探究凸透镜成像中困惑的成因与对策

来源 :新校园·中旬刊 | 被引量 : 0次 | 上传用户:ylzhou40
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  在探究凸透镜成像规律时,若从光源(蜡烛)侧面看透镜,会看到有一正、一倒的蜡烛像;若以毛玻璃光屏的光滑面承接,从光屏上可看到一个或倒或正的蜡烛像。虽然,这些像不在本节课实验研究之中,但却产生在本节课的实验中。这些像是怎样产生的呢?是什么性质的像?是在做此实验时常遇到的问题。我们避开运算,以先推理后验证的方法,对该问题试作粗浅的探讨。为讨论方便,将实验中所得的像分别称为第一、第二、第三像。
  通常我们见到的像,或是由镜面反射产生的,或是由透镜折射产生的,它们之所以能产生像,是由于光源发出的,投射到不同的透明介质的光滑界面上,被反射重新汇聚或发散。透镜对空气有两个光滑的界面A和B,它们都能对光源发出的光进行反射和折射。
  从蜡烛发出的光,设在透镜的光滑侧表面A时,一部分光被反射,另一部分光经A面折射进入透镜内。对反射光来说,A面就是凸面镜,凸面镜成正立、缩小的虚像。物(点燃的蜡烛)离它越近像越大。当物和镜靠在一起时,像、物等大。显然,经A面繁盛成的像,是正的、缩小的,随物距减小像变大,像是虚像。实验中,我们移动蜡烛,从透镜上看这个正立像的变化情况是,像是正立的,大小随物距的减小而增大,物和透镜靠在一起时,像、物同大。由此验证第一个像是由A面反射而成的。
  对于A面折射进入透镜内的那部分光线,当它射到B面时,一部分光线经过B面(凹面)折射进入空气,形成“探究凸透镜成像规律”实验中探究的像。另一部分光线,经过B面反射回到透镜内,再经由A面(凸面)折射进入空气。从这二部分光线所经的路线来看,它们都是由空气经凸面折射后进入透镜内,再经凸面折射后进入空气,所以,透镜对这部分光线的作用是雷同的,都起凸透镜作用。只不过他们在透镜内所经的路径不同,成像方向不同,成像的方位不同。由于透镜都对它们起凸透镜的作用,因此经B面反射,A面折射的光线应成像,而且和“凸透镜成像”的像一样。当蜡烛由远处移向凸透镜时,像由倒立的实像逐渐变大,进而变成正立放大的虚像。我们在凸透镜前的远处(大于二倍焦距)向透镜移动到蜡烛,看到倒立缩小的像随物距减小而增大,进而成为正像(若透镜的焦距较小,则看不到此正像)。为判断像的虚实,先把透镜转动下角度,使我们在光具座旁层就能看到蜡烛的像。然后在拿一光屏放在眼和透镜之间。移动光屏,看到光屏上呈现出蜡烛的倒像。为了使这一倒像看得更清晰,取一挡光板,挡住光源侧面直射到光屏上的光。当物距变小,倒像变大。物距更小,倒像从光屏上消失。无论怎样改变光屏的位置,在光屏上也得不到正像。这说明第二像是经A面折射、B面反射,由A面折射而产生的,倒像为实像,正像为虚像。
  对于第三像,如果我们用光屏的粗糙面承接就看不到。这说明,它是由光屏的光滑面反射产生的。这里的光滑面相当于平面镜,起着平面镜的作用。因此,从光滑面看到的那个像,应该和眼睛直接通过透镜看蜡烛成得的像不是一样的。
  现在我们以光滑面作光屏。把蜡烛置于透镜和焦点之间。无论怎样移动光屏,光屏上得不到像,但透过凸透镜往蜡烛看,所见的蜡烛(像)总是正立的、放大的;当蜡烛置于焦点之外,把光屏由远处移向透镜时,从光屏上见到的是倒立的蜡烛(像)逐渐变大,进而变成正立的;如果光屏不动,把蜡烛由透镜附近向远处移动,从光屏上见到的正立的蜡烛(像)逐渐变大,进而变成倒立的,以后越来越小。如果再用个光屏来表示判断像的虚实,得到:倒像为实像,正像是虚像。如果以S1表示眼睛到光滑面的距离,S2表示光滑面到透镜的距离,S3表示眼睛直接通过透镜看蜡烛时眼睛到透镜的距离,S3=S1+S2时,通过光滑面所见的蜡烛和直接通过透镜看到的蜡烛是不同的。这说明,第三个像是经毛玻璃光屏的光滑面反射而成的。
  综上所述实验时,为了减少小学生在实验中产生困惑,因此实验中光屏不用光滑面;透镜的焦距不宜过大,也不宜过小,一般用焦距为5――10cm左右的透镜;要用挡光板将射向透镜侧面的光遮挡。
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