创新实验器材,显示几何光路,探究凸透镜成像
乔树洁 任振颖
摘 要：探究凸透镜成像规律是光学的重点内容、科学探究的典型实例、发展学生核心素养的重要载体.笔者通过创新实验器材，将抽象的成像原理可视化，加深学生對成像原理的理解，尊重学生的认知规律，关注学生的发展需求，突出光学本质.
关键词：凸透镜成像;创新器材;光路显示;实验探究
中图分类号：G633.7 文献标识码：B 文章编号：1008-4134（2021）24-0033-02
作者简介：乔树洁（1986-），女，辽宁凌源人，本科，中学一级教师，研究方向：中学物理教学及教学管理;
任振颖（1975-），女，北京昌平人，本科，中学高级教师，研究方向：中学物理教学研究.
1 教学背景分析
1.1 实验教学内容分析
“探究凸透镜成像规律”位于北师大版物理教材八年级第八章第6节，是课标对于“运动和相互作用”部分内容提出的9个必做探究性实验之一.同时，“凸透镜成像规律”是光的折射现象、透镜的应用，是学生学习眼睛、眼镜及放大镜、幻灯机、照相机等内容的基础.本章的核心内容是光的传播及应用，重要模型是光路模型.凸透镜成像的本质是光的折射，成像规律遵循光的折射规律，教师在实验中引导学生从观察凸透镜成像的现象中进一步总结规律，再通过画光路图验证规律，最后将实际光路显示出来，让学生直接观察光的传播规律，增强学生对“凸透镜成像原理”的直观认识，进一步理解凸透镜成像的原理，加深学生对光路模型的认识、对几何光学的了解，体会物理学现象与规律的一致性.
1.2 实验教学价值分析
学生实验：选择光源F，可清楚显示像的左右、正倒立情况，便于学生总结成像放大或缩小、正立或倒立的情况.选择激光测距仪（如图1所示），便于直接读出像距，使探究过程中的非必要时间缩短，提高数据收集效率，尤其是当实像像距较大，超出光具座范围时，测距仪方便测量，为学生分析论证提供较丰富的数据支持.设计有白色小格的光屏，可直接读出实像高度，根据像高和物体大小进行对比，更加精准地找到成像是否放大、缩小或者等大.
演示器材：如图2所示，演示光源——可变光源F，可同时发射两束非平行光，照亮一点，变成点光源.通过观察这一光点成像情况，与物体成像建立联系，进一步验证成像规律.演示光路，空中可见光路，学生能够更直观看到光的路径，比理论画图分析原理更易理解.再对“凸透镜成像规律”进行理论分析过程中加入实验，学生再次观察成像特点，教师演示光源F的某一点，通过这一点发出特殊光线，再观察点光源的像，直观演示原理光路，便于学生理解成像规律，理解成像原理.
（1）可移动且可变光源箱F.
（2）光路显示区，底部可由超声波制造水雾.
（3）两个可更换的焦距不同的凸透镜.
（4）可移动光屏，用于接收实像.
2 创新点
该教具在画光路图验证规律的基础上，增加了实际光路的演示，学生进一步体会物距对成像情况的影响，加深学生对凸透镜成像规律的理解.当物距大于1倍焦距小于2倍焦距时，观察到成实像，像距大于物距，通过测量可知像距范围，如图3所示;将物距变大，观察到实像“变近”，实像像距变小，如图4所示.此器材将成像原理直观显示.
3 演示器材使用
3.1 演示凸透镜成像规律
第一步：组装器材，将光源F、凸透镜（焦距为10cm）、光屏中心调整至同一高度.
第二步：将光源放在距离凸透镜30cm处，移动光屏找到实像，并观察记录成像情况.
第三步：将光源放在距离凸透镜20cm处，移动光屏找到实像，并观察记录成像情况.
第四步：将光源放在距离凸透镜15cm处，移动光屏找到实像，并观察记录成像情况.
第五步：将光源放在距离凸透镜5cm处，从光屏一侧透过凸透镜观察像，并观察记录成像情况.
第六步：结合学生分组实验，初步总结凸透镜成像规律.
3.2 验证凸透镜成像的光学原理
第一步：将光源F放在距离凸透镜15cm处，演示红色光源F成倒立放大实像的情况，如图5所示.
第二步：将F看成点光源，画出此时的光路图，如图6所示.
第三步：关闭光源F红光，在光源F上任选一点，让两条不平行的光线经过这一点，通过凸透镜成像，调整凸透镜的高度，使这两条光线一条经过凸透镜的光心，一条平行于主光轴，打开水雾器，观察实际光路，如图7所示.
第四步：将光源放在距离凸透镜20cm以外，移动光屏找到光线焦点，让焦点显示在光屏上，如图8所示.
第五步：将光源放在距离凸透镜10cm以内，观察光路.
3.3 实验设计意义
直观现象让学生对凸透镜成像规律形成深刻的认识，此时回归物理本质，先通过画特殊光线的方法，从几何光学角度验证结论，这时有的学生存在质疑，画的光线真的是光实际的路径吗？为此笔者再用自制器材在光源F的一点发出两条特殊光线，让学生观察光路，让学生直接观察到光路模型，解决困惑.通过演示光路，增强学生对“凸透镜成像规律原理”的直观认识，进一步理解规律，加深对“成实像时，物距变大，像距变小，像变小”的认识，也再次认识到实像是由实际光线会聚而成，领略科学现象与物理本质的统一美.
4 教学反思
演示光路的器材尺寸过大，可适当缩小;水雾的光路由于“水汽”的运动，光路某些部分有些“动荡”不太完美.如果能在物体的上、下、左三个位置分别找到两个特殊点，进行光路的演示，更能直观地观察到凸透镜成像的规律.在实验过程中，学生在探究像正、倒立情况时，如换成比较小的箭头光源，将有助于学生判断像的正、倒立情况.
参考文献：
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[4]孙武.探究凸透镜成像规律常见问题[J].农村青少年科学探究，2021（Z1）：42-43.
[5]沈建东.“学习进阶”理论视域下的科学探究——以“探究凸透镜成像规律”为例[J].中学物理，2020（20）：38-40.
（收稿日期：2021-07-08）
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