關(guān)于作者
王西平，佛山市華辰實(shí)驗(yàn)小學(xué)數(shù)學(xué)班班主任、物理競賽教練，多次入選省級以上教學(xué)競賽獲獎(jiǎng)作品，榮獲“佛山市優(yōu)秀輔導(dǎo)老師”稱號。中山市”多次。 2021年榮獲浙江省高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)操作創(chuàng)新獎(jiǎng)技能大賽二等獎(jiǎng)。
一、選題背景
《凸透鏡成像定律》實(shí)驗(yàn)選自人民教育版高中數(shù)學(xué)八年級第二卷第五章第三節(jié)。
2、原創(chuàng)實(shí)驗(yàn)不足
蠟燭火焰不穩(wěn)定，色溫不夠
使用蠟燭火焰作為光源，色溫不夠； 蠟燭火焰變幻莫測，圖像不夠穩(wěn)定，不易比較圖像與物體的大小關(guān)系； 蠟燭在燃燒過程中會不斷縮短，形成的圖像可能會超出光幕的范圍。
蠟燭火焰的形狀無法精確探究成像部分的規(guī)律
蠟燭的火焰大致呈左右對稱的圖形。 當(dāng)光屏上接收到清晰的圖像時(shí)，可以判斷圖像相對于物體是否上下顛倒，但無法判斷左右是否顛倒。
光幕不透明，現(xiàn)象視角受到限制
由于光幕是不透明的，當(dāng)我們觀察凸透鏡形成的圖像時(shí)，我們只能觀察到光幕前面所形成的圖像。 整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，我們沒有依賴光幕，能夠完成一些實(shí)驗(yàn)規(guī)律的探索，但是我們此時(shí)無法確定圖像的虛擬現(xiàn)實(shí)，圖像的準(zhǔn)確位置，并且很難檢測圖像距離。 使用不透明光幕后，該現(xiàn)象的視角受到限制。
光具座無法連接或旋轉(zhuǎn)
由于光具座固定后不方便通訊或旋轉(zhuǎn)，在實(shí)驗(yàn)探索過程中，需要改變觀察位置才能完成實(shí)驗(yàn)，給實(shí)驗(yàn)帶來不便，也不方便教師演示和演示。解釋一下這個(gè)實(shí)驗(yàn)。
光具座無法直接讀取物距和像距
由于光具座的零刻度線不在中間位置，每次連接蠟燭或光幕后都必須估算出準(zhǔn)確的物距和像距，給實(shí)驗(yàn)過程增加了不必要的麻煩。
3、創(chuàng)新教具引進(jìn)
1.
創(chuàng)新設(shè)備
不對稱發(fā)光體（光源）、半透明光幕、旋轉(zhuǎn)支架、中間有零刻度線的光具座。
2.
實(shí)驗(yàn)設(shè)備改進(jìn)要點(diǎn)
(1)自制光源：光源上下左右發(fā)光位置可任意調(diào)整，保證光源不對稱。
(2)自制光幕：將光幕改為半透明有機(jī)玻璃板，保證在同一位置、同一角度觀察成像規(guī)則。 光屏上刻有與發(fā)光物體圖形一模一樣的水印，方便對比圖像與物體的尺寸關(guān)系。
(3)自制旋轉(zhuǎn)支架：底座可360°旋轉(zhuǎn)，使實(shí)驗(yàn)操作更加方便。
(4)自制光具座標(biāo)尺：零刻度線設(shè)置在標(biāo)尺中心，方便、直接讀取物距、像距。
4. 教學(xué)應(yīng)用
實(shí)驗(yàn)前
將發(fā)光體、凸透鏡和光幕安裝在光具座上，打開定位光源開關(guān)，適當(dāng)調(diào)節(jié)光幕高度，使定位光源的像點(diǎn)出現(xiàn)在光幕中央，關(guān)閉定位光源（也可以參考定位光源的位置，完成相應(yīng)實(shí)驗(yàn)規(guī)則的研究）。
實(shí)驗(yàn)流程
探索圖像和物體之間的位置關(guān)系
打開定位光源左上方的一組發(fā)光晶閘管（與定位光源的位置相比），在光屏前觀察到的現(xiàn)象是圖像位于定位光源的左下方。定位光源，在光幕后面觀察到的現(xiàn)象是圖像位于定位光源下方的右側(cè)。
推論一：凸透鏡成虛像時(shí)，像與物體的位置關(guān)系是上下、左、右、上下（必須在光幕后面觀察）。
探索雙光屏的作用
將凸鏡固定在光具座中心零刻度線的位置，與發(fā)光物體的位置適當(dāng)溝通，通過凸鏡直接觀察成像情況，無需使用光幕。 左圖是直接觀察發(fā)光物體的圖，下圖是通過凸透鏡觀察圖像的圖。 我們可以不依賴光幕來觀察成像情況。 光幕的使用只是為了確定圖像的位置（方便檢測圖像距離）和區(qū)分圖像的真實(shí)性。 但使用光幕后，視角無法改變。
推論2：為了正確完成探索性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)者最好站在光幕后面觀察成像規(guī)律。
探究3 u>2f時(shí)的成像規(guī)律
將凸透鏡固定在光具座中心零刻度線位置，適當(dāng)連接發(fā)光物體的位置，使物距滿足u>2f，固定發(fā)光物體的位置，連接發(fā)光物體的位置。再次調(diào)整光幕位置，直至光幕上出現(xiàn)清晰圖像，觀察并記錄成像特性。
推論3：當(dāng)u>2f時(shí)，凸透鏡形成倒立縮小的虛像，且2f>v>f。
探究u=2f時(shí)的成像規(guī)律
在前面實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，適當(dāng)連接發(fā)光物體的位置，使物距滿足u=2f，固定發(fā)光物體的位置，再次連接光幕的位置，直到在屏幕上出現(xiàn)清晰的圖像。光幕，觀察并記錄成像特性。
推論4：當(dāng)u=2f時(shí)，凸透鏡形成倒立的等大小虛像，v=2f。
探索5個(gè)f>u>f時(shí)的成像規(guī)律
在前面實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，適當(dāng)連接發(fā)光物體的位置，使物距滿足2f>u>f，并固定發(fā)光物體的位置，再次連接光幕的位置，直至清晰圖像出現(xiàn)在光屏上，觀察并記錄成像特性。
推論5：當(dāng)2f>u>f時(shí)，凸透鏡形成倒立的放大虛像，且v>2f。
探索6個(gè)u=f時(shí)的成像定律
在前面實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，將v與發(fā)光物體的位置適當(dāng)連接起來，使得物距滿足u=f，并且發(fā)光物體的位置固定，只需要定位光源打開電源，再次來回連接光幕的位置，觀察并記錄光幕。 現(xiàn)象，光屏上出現(xiàn)大小相等的方形光點(diǎn)。
推論6：當(dāng)u=f時(shí)，不成像，得到平行光。
探索七個(gè)你
在前期實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，適當(dāng)連接發(fā)光物體的位置，使物距滿足uLED燈通過凸透鏡觀察成像情況，方便比較像與像之間的尺寸關(guān)系物體。
推論七：當(dāng)你
探究八個(gè)物體連接時(shí)圖像的變化
當(dāng)物體在垂直于主光軸的平面內(nèi)按順時(shí)針方向通信時(shí)，即物體通信時(shí)顏色變化的順序?yàn)榧t、黃、綠、紫。 我們可以站在半透明光幕后面，通過半透明光幕觀察圖像的紅、黃、綠、紫順序也是順時(shí)針的（與不透明光幕觀察到的現(xiàn)象不同）。
推論8：當(dāng)物體在垂直于凸透鏡主光軸的平面內(nèi)順時(shí)針傳播時(shí)，圖像也順時(shí)針傳播。
實(shí)驗(yàn)推論
五、實(shí)驗(yàn)教學(xué)評價(jià)
01
操作方便，圖像清晰
在創(chuàng)新的實(shí)驗(yàn)設(shè)備中，光具座的零刻度線位于中間位置，可以直接讀取物距和像距。 光源采用高色溫發(fā)光晶閘管，每組光源可獨(dú)立控制，采用多種顏色排列組合，成像清晰，療效顯著。
02
內(nèi)容準(zhǔn)確、豐富
在創(chuàng)新的實(shí)驗(yàn)設(shè)備中，光源的圖案可以隨意調(diào)整。 光源可調(diào)節(jié)為點(diǎn)光源，可調(diào)節(jié)為上下左右不對稱圖案，也可調(diào)節(jié)為旋轉(zhuǎn)環(huán)形圖案，方便實(shí)驗(yàn)者獲得正確、直觀的實(shí)驗(yàn)結(jié)果推論。
03
廣闊且鼓舞人心
在創(chuàng)新的實(shí)驗(yàn)設(shè)備中，光源可以調(diào)節(jié)為上下、左右不對稱，并且光幕是半透明的。 實(shí)驗(yàn)者可以從不同角度觀察成像情況，便于發(fā)現(xiàn)蠟燭成像的惡果。 還可以引導(dǎo)中學(xué)生發(fā)揮主觀能動(dòng)性，借助日常學(xué)習(xí)和實(shí)踐中學(xué)到的知識積極創(chuàng)造、探索和發(fā)現(xiàn)，敢于提出問題，在理論和實(shí)踐上大膽創(chuàng)新。
6. 視頻顯示
專家點(diǎn)評
審稿人：朱曉青
學(xué)校數(shù)學(xué)班主任、中山市名牌班主任
東莞市教育教學(xué)研究室教學(xué)研究員
華東師范大學(xué)碩士生導(dǎo)師
化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的創(chuàng)新可以有三個(gè)思考方向：一是實(shí)驗(yàn)設(shè)備的創(chuàng)新。 對現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行改造升級，或開發(fā)新的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，克服現(xiàn)有設(shè)備的缺陷。 二是實(shí)驗(yàn)原理的創(chuàng)新。 借助新原理進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究凸透鏡的成像規(guī)律，實(shí)驗(yàn)精度更高，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更容易觀察，實(shí)驗(yàn)操作更簡單方便，實(shí)驗(yàn)設(shè)備更容易獲得，實(shí)驗(yàn)成本更低。 三是實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程的創(chuàng)新。 創(chuàng)新了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容、方法和實(shí)施流程，例如借助現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)設(shè)備開展更多實(shí)驗(yàn)。 設(shè)計(jì)和開發(fā)新的實(shí)驗(yàn)實(shí)際上就是創(chuàng)新探究凸透鏡的成像規(guī)律，而設(shè)計(jì)和開發(fā)新的實(shí)驗(yàn)實(shí)際上包括以上三個(gè)方面。
探究凸透鏡的成像特性是中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)內(nèi)容。 王西平老師的課至少有上述一到三項(xiàng)創(chuàng)新。 實(shí)驗(yàn)設(shè)備有五項(xiàng)創(chuàng)新。 一是改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)支架可以360°旋轉(zhuǎn)，方便中學(xué)生全方位觀察； 估計(jì)物距和像距； 三是將不透明光幕改為半透明，方便觀察同一位置、同一方向、同一角度的物體和圖像。 四是光屏上有與燙印的物體大小相同的圖形，方便比較圖像與物體大小的關(guān)系； 五是自制LED光源，有四組不同的顏色組合。 王西平老師在第三方面的創(chuàng)新主要有：借助該裝置，減少了很多實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，改進(jìn)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，使其更加有序、高效、準(zhǔn)確。 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理是本課的重點(diǎn)和難點(diǎn)。 如果簡單地告訴中學(xué)生“驗(yàn)證”u>2f, u=2f, f
結(jié)尾