凸透鏡成像演示儀
上海市科學學校馮華榮
一、項目摘要
借助手探照燈和刻有各類字母的白色彩紙做光源，通過凸透鏡后成像在有刻度的光屏上，增強實驗的成功率，幫助中學生直接判定物像的關系。
二、該項目的背景
華交大版《科學》八年級下第二章第三節“凸透鏡成像的特性”是小學光學內容的重要部份，這個探究實驗要求學生理解物體通過凸透鏡成像的特征是：“虛、實、正、倒、放大、縮小”等，多年來實驗室里借助蠟燭、光距座、凸透鏡、光屏來研究凸透鏡成像的特性。
在實驗探究過程中，發覺有以下不足：
1、光源不足
第一，因為燭焰自身沿透鏡主軸方向有一定的長度，測定的物距不是惟一的，這會給確定像的位置帶來困難，因而促使檢測數據偏差較大．第二，因為蠟燭在燃燒的過程中不斷變短，因而燃燒一段時間后就不能使燭焰中心、凸透鏡光心和光屏中心在同一高度上，因而在光屏上找不到像的位置時就必須重新調整蠟燭的高度。第三，燭焰易搖晃且大小不穩定，進而對光屏上像的清晰度形成影響而不便觀察。第四，因為此實驗要在的暗室中進行，空氣流通不暢，蠟燭在燃燒時發出濃郁的味道并使實驗室外甲烷含量降低，使中學生覺得不適。第五，在實驗過程中蠟燭不易固定，假若不慎還容易造成起火，存在安全隱患。第六，使用蠟燭所成的像
2、刻度尺不足
常見光具座上的刻度尺，通常是從左向右依次變大。中學生在探究的過程中記錄物距、像具時常常要經過估算，而不少中學生忘掉估算，直接記下刻度尺上的刻度，這將直接影響數據的剖析、規律的總結。
3、成像單一
由于使用蠟燭，在光屏上只能成關于蠟燭的像凸透鏡成像原理實驗，而中學生在做題目中常常會遇到好多關于一些字母或數字成像的特性。
4、光屏的不足
往年光屏上成像的大小是用目測，倘若成放大或縮小的虛像可以分辨下來。但當坐落兩倍焦距上成等大的虛像時，中學生常常覺得是縮小的。因而像比物要暗，進而導致變小的錯覺，這些情況下靠目測的方式將得不出正確的推論。
基于以上緣由，筆者對該實驗進行了改進。
三、該項目改進的基本思路
希望該裝置可以動態的演示凸透鏡成像的規律，有效提升實驗的成功率，幫助學生理解實物和像之間是“上、下、左、右‘完全’顛倒”的實況。
四、該項目應用了什么科學方式、科學原理
科學方式：科學實驗法、組合創新法、觀察發覺法
科學原理：凸透鏡主要對光線起會聚作用，平行主光軸的光線凝聚在焦點，通過光心的光線方向不變。
五、該項目的創新點或改進點
1、光源的改進：改用手探照燈和刻有各類字母的白色彩紙做光源。該光源不會受風的影響而搖晃、改大小，因此避開了因為蠟燭燃燒變短、燭焰搖動等誘因給實驗帶來的不利影響，使光屏上所成的像愈發清晰、穩定、減偏差。
2、刻度尺改進：把光具上的刻度尺改成零刻度在中央。這樣，只要把凸透鏡固定到零刻度，這么就可以直接讀出物距和像距。
3、成像單一改進：本裝置在手探照燈的前方做了一個正圓形中間開孔的卡槽，這樣就通過設計各類鏤空的字母或數字等，使成像愈發豐富多彩。
4、光屏的改進：在實驗中，筆者把光源所在光屏和承接像的光屏上都標明等寬度的刻度，便捷觀察、比較和記錄成像大小，確保實驗的確切性。
六、該項目的研究過程
（1）制做過程
1、光源的制做
筆者采用在鋁塑板卡片上刻有上字母，如“F”（50px×25px），裝入到卡槽中，再用自制的光源對著字母“F”照，這樣就組成了一個簡單的“F”型發光體。
2、刻度尺制做
直接用激光精雕一把0刻度在中央的有機玻璃尺子，往左依次降低到，向右依次降低到。
3、成像單一
本裝置在手探照燈的前方做了一個正圓形中間開孔的卡槽，這樣就通過設計各類鏤空的字母或數字等，使成像愈發豐富多彩。
4、光屏的改進
筆者試著在發光體卡片和光屏上刻一些等寬度（5mm）的網格線，這樣就可以數發光體卡片上鏤空的“F”占據的格數和光屏上像所搶占的格數來比較物體和像的大小，這樣可以讓中學生在很短的時間內找到等大的像。
（2）實驗過程：
1．將光源、凸透鏡和光屏按要求放置在光距座上，并進行調節，打算實驗。
2．將光源移至凸透鏡2倍焦距以外的某一位置，調節光屏的位置直至光屏上出現清晰的像，觀察并在表中記錄下像的情況。
3．將光源移至距凸透鏡2倍焦距處，調節光屏的位置直至里面出現清晰的像，觀察并在表中記錄下像的情況。
4．將蠟燭移至距凸透鏡1倍焦距和2倍焦距之間的某一位置，調節光屏的位置直至里面出現清晰的燭焰像，觀察并在表中記錄下像的情況。
5．將蠟燭移至距凸透鏡1倍焦距處，調節光屏的位置，觀察并在表中記錄下像的情況。
6．將蠟燭移至距凸透鏡焦距以內的某一位置，觀察并在表中記錄下像的情況。
7．實驗完成后熄滅蠟燭并整理儀器。
實驗中所使用的凸透鏡的焦距是f=250px
實驗序號
物距
u/cm
像距
v/cm
物距與像距的關系
像的性質
放大、縮小或等大
正立或倒立
虛像或實像
30
15
U>v
縮小
倒立
虛像
25
16.8
U>v
縮小
倒立
虛像
20
20
U=v
等大
倒立
虛像
18
22.5
U
放大
倒立
虛像
14
35
U
放大
倒立
虛像
10
放大
正立
實像
放大
正立
實像
實驗推論：
當物距小于2倍焦距時，則像距在1倍焦距和2倍焦距之間，成倒立、縮小的虛像。此時像距大于物距，像比物小，物像異側。
當物距等于2倍焦距時，則像距也等于2倍焦距，成倒立、等大的虛像。此時像距等于物距，像與物等大，物像異側。
當物距在1倍焦距和2倍焦距之間時，則像距小于2倍焦距，成倒立、放大的虛像。此時像距小于物距，像比物大，物像異側。
當物距等于1倍焦距時，則不成像凸透鏡成像原理實驗，成平行光射出。
當物距大于1倍焦距時，則成正立、放大的實像。此時像距小于物距，像比物大，物像同側。
七、項目的使用情況和進一步建立的構想
該作品制做完成后，在班級上課使用后，療效特別好，光源十分穩定，中學生可以直接讀出物距和像距，清楚觀察像與物體大小的關系。本人希望可以再制做的更精致化，并開發成產品。