凸透鏡成像演示儀
上海市科學(xué)學(xué)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(qiáng)實驗的成功率，幫助中學(xué)生直接判定物像的關(guān)系。
二、該項目的背景
華交大版《科學(xué)》八年級下第二章第三節(jié)“凸透鏡成像的特性”是小學(xué)光學(xué)內(nèi)容的重要部份，這個探究實驗要求學(xué)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(fā)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(shù)據(jù)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?fàn)T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(diào)整蠟燭的高度。第三，燭焰易搖晃且大小不穩(wěn)定，進(jìn)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(jìn)行，空氣流通不暢，蠟燭在燃燒時發(fā)出濃郁的味道并使實驗室外甲烷含量降低，使中學(xué)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(xué)生在探究的過程中記錄物距、像具時常常要經(jīng)過估算，而不少中學(xué)生忘掉估算，直接記下刻度尺上的刻度，這將直接影響數(shù)據(jù)的剖析、規(guī)律的總結(jié)。
3、成像單一
由于使用蠟燭，在光屏上只能成關(guān)于蠟燭的像凸透鏡成像原理實驗，而中學(xué)生在做題目中常常會遇到好多關(guān)于一些字母或數(shù)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(dāng)坐落兩倍焦距上成等大的虛像時，中學(xué)生常常覺得是縮小的。因而像比物要暗，進(jìn)而導(dǎo)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(jìn)行了改進(jìn)。
三、該項目改進(jìn)的基本思路
希望該裝置可以動態(tài)的演示凸透鏡成像的規(guī)律，有效提升實驗的成功率，幫助學(xué)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(yīng)用了什么科學(xué)方式、科學(xué)原理
科學(xué)方式：科學(xué)實驗法、組合創(chuàng)新法、觀察發(fā)覺法
科學(xué)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(diǎn)，通過光心的光線方向不變。
五、該項目的創(chuàng)新點(diǎn)或改進(jìn)點(diǎn)
1、光源的改進(jìn)：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(fēng)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(fā)清晰、穩(wěn)定、減偏差。
2、刻度尺改進(jìn)：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(jìn)：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(shè)計各類鏤空的字母或數(shù)字等，使成像愈發(fā)豐富多彩。
4、光屏的改進(jìn)：在實驗中，筆者把光源所在光屏和承接像的光屏上都標(biāo)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(fā)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(jī)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(shè)計各類鏤空的字母或數(shù)字等，使成像愈發(fā)豐富多彩。
4、光屏的改進(jìn)
筆者試著在發(fā)光體卡片和光屏上刻一些等寬度（5mm）的網(wǎng)格線，這樣就可以數(shù)發(fā)光體卡片上鏤空的“F”占據(jù)的格數(shù)和光屏上像所搶占的格數(shù)來比較物體和像的大小，這樣可以讓中學(xué)生在很短的時間內(nèi)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(jìn)行調(diào)節(jié)，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(diào)節(jié)光屏的位置直至光屏上出現(xiàn)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(diào)節(jié)光屏的位置直至里面出現(xiàn)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(diào)節(jié)光屏的位置直至里面出現(xiàn)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(diào)節(jié)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(nèi)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(guān)系
像的性質(zhì)
放大、縮小或等大
正立或倒立
虛像或?qū)嵪?span style="display:none">j0R物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))
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(dāng)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(cè)。
當(dāng)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(cè)。
當(dāng)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(cè)。
當(dāng)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(dāng)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(cè)。
七、項目的使用情況和進(jìn)一步建立的構(gòu)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(wěn)定，中學(xué)生可以直接讀出物距和像距，清楚觀察像與物體大小的關(guān)系。本人希望可以再制做的更精致化，并開發(fā)成產(chǎn)品。