凸透镜成像实验的教学改进

摘 要：分析了《探究凸透镜成像的规律》实验教学中有的问题及困难，并提出了一些改进措施。

关键词：凸透镜；烛焰的厚度；成像

《探究凸透镜成像的规律》实验是初中物理实验教学中的重点，而实验的完成情况则会影响到凸透镜成像规律能否正确得出，进而对凸透镜成像规律的应用教学带来影响。一直以来《凸透镜成像规律》的实验教学沿用传统的实验方法，即用蜡烛作为实验光源，不利于实验结论的得出。笔者对此进行了一些改进，使之简单易做，且更加符合学生的认识过程。

一、问题及困难

但在实际实验中，利用蜡烛、凸透镜、光屏以及光具座等实验器材探究凸透镜成像规律时，却很难得到如上所述的两个关键点的成像情况，除了测量误差这个因素之外，更重要的原因就是实验中作为光源的烛焰自身沿主光轴方向存在一定的厚度，且容易晃动，大小不定，无法利用刻度尺对像与物的大小进行定量测量，所以会出现如下的问题：

（1）当u=2f时，像与物的大小无法进行比较。

由于烛焰存在一定的厚度，我们可以设想把烛焰沿垂直于主光轴所在的平面分成两个部分，此时各部分烛焰成像情况如下：在 2f点外侧的烛焰，成倒立、缩小的实像；在2f点内侧的烛焰，成倒立、放大的实像，恰好在2f点上的烛焰，成倒立、等大的实像；最后在光屏上叠加后的效果是一个模糊的烛焰像。再加上烛焰的晃动，根本无法使用刻度尺对像与物的大小进行定量测量，学生只能凭眼睛观察比较，就会得到缩小、等大和放大的实像这三种情况。此时v≠2f，左、右偏差约1cm；已经不能用误差来解释了。

（2）当u=f时，会得出成像的错误结论。

同样是因为烛焰的厚度，假如将立体的烛焰沿竖直方向分成若干烛焰平面，那么，实验中处于焦点平面上的烛焰经过凸透镜折射后不会成像，在光屏上形成一片亮光；而处于焦点外侧的诸多烛焰平面，由于距离凸透镜的远近不同，即物距不同，当一个烛焰平面在光屏上形成较为清晰的像后，其他各烛焰平面在光屏上形成的像就会模糊，彼此之间会造成一定的影响，最终光屏上能看到一片亮光中有一个倒立、放大的模糊的实像。同样的道理，当观察者站在光屏一侧透过凸透镜观察时，处于凸透镜焦点内侧的半个烛焰，经过凸透镜折射后形成了正立、放大的模糊虚像。所以学生会误认为当u=f时，可以成像，对学生的探究过程带来影响。

二、改进措施

通过上述分析，问题的症结所在已经很清楚了，由于烛焰的厚度影响了成像清晰度，烛焰的晃动和大小的变化，影响了像与物大小的测量和比较，以及烛焰的形状影响了对像与物左右相反的判断，针对这些，在实验中只需用平面图案来代替立体的烛焰就可以较好地解决问题。

解决问题最简单的方法是在硬纸板上刻上不对称的镂空图案（如英文字母“F”），固定在光具座的滑块上，并用强光（如手电筒、台灯等）照射，来代替蜡烛烛焰。

改进后的优点：

1.改用平面图案后，当u=2f时，由于物和像都是静止的，避免了由于蜡烛燃烧变短、烛焰晃动等因素给实验带来的不利影响，使光屏上所成的像更加清晰、稳定，也方便通过测量来比较像与物的大小关系。另外，像距的误差也变小了。u=2f时的成像规律一直是学生实验中的难点，现在可以放手给学生独立完成。

2.由于是不对称静物成像，不仅能直观地观察到像与物是否上下颠倒，而且还能观察到像与物是否左右相反。学生普遍认为凸透镜成实像时，仅仅上下颠倒，改进后很好地纠正了这一错误认知，并为后面投影仪工作原理的教学做了铺垫。

3.图案由学生课后自己完成，可根据自己的心意随便制作，这样在实验中不仅可以增加实验的乐趣，还能提高学生学习物理的兴趣。

4.当u=f时，移动光屏或透过凸透镜都观察不到像，学生也不会出现有关成像的误判。

通过以上改进，操作上更加简单、安全，碰到的问题也得到了很好的解决，整个探究过程一节课即可完成，且在学生实验过程中，难以完成实验并得出上述实验结论的人数大大减少，收到了很好的实验效果。

（作者单位 江苏省徐州市城北中学）