对初中物理凸透镜成像实验的观察角度分析

对初中物理凸透镜成像实验的观察角度分析

王喜平

广东省华南师范大学中山附属中学 广东省中山市

初中物理凸透镜成像实验一节内容中，大部分教材中用到的是蜡烛、凸透镜、不透明光屏。完成某次实验如图1所示，此时所成的像是倒立的实像。并且老师还会告诉同学们，倒立的准确理解应该是：上下颠倒，同时左右也颠倒。我们对照着实验也没有任何疑惑，也容易理解。

近几年，有些教师把上面的实验加以改进并进行了推广，改进后的实验教具是：利用发光二极管拼成一个字母“F”作为光源，光屏仍然是不透明的，如图2所示。改进后的实验具有许多优点，会使得同学们顺利地完成这个实验。在完成凸透镜成实像时，更加清晰的观察到倒立的实像。老师对倒立的解释依然是：上下颠倒，同时左右也颠倒。此时，细心的同学就会发现，自己所做的实验与老师讲解的有些不同，同学们看到光源上是正立的 “F”字样，看到光屏上只是上下颠倒的“F”(如图3所示)，但是按照老师的讲解，应该是上下左右都颠倒的“F” (如图4所示)。有些老师就会详细的给同学们解释原因，而有一部分老师就会敷衍同学们，不作解释，直接告诉学生答案是什么，死记硬背下来。

在这里,笔者针对大家的质疑进行深入的探讨。当我们用蜡烛做实验时，就不知道左右是否颠倒，老师说是上下左右都颠倒的，同学们就认同了(因为有质疑，也没有办法验证)。但是在改进后的仪器下完成实验，光源是“F”字样，光屏上的像是什么样子，大家都看的清清楚楚，这是不可以随意更改的事实。理论上应该上下左右都颠倒的实像，但看到的不是上下左右都颠倒的实像，哪里一定出了问题。这个问题在于：我们设计的实验，存在缺陷。因为我们使用的教材中(包括国外的教材)，在完成凸透镜成像实验时，用的都是蜡烛和不透明的光屏，假如我们在光具座上从左向右摆放蜡烛、凸透镜和光屏，当我们观察物体(蜡烛)时，是要把自己的眼睛转向左侧观察，观察所成的像时，却要把眼睛转向右侧观察。那么问题就在这里了，实验者在观察物体和像时，所观察的角度不一样必然带来不一样的结果，甚至是错误的结果。如果实验者在观察物体和像时，所站立和观察的角度保持不变，那么透镜成像就一定是上下左右都颠倒的。所以笔者认为，我们现在使用的教材上的这个实验最好改为半透明光屏，实验者在完成这个实验时，最好站立在光屏后方，从右侧的同一个位置，同一个角度观测物体和所成的像。由于站立的位置和观察角度是不变的，所有的疑惑都不复存在。

在这里，笔者也有改进这个实验。那就是把光源设计为16个发光二极管组成的正方形，每4个发光二极管组成一个小组，由一个开关控制，即4个开关控制4组发光二极管，如图5所示。光屏设计为半透明毛玻璃板，并在毛玻璃板中心位置处提前作好一个与光源大小一致的隐性正方形。

在完成凸透镜成像实验时，将光源、凸透镜和半透明光屏依次从左向右在光具座上摆放好，调整好光源、凸透镜和光屏的位置。实验者站立在光屏右侧，从右向左同位置同角度观察物和像，用开关随意控制四组发光二极管，可以让右上角的一组不发光，观察所成的像是什么位置不发光(可以清晰观察到是左下角不发光)。 那么可以顺利得到结论：凸透镜成像是上下左右都颠倒的。对于像是放大或是缩小，参考光屏上的隐性正方形即可分辨。这样完成凸透镜成像实验就会更加顺利，所有问题就迎刃而解了。

或者把光源设计为一个由13个发光二极管组成的正方形图形，12个发光二极管组成的正方形外环，中心有一个单独发光二极管，外环每3个发光二极管为一组(也可以用四种颜色的发光二极管，每一组为一种颜色)，由一个开关控制，中心单独二极管由一个开关控制，如图6所示。中心单独二极管为定位光源，使用方法是，先把凸透镜固定在适当的位置和高度，再大致固定发光物体的高度，打开定位光源开关，调整光源、凸透镜、光屏高度，当定位光源的亮斑出现在光屏正中央时，三者高度一致，关闭定位光源。打开其他几组发光二极管完成实验。

教具制作方法：改进后的光源利用不同颜色的发光二极管排列组合成的点阵来进行凸透镜成像演示。光源采用的是高亮发光二极管，通过四种颜色排列组合，同时每组光源可以独立控制，以达到实验目的。同时里面采用的是大容量的锂电池结构设计和与手机充电器相匹配的充电模块，可以有效的提升续航时间和实验效果，同时可充电电池设计也达到了环保的目的，并且延长了教具的使用寿命。外壳采用的是木质结构，成本低廉方便制，底座采用的是与传统的透镜成像实验一样的底座，与传统光学教具兼容性好。

用途及功能：改进后的实验装置，可以更快更方便的完成实验，同时具有以下优点：

1、光屏改用半透明的，方便在同一位置同一方向同一角度观察物体和像。

2、光屏上有物体大小的图形烫印，方便比较像与物的大小关系。

3、发光物体中心有定位光源，方便确定物体、凸透镜、光屏中心在同一高度。

4、发光物体为四种颜色，方便比较物像的上下左右关系。也可以关闭其中的某一组光源，对比物像的上下左右关系。

5、只让发光物体下部发光，可以说明当物体偏低时，像的的位置如何变化。

6、从物体的发光颜色顺时针排列顺序，方便知道像的颜色排列顺序是否发生变化。

7、改用现在通用的手机充电插口及高容量储电电池，充电方便，器材使用寿命延长。

8、发光物体可以作为小孔成像的光源，方便对比物像之间的上下左右关系(如图7所示)。

使用方法：配合普通的光具座和凸透镜一起使用，先在光具座上从左到右安放好发光物体，凸透镜及光屏(位置和高度暂不用固定)。

1、确定物体、凸透镜、光屏中心在同一高度。先把凸透镜固定在适当的位置和高度，再大致固定发光物体的高度，打开定位光源开关，调整光屏高度，使得定位光源的像点出现在光屏正中央。关闭点位光源。

2、完成的实验过程中，观察者必须站在光屏后方，即在同一位置和同一角度观察物体和像。

3、调整发光物体至凸透镜之间的距离，依次完成书本上的实验。物体所成的像与光屏上的烫印做对比即可知道所成像与物体之间的大小关系。

4、随意关闭或是打开发光物体发光的位置，观察所成像的变化，准确理解凸透镜所成的像是倒立的，及上下颠倒且左右颠倒。

5、关闭发光物体上部光源，只让下部光源发光，观察像的位置变化，即可理解物体降低（蜡烛变短）时，像如何变化。

6、观察发光物体颜色的顺时针排列顺序，再观察像的颜色顺时针排列顺序。即可知道物体动态变化时，像的动态变化。

在实际生活中，我们会在很多地方使用到凸透镜的，比如书本上列举的照相机，投影仪，放大镜，望远镜，显微镜，都是在同一个角度观察物体和像，然后比较像与物的形状关系(小孔成像也是同一个角度观察物体和像)。如果不是在同一位置观察物体和像，都是相对比较专业化的研究者，在使用凸透镜时，研究者预先已经知道像的形状发生了怎么样的变化。而作为初学者的初中学生，是应该让初学者站立在同一个角度完成实验，才可以正确理解凸透镜成像规律。

最后，笔者还是建议把书本上的不透明光屏改为半透明光屏更好，把光源改为左右和上下均不对称的光源。改进后的优点是，一.不透明光屏上看到的像，为什么只是上下颠倒而没有左右颠倒，就能够顺利解释。二.让所有的老师和学生能够站立在一个正确的角度研究物理问题，减少歧义。