創新實驗器材 顯示幾何光路 探究凸透鏡成像

喬樹潔 任振穎

摘 要：探究凸透鏡成像規律是光學的重點內容、科學探究的典型實例、發展學生核心素養的重要載體.筆者通過創新實驗器材，將抽象的成像原理可視化，加深學生對成像原理的理解，尊重學生的認知規律，關注學生的發展需求，突出光學本質.

關鍵詞：凸透鏡成像;創新器材;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，中學一級教師，研究方向：中學物理教學及教學管理;

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

1 教學背景分析

1.1 實驗教學內容分析

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

1.2 實驗教學價值分析

學生實驗：選擇光源F，可清楚顯示像的左右、正倒立情況，便于學生總結成像放大或縮小、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，提高數據收集效率，尤其是當實像像距較大，超出光具座范圍時，測距儀方便測量，為學生分析論證提供較豐富的數據支持.設計有白色小格的光屏，可直接讀出實像高度，根據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，與物體成像建立聯系，進一步驗證成像規律.演示光路，空中可見光路，學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“凸透鏡成像規律”進行理論分析過程中加入實驗，學生再次觀察成像特點，教師演示光源F的某一點，通過這一點發出特殊光線，再觀察點光源的像，直觀演示原理光路，便于學生理解成像規律，理解成像原理.

（1）可移動且可變光源箱F.

（2）光路顯示區，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 創新點

該教具在畫光路圖驗證規律的基礎上，增加了實際光路的演示，學生進一步體會物距對成像情況的影響，加深學生對凸透鏡成像規律的理解.當物距大于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 演示凸透鏡成像規律

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

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，從光屏一側透過凸透鏡觀察像，并觀察記錄成像情況.

第六步：結合學生分組實驗，初步總結凸透鏡成像規律.

3.2 驗證凸透鏡成像的光學原理

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過這一點，通過凸透鏡成像，調整凸透鏡的高度，使這兩條光線一條經過凸透鏡的光心，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，觀察光路.

3.3 實驗設計意義

直觀現象讓學生對凸透鏡成像規律形成深刻的認識，此時回歸物理本質，先通過畫特殊光線的方法，從幾何光學角度驗證結論，這時有的學生存在質疑，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的一點發出兩條特殊光線，讓學生觀察光路，讓學生直接觀察到光路模型，解決困惑.通過演示光路，增強學生對“凸透鏡成像規律原理”的直觀認識，進一步理解規律，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，領略科學現象與物理本質的統一美.

4 教學反思

演示光路的器材尺寸過大，可適當縮小;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律.在實驗過程中，學生在探究像正、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“探究凸透鏡成像規律”實驗的比較與啟示[J].物理教學探討，2019，37（09）：22-25.

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

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

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

[5]沈建東.“學習進階”理論視域下的科學探究——以“探究凸透鏡成像規律”為例[J].中學物理，2020（20）：38-40.

（收稿日期：2021-07-08）