漫话“透镜对光的作用”实验，本文主要内容关键词为：透镜论文,作用论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
由于“物理学是由实验和理论两部分组成”的，所以新课标把“科学探究”和“科学内容”并列为两大“内容标准”。新课标对“透镜及其应用”的教学，既规定了“内容标准”（如“认识凸透镜的会聚作用和凹透镜的发散作用”等），又举出了“样例”（新课标明确指出：“样例是对标准进一步的解释和拓展”，如“了解凸透镜的应用”等），还提示了“活动建议”（如“用两个焦距不同的凸透镜制作望远镜”等）。为了落实“新课标”提出的“科学探究是物理课程的重要内容，它应贯穿于物理教学的各个环节”的“实施建议”，研究“透镜”一节的实验设计是很有意义的。现笔者借贵刊一角简述如下浅见，期望与同行们进行交流与探讨。
一、自制实验器材
现介绍不使用暗室条件、光路清晰、调试方便和价格低廉的自制的“白昼低压平行光源”（分为“单束平行光源”和“三束平行光源”）。该光源除阳光直射外（此时只要用书本遮挡一下阳光即可），也能在普通照明灯下进行实验，教学效果甚好。在联合国教科文亚太地区局召开的“低成本科技教育专家工作会议”上，该仪器是我们交流展出的5种自制教具之一，均得到很高评价，其样品已保存在Unesco地区局，并通过了科技成果技术鉴定。
1.材料
(1)选用玻璃泡厚薄均匀、折射现象很不明显、正视时灯丝清晰且呈直线状的普通2.5～6.2 V小电珠（我们常用“6.2V 0.5A”的小电珠）作为“线光源”。
(2)将瓶壁薄而均匀、无色透明的玻璃小药瓶（高约50mm、外径约22mm）经过严格消毒和冲洗干净后，装满室温下的清水（用注射针头刚刚扎透胶盖凹窝，盖紧胶盖，使瓶里多余的水和胶盖凹窝里的空气均从针管里排出后，再用手指摁住胶盖并拔掉针头，尽量使瓶里不要残留小气泡），便成了“柱形水透镜”，在空气里它对光的作用跟玻璃凸透镜十分相似：用它直立放置会聚小电珠发出的光，经过调试能得到三条平行的光束，供“镜面反射”“漫反射”“球面镜对光的作用”“透镜对光的作用”以及“白光的色散与合成”等多个学生实验使用，教学效果甚佳。
(3)用铁皮盒制作光源的外壳和小灯座。
2.制作
(1)将剪开、展平和洗刷干净的铁盒皮的里表面朝上，把它的右下角（借助大三角尺画线）沿线先剪出2个直角边，并以此边为标准，然后按下面给出的数据，使用卡尺依据如图1所示不成比例的三束光源外壳示意图画线：从右到左各条竖线之间的间距顺次为：40,12,12,1.5,4,1.5,4,1.5,12,12和40mm；从下到上各条横线之间的间距顺次为：7.30和10mm。剪完外壳和画斜线部分后，参看图2所示：用扁嘴钳子将上下两处a和c均向盒内围成直角，并用木方敲打直角处，以使成型、规则。其中，两处c是小灯座的左右压片，它们跟壳壁之间的夹角约60°；将口服液小玻璃瓶平放压在三条狭缝上，然后分别抬高两边外壳，再用宽约20mm、高约27mm、长约50mm的小方木撑在外壳里面整形后如图2所示：先焊牢两片a的叠压缝，再把外壳两侧b部分焊接在展平的长约7.5cm、宽约3.8cm（注：这种规格主要是为了充分地利用“露露”之类的铁皮盒）的铁质饮料盒剪成的底板上，并剪圆底板的4个角。
图1 实验示意图
图2 实验示意图
图3 实验示意图
自制灯座如图3所示：先依据图中给出的数据，在展平的饮料盒铁皮上画线，剪掉图中画斜线的2个上角后，用扁嘴钳子围成如图4所示的底座。如图5所示：剪一条无油漆的长约60 mm、宽约8 mm的铁片d，在中间部位纵向扎出3个间距为1.8 mm的孔，有扎孔凸出（可当作“螺纹”）的一面包在小灯泡尾部的金属螺旋上，用扁嘴钳子轻夹后焊在如图4所示的底座两片a之间。用废自行车内胎剪一条长约35mm、宽约8mm的胶皮e，左手拇指压住e的一端，右手两指扯紧e的另一端，在灯座中间部位缠绕一周半，e的外侧再包紧一层长约40 mm、宽约5mm的窄铁片f，经过钳子扯紧后再焊牢接头，并在窄铁片f上焊牢一根软塑料导线g。在胶皮e和窄铁片f之间，焊牢一条有弹性的薄铜片h（可从废旧电器上拆除），最后把灯座尾部两片a撑开，在内侧焊牢另一根软塑导线k后，再把两片a合拢、夹住两根导线即可。
图4 实验示意图
图5 实验示意图
3.调试
使用前，务必使小电珠的灯丝均跟灯座底板垂直。通电后需用手指掰弯灯座，使光束与外壳能在一条直线上；然后向前或向后移动小灯座，能使每条光束发散或会聚；向左或向右微摆小灯座，能调节3条光束之间的间距，这样就能调节出符合实验要求的3条平行光束来。
二、引导学生探究
1.探究“凸透镜对光的作用”
教师先使用玻璃凸透镜做演示（由于它的焦距较长，故在空气里它对光虽然有会聚作用，但“焦点”不能清楚地显示出来）后指出：我们只使用这个玻璃凸透镜的中间部位来会聚光，它的两侧部分并没有利用。在使用柱形水透镜时，要想象这个水透镜的两侧很长很长，类似“薄透镜”，我们实验时也只是使用它的中间部位来会聚光，而没有使用它的两侧。
(1)参看图6的中间位置的柱形水透镜，立放在3条平行光束的中间部位，可显示“跟主光轴平行的入射光线，经过水（或玻璃，下同）凸透镜会聚后，在空气里的折射光线将会通过凸透镜的另一侧焦点”。
图6 凸透镜对光的作用
(2)把图6中2个水透镜之间过焦点的3条发散光束，看作是放在焦点上的点光源发出的3条光束，把图6中右侧的柱形水透镜立放在这3条发散的光束上，经过左右移动后，又能获得图6右侧所示的3条平行光束，从而得出“从焦点射向玻璃凸透镜的入射光线，经过移动后的凸透镜会聚，在空气里的折射光线能平行凸透镜的另一侧主光轴”的结论。
(3)把“3束平行光源”调节成3条发散光束，把一个柱形水透镜立放在靠近光源外壳的3条发散光束上，结果3条发散光束的传播方向虽然有所“收拢”，但是它们既不相互平行又没有相交。教师指出：玻璃凸透镜在空气里对光虽有会聚作用，但并不意味通过凸透镜的所有光线均能平行地射出或均能会聚于一点。会聚作用的确切含义是：光束经过凸透镜折射后的传播方向都向主光轴方向偏折。教师画出凸透镜可以看做是由2个三棱镜和一个方形玻璃块构成的图示，再画出通过它的光线径迹后指出：“用传播光速小的介质材料制作的凸透镜，只有把它置于传播光速大的介质里时，它对光才有会聚作用；反之，它对光则有发散作用。”
(4)把一个空的玻璃小药瓶，立放在使用小型继电器的透明方形塑料外壳装水的容器里，用“三束平行光源”可以显示空气柱形透镜浸没在水中时，它对光就有发散作用。可以把一个空的玻璃小药瓶，立放在装水的方形容器里，玻璃小药瓶就能把方形容器里的水分隔成“两个水凹透镜”，水凹透镜在空气里对光就有发散作用。
以上就是“凸透镜对光有会聚作用”的确切含义和条件。
2.探究“凹透镜对光的作用”
(1)如图7所示，把2个柱形水透镜并列地立放在3条平行光束上（注：要让中间一条光束从2个立放小瓶之间通过，否则因为会发生“全反射”而看不到它的折射光线）。让2个柱形水透镜之间的内侧对光产生作用，可以代替玻璃凹透镜，从而得出“玻璃（或水，下同）制成的凹透镜，在空气里对光是有发散作用的”结论。
图7 凹透镜对光的作用
(2)把“三束平行光源”调节成3条会聚光束，仿照前一个实验的做法，把2个柱形水透镜并列地立放在3条会聚的光束上，使3条会聚光束能在远离光源处再次相交，进而指出：凹透镜对光虽有发散作用，但并不意味3条光束不能相交。玻璃制成的凹透镜在空气里对光的发散作用，实质就是通过凹透镜的光束将会向远离主光轴方向偏折。
关于凹透镜对光有发散作用的条件，跟凸透镜对光的作用相同，这里不再赘述。
三、修改教材建议
我们决不赞成“不说前提条件、只讲实验结果”的“凸透镜对光有会聚作用”和“凹透镜对光有发散作用”的传统表述。事实上“透镜对光的作用”，是由“透镜的种类”“制作透镜的材料”和“透镜置于哪种介质里”“3个要素”决定的，如果只让学生死记“凸透镜对光有会聚作用”的实验结论而忽视另外2个要素，学生就会误解“水中的空气凸透镜对光也有会聚作用”。在教学中，关于“透镜对光的作用”，我们反复强调：“玻璃和水制成的凸透镜，在空气里对光有会聚作用；玻璃和水制成的凹透镜，在空气里对光有发散作用。”
（此文为“实验探索教学法”课题组成果）
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