要時間縮短,提高數(shù)據(jù)收集效率,尤其是當(dāng)實像像距較大,超出光具座范圍時,測距儀方便測量,為學(xué)生分析論證提供較豐富的數(shù)據(jù)支持.設(shè)計有白色小格的光屏,可直接讀出實像高度,根據(jù)像高和物體大小進行對比,更加精準地找到成像是否放大、縮小或者等大.

演示器材:如圖2所示,演示光源——可變光源F,可同時發(fā)射兩束非平行光,照亮一點,變成點光源.通過觀察這一光點成像情況,與物體成像建立聯(lián)系,進一步驗證成像規(guī)律.演示光路,空中可見光路,學(xué)生能夠更直觀看到光的路徑,比理論畫圖分析原理更易理解.再對“凸透鏡成像規(guī)律”進行理論分析過程中加入實驗,學(xué)生再次觀察成像特點,教師演示光源F的某一點,通過這一點發(fā)出特殊光線,再觀察點光源的像,直觀演示原理光路,便于學(xué)生理解成像規(guī)律,理解成像原理.

(1)可移動且可變光源箱F.

(2)光路顯示區(qū),底部可由超聲波制造水霧.

(3)兩個可更換的焦距不同的凸透鏡.

(4)可移動光屏,用于接收實像.

2 創(chuàng)新點

該教具在畫光路圖驗證規(guī)律的基礎(chǔ)上,增加了實際光路的演示,學(xué)生進一步體會物距對成像情況的影響,加深學(xué)生對凸透鏡成像規(guī)律的理解.當(dāng)物距大于1倍焦距小于2倍焦距時,觀察到成實像,像距大于物距,通過測量可知像距范圍,如圖3所示;將物距變大,觀察到實像“變近”,實像像距變小,如圖4所示.此器材將成像原理直觀顯示.

3 演示器材使用

3.1 演示凸透鏡成像規(guī)律

第一步:組裝器材,將光源F、凸透鏡(焦距為10cm)、光屏中心調(diào)整至同一高度.

第二步:將光源放在距離凸透鏡30cm處,移動光屏找到實像,并觀察記錄成像情況.

第三步:將光源放在距離凸透鏡20cm處,移動光屏找到實像,并觀察記錄成像情況.

第四步:將光源放在距離凸透鏡15cm處,移動光屏找到實像,并觀察記錄成像情況.

第五步:將光源放在距離凸透鏡5cm處,從光屏一側(cè)透過凸透鏡觀察像,并觀察記錄成像情況.

第六步:結(jié)合學(xué)生分組實驗,初步總結(jié)凸透鏡成像規(guī)律.

3.2 驗證凸透鏡成像的光學(xué)原理

第一步:將光源F放在距離凸透鏡15cm處,演示紅色光源F成倒立放大實像的情況,如圖5所示.

第二步:將F看成點光源,畫出此時的光路圖,如圖6所示.

第三步:關(guān)閉光源F紅光,在光源F上任選一點,讓兩條不平行的光線經(jīng)過這一點,通過凸透鏡成像,調(diào)整凸透鏡的高度,使這兩條光線一條經(jīng)過凸透鏡的光心,一條平行于主光軸,打開水霧器,觀察實際光路,如圖7所示.

第四步:將光源放在距離凸透鏡20cm以外,移動光屏找到光線焦點,讓焦點顯示在光屏上,如圖8所示.

第五步:將光源放在距離凸透鏡10cm以內(nèi),觀察光路.

3.3 實驗設(shè)計意義

直觀現(xiàn)象讓學(xué)生對凸透鏡成像規(guī)律形成深刻的認識,此時回歸物理本質(zhì),先通過畫特殊光線的方法,從幾何光學(xué)角度驗證結(jié)論,這時有的學(xué)生存在質(zhì)疑,畫的光線真的是光實際的路徑嗎?為此筆者再用自制器材在光源F的一點發(fā)出兩條特殊光線,讓學(xué)生觀察光路,讓學(xué)生直接觀察到光路模型,解決困惑.通過演示光路,增強學(xué)生對“凸透鏡成像規(guī)律原理”的直觀認識,進一步理解規(guī)律,加深對“成實像時,物距變大,像距變小,像變小”的認識,也再次認識到實像是由實際光線會聚而成,領(lǐng)略科學(xué)現(xiàn)象與物理本質(zhì)的統(tǒng)一美.

4 教學(xué)反思

演示光路的器材尺寸過大,可適當(dāng)縮小;水霧的光路由于“水汽”的運動,光路某些部分有些“動蕩”不太完美.如果能在物體的上、下、左三個位置分別找到兩個特殊點,進行光路的演示,更能直觀地觀察到凸透鏡成像的規(guī)律.在實驗過程中,學(xué)生在探究像正、倒立情況時,如換成比較小的箭頭光源,將有助于學(xué)生判斷像的正、倒立情況.

參考文獻:

[1]彭佳,許桂清,吳先球.六種版本初中教材“探究凸透鏡成像規(guī)律”實驗的比較與啟示[J].物理教學(xué)探討,2019,37(09):22-25.

[2]莊益君.指向深度學(xué)習(xí)的科學(xué)探究教學(xué)實踐———以“探究凸透鏡成像規(guī)律”為例[J].物理之友,2020,36(10):3-5.

[3]張佑有.初中物理“凸透鏡成像規(guī)律”教學(xué)研究[J].當(dāng)代家庭教育,2020(36):135-136.

[4]孫武.探究凸透鏡成像規(guī)律常見問題[J].農(nóng)村青少年科學(xué)探究,2021(Z1):42-43.

[5]沈建東.“學(xué)習(xí)進階”理論視域下的科學(xué)探究——以“探究凸透鏡成像規(guī)律”為例[J].中學(xué)物理,2020(20):38-40.

(收稿日期:2021-07-08)

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