凸透镜成像演示仪
上海市科学学校冯华荣
一、项目摘要
借助手探照灯和刻有各类字母的白色彩纸做光源，通过凸透镜后成像在有刻度的光屏上，增强实验的成功率，帮助中学生直接判定物像的关系。
二、该项目的背景
华交大版《科学》八年级下第二章第三节“凸透镜成像的特性”是小学光学内容的重要部份，这个探究实验要求学生理解物体通过凸透镜成像的特征是：“虚、实、正、倒、放大、缩小”等，多年来实验室里借助蜡烛、光距座、凸透镜、光屏来研究凸透镜成像的特性。
在实验探究过程中，发觉有以下不足：
1、光源不足
第一，因为烛焰自身沿透镜主轴方向有一定的长度，测定的物距不是惟一的，这会给确定像的位置带来困难，因而促使检测数据偏差较大．第二，因为蜡烛在燃烧的过程中不断变短，因而燃烧一段时间后就不能使烛焰中心、凸透镜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时就必须重新调整蜡烛的高度。第三，烛焰易摇晃且大小不稳定，进而对光屏上像的清晰度形成影响而不便观察。第四，因为此实验要在的暗室中进行，空气流通不畅，蜡烛在燃烧时发出浓郁的味道并使实验室外甲烷含量降低，使中学生觉得不适。第五，在实验过程中蜡烛不易固定，假若不慎还容易造成起火，存在安全隐患。第六，使用蜡烛所成的像
2、刻度尺不足
常见光具座上的刻度尺，通常是从左向右依次变大。中学生在探究的过程中记录物距、像具时常常要经过估算，而不少中学生忘掉估算，直接记下刻度尺上的刻度，这将直接影响数据的剖析、规律的总结。
3、成像单一
由于使用蜡烛，在光屏上只能成关于蜡烛的像凸透镜成像原理实验，而中学生在做题目中常常会遇到好多关于一些字母或数字成像的特性。
4、光屏的不足
往年光屏上成像的大小是用目测，倘若成放大或缩小的虚像可以分辨下来。但当坐落两倍焦距上成等大的虚像时，中学生常常觉得是缩小的。因而像比物要暗，进而导致变小的错觉，这些情况下靠目测的方式将得不出正确的推论。
基于以上缘由，笔者对该实验进行了改进。
三、该项目改进的基本思路
希望该装置可以动态的演示凸透镜成像的规律，有效提升实验的成功率，帮助学生理解实物和像之间是“上、下、左、右‘完全’颠倒”的实况。
四、该项目应用了什么科学方式、科学原理
科学方式：科学实验法、组合创新法、观察发觉法
科学原理：凸透镜主要对光线起会聚作用，平行主光轴的光线凝聚在焦点，通过光心的光线方向不变。
五、该项目的创新点或改进点
1、光源的改进：改用手探照灯和刻有各类字母的白色彩纸做光源。该光源不会受风的影响而摇晃、改大小，因此避开了因为蜡烛燃烧变短、烛焰摇动等诱因给实验带来的不利影响，使光屏上所成的像愈发清晰、稳定、减偏差。
2、刻度尺改进：把光具上的刻度尺改成零刻度在中央。这样，只要把凸透镜固定到零刻度，这么就可以直接读出物距和像距。
3、成像单一改进：本装置在手探照灯的前方做了一个正圆形中间开孔的卡槽，这样就通过设计各类镂空的字母或数字等，使成像愈发丰富多彩。
4、光屏的改进：在实验中，笔者把光源所在光屏和承接像的光屏上都标明等宽度的刻度，便捷观察、比较和记录成像大小，确保实验的确切性。
六、该项目的研究过程
（1）制做过程
1、光源的制做
笔者采用在铝塑板卡片上刻有上字母，如“F”（50px×25px），装入到卡槽中，再用自制的光源对着字母“F”照，这样就组成了一个简单的“F”型发光体。
2、刻度尺制做
直接用激光精雕一把0刻度在中央的有机玻璃尺子，往左依次降低到，向右依次降低到。
3、成像单一
本装置在手探照灯的前方做了一个正圆形中间开孔的卡槽，这样就通过设计各类镂空的字母或数字等，使成像愈发丰富多彩。
4、光屏的改进
笔者试着在发光体卡片和光屏上刻一些等宽度（5mm）的网格线，这样就可以数发光体卡片上镂空的“F”占据的格数和光屏上像所抢占的格数来比较物体和像的大小，这样可以让中学生在很短的时间内找到等大的像。
（2）实验过程：
1．将光源、凸透镜和光屏按要求放置在光距座上，并进行调节，打算实验。
2．将光源移至凸透镜2倍焦距以外的某一位置，调节光屏的位置直至光屏上出现清晰的像，观察并在表中记录下像的情况。
3．将光源移至距凸透镜2倍焦距处，调节光屏的位置直至里面出现清晰的像，观察并在表中记录下像的情况。
4．将蜡烛移至距凸透镜1倍焦距和2倍焦距之间的某一位置，调节光屏的位置直至里面出现清晰的烛焰像，观察并在表中记录下像的情况。
5．将蜡烛移至距凸透镜1倍焦距处，调节光屏的位置，观察并在表中记录下像的情况。
6．将蜡烛移至距凸透镜焦距以内的某一位置，观察并在表中记录下像的情况。
7．实验完成后熄灭蜡烛并整理仪器。
实验中所使用的凸透镜的焦距是f=250px
实验序号
物距
u/cm
像距
v/cm
物距与像距的关系
像的性质
放大、缩小或等大
正立或倒立
虚像或实像
30
15
U>v
缩小
倒立
虚像
25
16.8
U>v
缩小
倒立
虚像
20
20
U=v
等大
倒立
虚像
18
22.5
U
放大
倒立
虚像
14
35
U
放大
倒立
虚像
10
放大
正立
实像
放大
正立
实像
实验推论：
当物距小于2倍焦距时，则像距在1倍焦距和2倍焦距之间，成倒立、缩小的虚像。此时像距大于物距，像比物小，物像异侧。
当物距等于2倍焦距时，则像距也等于2倍焦距，成倒立、等大的虚像。此时像距等于物距，像与物等大，物像异侧。
当物距在1倍焦距和2倍焦距之间时，则像距小于2倍焦距，成倒立、放大的虚像。此时像距小于物距，像比物大，物像异侧。
当物距等于1倍焦距时，则不成像凸透镜成像原理实验，成平行光射出。
当物距大于1倍焦距时，则成正立、放大的实像。此时像距小于物距，像比物大，物像同侧。
七、项目的使用情况和进一步建立的构想
该作品制做完成后，在班级上课使用后，疗效特别好，光源十分稳定，中学生可以直接读出物距和像距，清楚观察像与物体大小的关系。本人希望可以再制做的更精致化，并开发成产品。