物理实验方法的指导技巧_诠释物理课程改革

时间:2019-07-03  栏目:理论教育  点击:5 次

物理实验方法的指导技巧_诠释物理课程改革

第四节 物理实验方法的指导技巧

物理实验是“见物”的依据,“思理”的基础。本节主要从学生实验、课外小实验和学生设计性实验等方面的学法指导艺术。进行初步探讨。

一、学生实验贵在主动

学生实验是指教学大纲规定的学生必须在物理实验室完成的实验,在初中大约有12个,在高中大约有27个。随着物理教学改革的发展,我国物理教学中的学生实验比重还会进一步增加。因而提高教师对学生实验的指导艺术水平,从而提高物理教学质量,是物理学法指导艺术探索的重要方面。

学生实验成效,一方面在于教师实验指导是否得法,另一方面在于学生实验的主动性程度。(www.guayunfan.com)

1.确立学生实验主体地位,让学生多动手

学生实验必须在“做”字上下工夫。实验课时,教师尽量少讲一点,让学生有充分的时间在实验课上动手探索。但事实上,在实验课上,教师还是讲得太多。一共才45分钟,从实验目的、实验原理、实验步骤、实验操作要领、注意点、数据记录处理方法,一直到误差分析,等等,有这么多内容要讲,学生自己动手操作的时间真是少得可怜。其结果是:学生马虎操作、匆忙记录数据、草草收拾器材,到下课后回教室共同凑合数据,“集体创作”实验报告。这实在是违背了开设实验课的本意。教师不该把给学生动手实验的时间占用了。方法还是要加强实验的学法指导:

(1)加强学生实验的预习指导,交代清楚学生自学预习的内容。有关“实验原理”、“实验步骤”可以结合有关教学内容,在课内渗透。严格要求学生按时高质量完成预习报告。

(2)充分利用实验室条件,把“实验操作要领”、“数据处理方法”、“误差分析方法”等清楚地写在实验室黑板上。把物理实验仪器的装置正确安装好放在讲台上。有关实验数据,教师事先自己动手实测数据,用投影的方式显示在屏幕上。如事先有录像的话,用3~5分钟把实验操作中关键的动态场景放映一下,然后再用1~2分钟时间强调一下“注意点”。立即可以让学生开始动手操作,这样安排的话,学生可获30~35分钟的宝贵实验时间。

在实验进行的同时,教师必须始终在教室对学生进行个别指导,排疑解难,帮助学生主动地完成实验操作。

(3)实验中严格要求人人动手。应要求学生在实验中两人轮流操作,出现小故障,两人协同研究解决。教师不轻易插手,而是耐心地加以点拨。在取得初步数据后,要经检验确实落在误差允许范围内,才允许正式填入实验报告的表格内。不允许随意涂改、数据处理混乱的情况。

(4)要指导学生爱惜实验器材。保持实验环境的安静、整洁。实验中允许同小组问二人交流讨论,但必须小声轻谈,做到“窃窃私语”,不妨碍他人的实验。使学生明白,安静而有条理地操作,是科学实验素养的重要方面。

2.确保学生实验高质量完成,教师要充分准备

每逢学生实验,教师必须深入实验室,亲自参与实验的准备工作,取得第一手实验资料,才能对学生实验的高质量完成充满信心。

(1)仔细检查,清除隐患。

在实验员布置好学生实验后,任课教师要亲自对每组器材仔细地进行检查、核对、校准。哪怕是一颗螺钉的松动、一根接线的假焊、一台仪表的失灵等,都会成为隐患。如果贪图省力省事,到上课时可能就问题丛生、穷于应付,直接影响实验教学的质量。故教师必须主动参与学生实验的准备工作。

(2)掌握数据,取得主动。

教师对每个学生实验,在实际教学前,都应反复操作几遍,以取得经验。在操作中不仅可取得第一手数据,而且对误差分析及故障所在,了如指掌。心中有数,上课不慌。使上实验课时的学法指导更有分寸,更有把握。

(3)自制改制,争取成功。

在学生实验中,常常会遇到器材紧缺、规格不符、套数不全的矛盾。但又不能放弃不做。教师要与实验员协作努力采用自制、改制、暂时借用等方法去解决。例如,在高一力学实验中,需用大量的一定规格的打点纸带,很多教师一时无法买到。经商议后,用大张道林纸去印刷厂切成宽度符合要求的纸带,很好地解决了问题。

二、课外小实验贵在动手

“课外是学生学习物理的广阔天地。充满五光十色现象的自然界,与物理知识密不可分的生活环境,到处都能找到观察、思考、实验的课题。”“课外小实验能有效地培养学生的兴趣,拓宽学生的知识面和发展学生的特长。”

在传统的教学条件下,学生思维局限于教材的框架,很少有动手探索,发挥创造才能的机会。指导学生利用课余时间,亲自动手去做些小实验,学生的创造才能将获得一个发展的天地。只有这样,才能“很好地发挥学生的发散性思维能力、形象估测能力和非线性联想能力,让学生尝试施展灵感顿悟和创造成功的愉快”。

1.认真做好课本安排的课外小实验

正如1987年出版的《高级中学物理》教材中指出的:“要努力创造条件,在课外多做一些简单的小实验……要留心观察各种物理现象,用我们学过的物理知识去分析研究,这也是理论联系实际,提高思维能力的一种好方法。”但教材选编的18个小实验,往往没有引起任课教师的充分注意,当作是可有可无,可做可不做的事。省略了这些小实验,等于放弃了让学生动手和创造才能发挥的机会,放弃了培养学生对物理学科的兴趣,也放弃了教师指导学生观察世界、了解现实的阵地,是十分可惜的。

例如,“简易打点计时器”,只要二位学生合作,利用秒表(一般同学用的电子表即可)、铅笔和较长的纸条即可。它安排在学生实验“练习使用打点计时器”之前,使学生对“打点”和“计时”有一实际的了解,从而了解到“两个相邻的点表示多长的时间”、“两点间距与纸带的牵动有什么关系”、“测一个物体运动的平均速度”等。这对学生进一步学习“电磁打点计时器工作原理”和“应用打点计时器测物体运动速度”等都有了感性认识,是一种很好的启发与铺垫。

学生对课外小实验都会有很高的积极性。例如“制作杆秤”的小实验,要学生自找材料制杆、制砣。有的学生选用木条、竹竿、金属棒等,甚至有的学生采用无线电上用的拉杆天线制作成能伸缩的特殊杆秤。有的学生利用一把旧铜锁,将锁把拆下做成秤钩,锁身做成秤砣,做得很精致。总之,通过学生动手动脑做小实验,不仅学习了物理原理,提高了对物理学科的兴趣,更重要的是提高了学生动手的积极性,提高了他们的动手能力。

2.积极增加课外小实验

为进一步提高学生动手实验的兴趣,我们可以在教学中,逐步推出一些与教学同步的补充小实验,其原则上要求取材简易,操作简单,富有启迪。举例如下:

【例一】 “自制弹簧测k值”。

用金属丝(钢丝、铜丝都可以)、砝码等。在弹性形变范围内弹性系数k对某一特定弹簧来说是个常数。

弹簧的制作:把钢丝放在火中烧红,取出后让其自然冷却(退火)。把退火后的钢丝绕在木棍或铅笔上,要密绕成螺旋形。在其两端制作一个弯钩,以便悬挂弹簧和悬挂重物。然后再一次将螺旋形金属丝放人炉火中,加热烧红,取出后立即投入冷水中(淬火)。取出晾干后,就是一个自制的弹簧。可以用这个弹簧做测g值的小实验。(过程略)

用铜丝绕在木棍上,密绕成螺旋形,取下,两端也制作好弯钩。用这个弹簧可以做范性形变的实验。当在铜弹簧上悬挂稍重点的砝码时,铜弹簧的形变很大,当取下砝码后,铜弹簧再也不能恢复原长。

这个小实验取材简易,学会了“退火”与“淬火”,学会了弹簧的制作,测定了自制弹簧的弹性系数值,而且对弹性形变与范性形变有极深刻的印象,拓展了课堂所学的关于弹簧形变的知识。

【例二】 滴水测重力加速度值g。

用可控滴水的容器(如带阀门的滴定管)、铁台架、秒表、水盘(接水用)等。

将装水的玻璃管用铁台架支好,放置于桌边,调节阀门。从滴水落到盘子的声响来控制两滴水之间的时间,使滴水时间间隔基本相等。记下一分钟时间内落下的水滴的滴数,从而算出每一滴水落下的时间t。再用米尺量出管口到盘底的距离h。利用公式h=,就容易估算出g的近似值。

此实验使用器材简单,原理清楚,一人就可单独完成。对物体自由落体规律及重力加速度值g的测量会有更深的理解。

【例三】 验证大气压强。

大气看不见,大气层的厚度有多大?对地面是否存在压强?对初中同学来说。也许是个抽象的问题。除了上课时老师演示的一些实验之外,同学们也可以在家做些小实验,来验证大气压强的存在。

如“瓶子吞蛋”就是一个有趣的小实验。材料很简单,只需准备一只熟鸡蛋和一只牛奶瓶。

先将牛奶瓶放在60℃~70℃的热水中(如热水瓶中的水),注意不要使水进入牛奶瓶中。时间3~5分钟。取出已温热的牛奶瓶,将去壳的熟鸡蛋放置瓶口。放置时,熟鸡蛋的大头朝下,过不多一会儿,我们能看到鸡蛋被拉长,并慢慢地自瓶口被牛奶瓶吞入的有趣现象。

此实验,器材简单,取用方便,操作容易,现象有趣。说明由于瓶口被熟鸡蛋堵塞后,瓶内的一定质量的热空气由于温度下降,而使瓶内气压逐步下降。当瓶内外压强差足够大时,就会出现“瓶吞蛋”的奇特现象。

【例四】 自动跷跷板。选材为铜丝或铁丝一段(30厘米左右),一枝圆杆铅笔,两个一样高的茶杯(或玻璃杯),蜡烛,火柴等。

把铜丝(或铁丝)的中间部位,紧绕在圆杆铅笔的中部,金属丝两端拉直。用等高的两个茶杯将铅笔两端支起,构成一个“跷跷板”。如果不平衡,在较重的那端剪掉一点金属丝,直到“跷跷板”平衡为止。点燃蜡烛,使烛焰加热金属丝一端,可见被加热的一端向下倾斜。移去烛焰,则“跷跷板”又自动恢复平衡。加热另一端,“跷跷板”就会向另一端向下倾斜。停止加热,它又自动恢复平衡,十分有趣。

这实验制作十分方便,取材容易,操作也简单。在初中学生学了热膨胀后,做了这个小实验,一定会加深对热膨胀概念的理解,并感到学习物理十分有趣。

各种小实验有很多,几乎在物理教学的每个章节里,都可以设计出不少好的学生课外小实验。它们有几个共同的特点:取材容易、制作方便、操作容易、耗时不多、趣味性强。能起到使学生动手、动脑,拓展思维的作用。

3.小实验在物理教学中的主要功能

搞好课外小实验,延伸了物理教学的时空,使物理教学增色不少。它的主要功能在如下三个方面:

(1)大大激发学生学习物理的兴趣。

无论在初中和高中,引导学生做好物理小实验,都是激活学习物理的兴趣的有效方法,也是提高物理教学艺术性,加强学法指导的一片新天地。布置课外小实验比考试更能调动学生学习物理的积极性。因为考试对学生来说,更多的是来自失败的威胁,而小实验给学生带来的是更多的创作的愉快和成功的希望。

例如,在讲到物体的重心与稳度时,某老师曾布置了一个制作“不倒翁”的小实验。说明了大体方法,所用器材与形体样式不限。高一学生个个都兴致盎然地制作了不少精美的不倒翁。有的同学用纸板自行设计了扁圆形的不倒翁,贴上漂亮的粘贴纸。有的同学做了好几次,才做成功。有的同学由于车上太挤,把不倒翁挤坏了,主动要求下次补做……这说明,小实验并没有给学生带来失败的威胁和压力,而是带来了对成功的追求和创造性学习的愉快。虽然,关于“平衡的种类”这个课题最多只讲了10分钟,但由于增加了这么个小实验,学生对平衡的概念印象十分深刻。屡次测试中,说明学生都掌握得很好。布置课外小实验比布置几道常规习题效果好多了。

(2)极大地提高学生动手能力。

由于课外小实验是开放式的,材料要自找,结构要自行设计,制作过程要自行安排,其物理原理要自行探究,遇到困难要自行克服,等等,因此能充分调动学生动手的积极性,发展了学生的想像能力和创造能力,提高了学生克服种种困难,争取成功的信心和决心。

(3)成功破除了物理研究的神秘感。

小实验分布在中学物理的各章节中,由教师自行设计安排和布置,不受教材的限制。但小实验可以说明大道理,如难以捉摸的反应时间、抽象的电流磁场、复杂的衍射现象、计时准确的秒摆等。实验完全可以自己动手去反复操作,反复探究,使学生感到物理并不神秘,它就在我们身边。由于反复接触,反而产生了一种亲近感,感到物理与我们生活很贴近,就在自己的生活中,充分体会到学习物理的无限乐趣,破除了物理研究的神秘感。

总之,物理小实验有其自身的特点和功能,是一般的正课上的教师演示实验和常规的学生实验所替代不了的。我们只有充分发挥物理小实验的特点和功能,才能使物理学得更生动,更实际。

三、设计性实验贵在独创

在常规的中学物理实验中,学生仍然是被动的,照搬、照抄、模仿是主要的,缺少研究、探索和创新。“从科学方法角度来看,当前中学物理实验教学中主要存在以下几个问题:

(1)缺少学生自己发现和提出问题的训练。

(2)缺少猜想和假说,并根据猜想和假说自己设计实验的训练。

(3)实验中很少有意识地设置能使学生观察发现的机会,从而也就使学生丧失了观察、思考和应用知识的机会。

(4)问题的回答往往是唯一和理想化的,因此学生缺少应有的多向性和灵活性。”

这些问题是物理课堂教学中普遍存在的“三重三轻”(即“重知识、轻能力;重结果、轻过程;重模仿、轻独创”)现象在实验教学领域中的反映。“广播操式”的实验教学方法是培养不出创造性人才的。

1998年上半年,南京金陵中学进行了探索性设计性物理实验的教学探索,取得一定成效。他们开设带有专题研究性质,为学生提供了不同类型的实验课题,既有统一的实验安排,又有自由选做的课题。学生们可以通过观察、思考和实验研究,最后完成小型的研究报告。这种让学生独立研究,发挥学生创造性的做法,普遍受到学生的欢迎,取得良好的教学效果。有的学生说:“第一次感受到什么叫真正的物理实验。亲身接触到一个物理实验的全过程,对物理实验有了全新的认识。”这种对设计性实验的感受是真实的。这个试验班中有95%的学生认为“观察、思考、定性实验”很有兴趣,对培养独立观察思考能力有帮助;有73%的学生认为“开放式”的探索设计实验对自己的分析和解决问题的能力很有帮助。

正如诺贝尔奖获得者、物理学家杨振宁博士所说:“由于传统的习惯,亚洲的学生,特别是中国的学生,喜欢复杂的推演的计算。考试成绩也许会很好。但这对自己,对科学的发展并不利。因为这违反了物理学的规律,物理本身是现象而不是推演……在多次实践中,就可能产生新的直觉的东西——经验。而这种直觉往往是科学研究工作中的重要环节。”

设计性实验的开设,就是为了使物理教学更好地遵循物理学的规律,把重点放在物理现象而不是某种繁复的推演。使物理实验更具有开放性、探索性、科学性,从而也提高了物理教学的艺术性。

1.设计性实验的一般要求

(1)开放性。教师可提供一个研究课题,并提供多种实验思路和初步方案,提供一般的实验条件,让学生在一个开放的环境中,去研究和探索。

(2)自主性。实验的方案可以自主选择,也可以完全不依照教师提供的方案,独自创立新的实验方案。实验方案要求学生自主拟定实验步骤,自行选用实验器材,自己摸索操作方法,自行探求实验结论,自己撰写实验研究报告……总之,充分体现学生的自主独创性。

(3)多样性。由于实验思路是开放的,实验方案是自选的,因而研究成果必然是多样的。无论研究方案如何,教师应关注过程指导,使学生注意研究过程的科学性。对于有独创性的思路与方法,应及时予以肯定。但应注意,这种“关注”和“肯定”,绝不是包办代替。

2.设计性实验举例

【例一】 测定重力加速度。

【设计条件】 自选。

【设计要求】 要求不重复已做过的测重力加速度的方法,自行设计一种可以测定重力加速度的方法。要求写出实验原理,数据处理方法,操作步骤及实验结论等。

【参考资料】

(1)用单摆及图线法测重力加速度。

提示 我们已学过用单摆测重力加速度g的方法,是否可以设计另一种处理数据的方法:

由单摆周期公式:T=。

可得试以摆长l为横轴,以周期的平方值T2为纵轴,在毫米方格纸上作出T2-l图线,则其斜率为:

因,从而可求出g值。

为减小实验误差,建议在实验操作中注意:

a.θ角必须很小。原因请讨论。

b.悬线质量必须很小,且不发生弹性伸缩。为什么?

c.小球质量必须足够大,而其体积必须很小。如质量太小,则球在摆动过程中导致的不规则运动的影响就要增大。而且我们研究时,把摆球当作质点,并没有考虑由于球体积构成的空气浮力和小球在摆动过程中自身的转动。

(2)用符合法测单摆周期,求重力加速度g值。

在特定的地点,重力加速度是一个定值。摆的周期仅取决于摆长。如调节摆长,使摆的周期恰为2.00s,这个摆叫做秒摆。秒摆的校准可用秒表,测其100个全振动所需时间t,使周期满足T=100=200(s)。

当有两个摆,从同时、同方向地通过某一位置(如其平衡位置)时起,到下一次再同时、同方向地通过该位置时止的这段时间,称做“符合时间”。

提示用符合法测单摆周期的方法是:

将已校准的秒摆A和待测周期的摆B如右图所示悬挂,使它们分别在两个相互平行的平面内摆动。因两摆的周期是不同的,故摆动的位置也是不相符的。仔细观察,当它们同时、同方向通过平衡位置时,即为“初次符合”时刻。从这时刻开始,记下秒摆A的摆动次数,直到“再次符合”为止。这段时间,就叫“符合时间”。在这段时间内A的摆动次数为n,A的摆次周期为T0,则有两种可能:

a.若待测的B摆的周期比秒摆A的周期略长,即此时B摆的摆长比A摆略长些,放手开始摆动后B摆将落后于A摆。两次符合之间的符合时间内,A摆摆动n次,则B摆摆动(n-1)次,即:

(n-1)T=nT0

所以  

反之,若待测摆B的摆长比A摆略短,摆动中,B摆应超前A摆。在符合时间内,A摆动n次,B将摆动(n+1)次,即:

(n+1)T=nT0

所以  

由此可见,我们只要在实验中测出在符合时间内,秒摆A的摆动次数n,单摆B的周期就可以计算得到。然后再测出摆长:l=d-r,d为摆线和球的总长,r为球半径。代入g=等,求出g值。

并分析。如何讨论其百分误差?

(3)用电磁打点计时器测重力加速度g值。

装置结构如下图所示。请研究如何把打点计时器架稳?如何使重锤在带着纸带下落过程中,所受的摩擦阻力尽可能地小?为什么要这样做?

由△s=s2-s1=gT2,在两个连续相等的时间T里,若位移值分别为s1和s2则求得g=。

可重复多测几次,求取重力加速度的平均值。也可自行设计用图线法求g值。

(4)用频闪摄影测重力加速度g值。

本实验要具备一台频闪仪,一架照相机,电磁铁,电池组,黑暗的背景,米尺,导线等。

先自行设计一个简单电路,即当按动照相机快门的时候,电磁铁能释放小钢球。

在小球自由下落的轨迹旁放置一把米尺,以测量钢球自由下落时的位移。

适当选取照相机快门时间,应使其大于小球下落时间。自行冲洗底片,再加以放大,供测算。

频闪时间可由频闪仪控制并读出,在各连续的相等的时间内发生的位移,可直接从放大的照片上测出。由于小球的像在最初一段时间里,影像比较密集,测量误差会较大,故我们可以从某个稍大些的位置间隔开始测量。把时间间隔编上号,测出各个间隔的位移值s,算出对应的平均速度v平均=,求出平均速度的改变量△v平均,再由g=求出对应的g值。算出自由落体加速度的平均值g平均。

数据处理表格自行设计,并求出g的百分误差。

【例二】 测绘小灯泡的伏安特性曲线。

【设计条件】 额定电压6.3V、额定功率约1W的小灯泡一只,电压表(0~3~15V),电流表(0~200mA),电源,滑动变阻器,开关等,可依据设计要求自选。

【设计要求】 通过实验,测出小灯泡在额定电压时的灯丝电阻,并描绘出小灯泡从0~6.3v时的伏安特性曲线。

【参考资料】

(1)非线性元件。

非线性元件是指那些电阻值受外界环境或实验条件影响,呈非线性变化的某些器件,如小灯泡的钨丝、二极管、光电二极管等。

(2)非线性电阻的阻值。

非线性电阻的阻值常用动态电阻来描述,R=。动态电阻是变量,但可以依据伏安特性曲线上某点的斜率来求得。

(3)伏安特性曲线。

通过元件的电流随外加电压的变化有一定的改变规律,这种规律可用伏安特性曲线来描写。由曲线可分析该元件的导电特性。

非线性电阻的伏安特性规律,总是与一些特定的物理过程相联系的。如由于电流的热效应,使灯丝的温度逐渐上升,导致金属内部原子、分子的热运动加剧,从而引起电阻参数的变化。

(4)测绘伏安特性曲线的方法。

用伏安法测电阻,在物理课中已学过。这种方法,无论对线性电阻或非线性电阻都是适用的。但在实验中,应考虑到电表的内阻、量程和灵敏度等,对测量结果的影响,所构成的系统误差。故在进行线路设计时,应具体考虑电表的内接或外接,以减小误差。

电表的量程选择要适当,既要使实际电流的最大值不超过电表的量程,又要较清楚地分辨刻度值使读数准确。把测得的正向电压与电流,以及反向电压与电流,均填入自行设计的表格,读数可取10组左右。然后在IU图线上描绘出小灯泡的伏安特性曲线。

【例三】 设计和探究“黑盒子”。

【设计条件】 黑盒子面板上有四个接线柱,标示编号。盒内一般装三个元件,用何种元件及如何连接均可自行设计。规定每两个接线柱间可以没有元件,或只有一个元件,不得有多个元件并联。接线柱间可以短路,也可以断路。提供的元件可以有电池、电阻、电解电容、晶体二极管、电感等。实验中可用万用表、信号发生器等测试仪器。

【设计要求】 两位同学一组,先由一位同学设计黑盒子内部元件结构。装好后,由另一位同学用仪表等进行分析判断,并写出判断的理由与结果,画出内部元件结构图。然后两人交换进行。

设计实验表格,包含有内部元件结构、判断的理由、测试方法等项。

【参考资料】

(1)黑盒子的作用。

黑盒子可以用来训练对电路结构的判别能力,提高对电路元器件的性质、功能的了艉和对电路的分析能力,熟悉多种仪器、仪表的使用方法,且可以反复训练,是一种可自行设计的带有探索性的训练器材。

(2)判断的程序。

a.首先要判断有无电池及电池的正负极位置。不能在没有确认有无电池及其正负极位置的情况下,而盲目地用万用表欧姆挡去随意测试,很可能要损坏万用表。

b.由于黑盒子内的电池个数是未知的,故开始测量时,应先选用较高电压量程去测试,然后可以逐渐降低电压表量程的档次。当用最低量程去测量也无读数时,说明此两接线柱间无电池。

c.判断有无二极管。二极管的正、反向阻值相差很大,可以方便地判断出二极管的正负极。在测试中,如果表笔互换测试点,发现阻值差别很大,说明该两点间存在有二极管。

d.判断有无电容。如果用万用表欧姆挡(×100或×1k挡)去测试时,读不出阻值,但可见电容的充放电现象,即万用表指针先有一个偏转,迅即返回“∞”处,相当于断路时,可断定此两端间接有电容。也可以用信号发生器,接人交流电压作进一步测试确认。

e.判断有无电感元件。电感元件与电阻元件的差别在于同样加以交流电时,产生不同的结果:电阻元件的阻值与交流电频率无关,而电感元件的阻抗随交流电频率的变化而变化。我们可将信号发生器、万用表交流电流挡和待测两接线柱相连。若保持信号发生器输出电压不变,而改变其频率,观察万用表电流挡的读数是否随频率而变化。如随频率而变化,是电感。反之,为电阻。

【例四】 测定凹透镜焦距。

【设计条件】 现有光具座、凸透镜、待测凹透镜、光源、平面镜、光屏等。有关器材在探究中可自行设计组合。

【设计要求】 写出自行设计的实验原理,画出设计的示意光路图,列出所用器材的组合使用的操作步骤,写出测凹透镜主焦距的实验报告。

【参考资料】

(1)用二次成像法测凹透镜的焦距。

在初中光学中,我们已学过凸透镜焦距的测量方法。如何测凹透镜的焦距,是个有待设计探索的新问题。由于凹透镜是发散透镜,它不可能使实物成实像,这也是设计的一个难点。是否可设想用一个凸透镜和这个待测的凹透镜组成一个光具组,光具组可能具有会聚光线的作用,因而有可能在屏上成像,而其像距成为可测。

具体操作过程可以自行摸索、设计。大体方法是:在物与屏之间放置凸透镜,移动屏,并使之在屏上获一清晰的像。记下像的位置,并固定凸透镜位置。如在屏与凸透镜间插入待测凹透镜(如下图所示),显然,这时屏上的像变得模糊不清,设法调整屏的位置。屏应向什么方向移动,才能获第二次清晰的成像?把这第二次成像的位置记下。如此可多次反复,记录多组数据。

设计好表格,将测得数据填入,再由成像公式算出凹透镜的焦距。在计算中,应注意到,第一次成像对凹透镜来说,是虚物,而第=次成像对凹透镜来说,是实像。计算中必须注意符号法贝Ⅱ。

在实验全过程中应确保几个光学元件的光轴均在同一直线上。

(2)也可以用平面镜法(自准法)测凹透镜焦距。

如下图所示设置器件。若凸透镜成像为D,即为凹透镜的虚物。当调节凹透镜位置时,若D处于凹透镜的焦平面上,就能使光线经凹透镜后形成一束平行光,若置一平面镜于凹透镜和D之间,将这束平行光反射回去,就能会聚于P处的光屏上,则此时D和凹透镜之间的距离即为所求。

(3)能否用一个凹面镜来辅助测凹透镜焦距?该如何设计?

以上实例中的设计性实验,都具有一定的探索性、开放性、拓展性。在教师指导时,要突出学生的自主性,充分发挥学生的创造性,放手让学生去尝试,提高学生“见物思理”的能力。

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