“自制透鏡組合教具”在教學(xué)中的應(yīng)用研究

王素云張 鵡黃樹(shù)清

（1.福建師范大學(xué)物理與能源學(xué)院，福建 福州 350108；2.晉江市僑聲中學(xué)，福建 晉江 362271）

1 問(wèn)題的提出

“透鏡及其應(yīng)用”是人教版8年級(jí)初中物理教材第5章的內(nèi)容.這一單元主要講述透鏡的初步知識(shí)和透鏡在日常生活中的應(yīng)用.透鏡是重要的光學(xué)儀器，本章內(nèi)容圍繞該核心知識(shí)展開(kāi)，通過(guò)對(duì)照相機(jī)、投影儀、放大鏡等常用光學(xué)儀器的學(xué)習(xí)，［1］讓學(xué)生能夠利用凸透鏡成像規(guī)律解決實(shí)際問(wèn)題，感受物理的魅力.對(duì)于第2節(jié)“生活中的透鏡”來(lái)說(shuō)，《標(biāo)準(zhǔn)》要求“了解凸透鏡成像規(guī)律的應(yīng)用.”［2］即要求學(xué)生了解凸透鏡在放大鏡、照相機(jī)、投影儀中的應(yīng)用.學(xué)生已經(jīng)獲得了凸透鏡的成像規(guī)律等知識(shí)，且掌握了凸透鏡的物、像移動(dòng)規(guī)律，具有一定的觀(guān)察和分析能力，但是對(duì)于凸透鏡成像規(guī)律的應(yīng)用還不是很熟練，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力還有待提高.為了使學(xué)生更好地理解本節(jié)課的內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新思維，我們自制了“透鏡組合教具”.通過(guò)一個(gè)核心元器件——凸透鏡的不斷變形、改裝，設(shè)計(jì)出3種不同的光學(xué)儀器，打破思維常規(guī)，將理論知識(shí)與實(shí)際相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)從物理走向生活的新課改理念.

2 儀器的設(shè)計(jì)與制作

2.1 準(zhǔn)備材料

凸透鏡（直徑11 cm）、大小不同的水管（大的直徑11 cm、小的直徑10 cm）、手電筒、平面鏡、鐵架臺(tái)、升降臺(tái)、半透明塑料薄膜、燈帶等.

2.2 制作過(guò)程

根據(jù)凸透鏡的成像規(guī)律原理擬定照相機(jī)、幻燈機(jī)、投影儀的基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖紙.按照設(shè)計(jì)的方案選取并準(zhǔn)備材料，在該過(guò)程中需不斷嘗試不同的材料以及規(guī)格.經(jīng)過(guò)多次選擇，我們發(fā)現(xiàn)水管遮光效果良好，容易構(gòu)造出暗室，且價(jià)格便宜易得，有不同內(nèi)徑尺寸，方便構(gòu)造內(nèi)外筒結(jié)構(gòu).

通過(guò)一個(gè)大圓筒和小圓筒制作照相機(jī)的暗筒模型，讓小圓筒恰好能夠放入到大圓筒中，直徑不能差距過(guò)大，導(dǎo)致小圓筒在里面不穩(wěn)定，也不能差距過(guò)于小，這樣不利于小圓筒取出.再尋找直徑大小、焦距合適的透鏡（放大鏡）并在大圓筒一端，在外圓筒上做出可以固定凸透鏡的凹槽.為了觀(guān)察成像的性質(zhì)，特別選擇一個(gè)V字形燈帶作為光源，并搭配一紅一綠兩種顏色，以便區(qū)分物與像的上下、左右結(jié)構(gòu).把大圓筒和小圓筒放置在升降臺(tái)上，通過(guò)高度的調(diào)整使像可以呈在光屏的中心，儀器裝置圖如圖1所示.

圖1 儀器裝置圖

完成照相機(jī)模型后，再利用原來(lái)的凸透鏡（放大鏡）和大圓筒，經(jīng)過(guò)變形和改裝，構(gòu)建幻燈機(jī)模型.在透明薄膜上畫(huà)一個(gè)紅色箭頭充當(dāng)幻燈機(jī)的物.若選取不透明的剪紙剪出的箭頭形狀來(lái)當(dāng)做物體，雖能說(shuō)明幻燈機(jī)將圖片放大，但成的像是黑白的.所以最好選取透明、有顏色的材料，或者直接用彩色筆在半透明薄膜上畫(huà)一個(gè)箭頭符號(hào)，這樣投出來(lái)的像給人舒適的視覺(jué)效果.

投影儀的改裝是基于幻燈機(jī)模型，原始的幻燈機(jī)和投影儀的區(qū)別就在于投影儀能夠在幻燈片上邊寫(xiě)邊放大.利用了投影儀的這個(gè)特點(diǎn)，只需要將水平放置的透鏡組合改成豎直放置即可完成變形.為了使物體不呈現(xiàn)在天花板，而是呈現(xiàn)在水平前方，可以增加一個(gè)45°的平面鏡，使像呈現(xiàn)在水平前方的屏幕.同時(shí)，為了保證有足夠強(qiáng)的光照射，還要在平臺(tái)下面裝一個(gè)強(qiáng)光源來(lái)照射被放大的物體.

3 具體教學(xué)中的儀器使用

3.1 照相機(jī)

3.1.1 照相機(jī)模型

為防止大圓筒滾動(dòng)，將大圓筒置于支架上，為方便調(diào)節(jié)照相機(jī)模型高度，將大圓筒和支架置于升降臺(tái)上，將凸透鏡固定在大圓筒的一端，將半透明薄膜代替膠片固定在小圓筒一端，使小圓筒套入大圓筒內(nèi)，并且能夠前后移動(dòng)，這樣就是一個(gè)簡(jiǎn)單的照相機(jī)模型，如圖2所示.將被照物體置于凸透鏡前方的兩倍焦距之外，物體的像就可以在膠片上呈現(xiàn)出來(lái).

圖2 照相機(jī)裝置圖

3.1.2 照相機(jī)模型在實(shí)際教學(xué)中的應(yīng)用

教師首先引導(dǎo)學(xué)生分析照相機(jī)的工作原理.由于照相機(jī)拍出來(lái)的像（照片）比實(shí)際物體小，可見(jiàn)照相機(jī)是利用了凸透鏡成縮小實(shí)像的規(guī)律設(shè)計(jì)的.當(dāng)物距在2倍焦距以外，就可以通過(guò)鏡頭在照相機(jī)內(nèi)成倒立縮小的實(shí)像，可用光屏來(lái)承接.實(shí)際的照相機(jī)為了記錄圖像，是用“膠片”來(lái)替代“光屏”.這樣膠片在受到光的照射后發(fā)生化學(xué)變化，物體的像就被記錄了下來(lái).由于膠片不能被曝光，需用一個(gè)暗盒保護(hù)，同時(shí)為了調(diào)節(jié)像的大小以及調(diào)節(jié)凸透鏡和膠片的位置，需要暗盒能夠自動(dòng)伸縮，也就是實(shí)現(xiàn)照相機(jī)的鏡頭可以收縮.教具的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)從模型建構(gòu)到成品照相機(jī)的轉(zhuǎn)變，讓學(xué)生對(duì)照相機(jī)的原理有深入的理解.

具體的操作方法如下：將遠(yuǎn)處豎立的光屏調(diào)整到合適的高度（中心大致與圓筒組合的中心在一條水平線(xiàn)），在桌子上架起底座，讓大小兩個(gè)空心圓筒可以穩(wěn)定地平放在其上.兩個(gè)大小不同的圓筒，大的圓筒遠(yuǎn)端可以固定一個(gè)放大鏡作為照相機(jī)的鏡頭，小的圓筒一端固定一層薄膜代替膠片，這樣就在現(xiàn)場(chǎng)組裝出了照相機(jī)模型.打開(kāi)燈帶，燈帶會(huì)顯現(xiàn)出紅綠兩條光帶組成的V字圖案，將燈帶作為物體，對(duì)燈帶進(jìn)行拍照，調(diào)節(jié)后在膠片上就可看到燈帶成的倒立縮小的實(shí)像.結(jié)合照相機(jī)基本構(gòu)造向?qū)W生展示照相機(jī)的成像原理，將已有知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合，加強(qiáng)物理走向生活的意識(shí).

3.2 幻燈機(jī)

3.2.1 幻燈機(jī)模型

要將照相機(jī)改裝成幻燈機(jī)，只要將照相機(jī)模型上的薄膜取出，換成要放大的幻燈片，再放進(jìn)去暗箱.但是因?yàn)榧^裝在暗箱里，光線(xiàn)太弱，還應(yīng)加一個(gè)強(qiáng)光源照射幻燈片，在屏幕上就能成放大的像了（屏幕要置于透鏡的兩倍焦距之外）.

3.2.2 幻燈機(jī)模型在實(shí)際教學(xué)中的應(yīng)用

在很多情況下，都需要把小物體放大，投射在光屏上，這就是常見(jiàn)的幻燈機(jī).由于幻燈機(jī)也是利用凸透鏡來(lái)成像的，于是教師引導(dǎo)學(xué)生分析能否通過(guò)對(duì)照相機(jī)模型改裝來(lái)實(shí)現(xiàn)？引導(dǎo)學(xué)生從照相機(jī)的光路圖尋找思路.由于光路具有可逆性，在原來(lái)的光路圖中，將光屏和物體的位置進(jìn)行對(duì)調(diào)，就能在光屏上得到倒立放大的實(shí)像.

將照相機(jī)模型上的光屏取下，換上帶箭頭的薄膜，但因?yàn)榘岛欣锕饩€(xiàn)太弱了，為了能夠在白屏上顯示出清晰的箭頭，應(yīng)該在薄膜處加一個(gè)射向白屏的光源.于是加了一個(gè)強(qiáng)光手電筒，從而得到清晰的放大的實(shí)像，這樣最原始的幻燈機(jī)模型就做出來(lái)了，如圖3所示.

圖3 幻燈機(jī)裝置圖

3.3 投影儀

3.3.1 投影儀模型

將幻燈機(jī)改裝成投影儀，只要將凸透鏡從大圓筒取出，再將其固定在大圓筒外部的上方，為了保證有足夠強(qiáng)的光照射幻燈片，還需在平臺(tái)下裝一個(gè)強(qiáng)光源，使平臺(tái)處于透鏡的一倍焦距和兩倍焦距之間.改裝后的裝置可以實(shí)現(xiàn)在幻燈片上邊寫(xiě)邊放大.為了使像成在前方的屏幕上，還需加一個(gè)與水平面成45°角的平面鏡來(lái)改變光路，裝置如圖4所示.

圖4 投影儀裝置圖

3.3.2 投影儀模型在實(shí)際教學(xué)中的應(yīng)用

要實(shí)現(xiàn)能夠邊寫(xiě)邊放大，教師引導(dǎo)學(xué)生分析：薄膜置于暗盒，并且豎立起來(lái)，不易于書(shū)寫(xiě).因此將固定有小圓筒的薄膜取出，豎直放置，構(gòu)成水平的書(shū)寫(xiě)臺(tái).凸透鏡就置于平臺(tái)的上方，將大圓筒豎直放置，取出凸透鏡，固定在其上方；同時(shí)為保證有足夠的光強(qiáng)，需在平臺(tái)下裝一個(gè)強(qiáng)光源.調(diào)節(jié)凸透鏡，使平臺(tái)位于其一倍到兩倍焦距之間，得到的清晰實(shí)像呈現(xiàn)在天花板上.像在天花板上，需抬頭才能看，教師啟發(fā)學(xué)生加設(shè)一個(gè)平面鏡來(lái)改變光路，最終使像呈現(xiàn)在水平前方.

通過(guò)對(duì)一種實(shí)驗(yàn)儀器的不斷組合調(diào)整，從照相機(jī)改裝到幻燈機(jī)，再到投影儀，設(shè)計(jì)出3種不同的光學(xué)儀器.學(xué)生逐步理解知識(shí)，深化應(yīng)用，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力得到顯著提高.

4 總結(jié)

凸透鏡的成像規(guī)律既是重點(diǎn)也是難點(diǎn)，學(xué)生由理論知識(shí)到實(shí)際應(yīng)用的能力還比較薄弱.本文利用自制教具進(jìn)行逐步的展示和變形，從最常用的照相機(jī)開(kāi)始分析，經(jīng)過(guò)不斷變形、改裝，設(shè)計(jì)出3種不同的光學(xué)儀器（照相機(jī)、幻燈機(jī)、投影儀）.整個(gè)教學(xué)過(guò)程緊密結(jié)合教具，層層深入，環(huán)環(huán)相扣，邏輯嚴(yán)謹(jǐn)清晰.學(xué)生在此過(guò)程中不斷加深對(duì)光學(xué)儀器原理的認(rèn)識(shí)，在教具設(shè)計(jì)的過(guò)程中體會(huì)遞進(jìn)、可逆、統(tǒng)一的物理思想，提升其思維能力.再者，自制教具取材簡(jiǎn)單方便，主要由直徑大小不同的水管和一個(gè)凸透鏡的變形、改裝而成，加強(qiáng)學(xué)生從身邊取材，制作物理教具的創(chuàng)新意識(shí).