探究凸透镜成像规律的方法

技术领域

本发明涉及一种中学物理教学方法，尤其涉及一种中学物理教学中学生自主探究凸透镜成像规律的方法。

背景技术

凸透镜成像规律的探究在中学物理属于教学较为困难的实验。一方面，凸透镜成像規律的探究实验常以验证性实验方式展开，存在“伪探究”之疑点，即在教学中更多的是教师告诉学生怎么实验、如何分析数据、得出结论。首先，教师在引导学生探究凸透镜所成像与物体大小关系时就引入焦距，让学生在实验时把光源移到“u>2f、u＝ 2f、2f

另一方面，学生缺乏方便适用的有效方法去分析探究凸透镜成像规律的实验数据。探究凸透镜成像规律的实验中需要记录的内容繁多，既有定量的数字记录，也有定性的文字描述。学生初次遇到这种类型的实验数据，难以采取合理、有效的方法去处理。在实际教学中让学生分析数据时，一部分学生会模仿之前处理实验数据的方法，将物距、像距相乘除或加减，或者仅能简单的描述物距与像距的关系，很难完整地得出凸透镜成像的规律。

教学中老师们常用的方法是采用实验数据直观化的方式，将单调抽象的数据转化为“图示”，以解决凸透镜成像规律实验数据分析难的问题。具体做法为：用“↑”表示物和像，用向上的箭头“↑”和向下的箭头“↓”分别表示像的正、倒，用“↑”的长短表示物和像的大小。不可否认，该方法确实在一定程度上可以解决凸透镜成像实验数据繁杂的问题，使其变得相对简单。但观察实验中所记录的数据表格发现，在实验过程中仅采用“大小”来描述像的性质，没有定量地测量像的实际大小，导致在画图示的过程中难以准确描述像的大小性质，不利于将凸透镜成像变化的趋势表现出来。另外，课堂实验探究过程中采用手工绘图的方式，既不便于精确表征数据特征，还占用了太多时间，造成宝贵的课堂教学时间的浪费。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服目前凸透镜成像规律教学中传统数据处理方法过于粗糙、不能给学生呈现直观的、连续变化的、性质复杂的完整的变化过程，探究效果不理想，以及用手画图浪费时间等问题，提供一种占用时间少、容易操作、直观生动、利于培养学生探索兴趣的自主探究凸透镜成像规律的方法。

为了解决以上所述技术问题，本发明所述探究凸透镜成像规律的方法，在教学电脑里安装凸透镜成像规律探究软件，将探究凸透镜成像规律的实验数据输入电脑，运行所述凸透镜成像规律探究软件完成；

所述凸透镜成像规律探究软件包括图示模块、绘图模块、绘制光路模块和虚拟实验模块；所述图示模块可向学生演示说明图示是如何绘制出来的以及图示特征与对应测量数据间的关系，如何处理学生所测量和记录的实验数据；所述绘图模块可将存入excel表中的数据全部绘制成图示；所述绘制光路模块同在学生实验数据的基础上绘制当前物距下物体成像的理论位置；所述虚拟实验模块可以几何线条的形式表现出凸透镜成像的规律；

所述凸透镜成像规律探究软件自动读取录入电脑的实验数据，并将实验数据中物高、物距、像距、像高等相关数据绘制成图示图形，并绘制等高线、标注每组的物像对应关系；在已绘制的图示图形上，绘制每组实验数据对应的光路图；用几何作图法对凸透镜成像规律进行仿真；

所述探究凸透镜成像规律的方法包括以下步骤：

(1)学生分组用凸透镜、发光物体等按传统方法做凸透镜成像规律探究实验，记录实验数据于记录表中；

(2)将所述步骤(1)每个小组的记录表中的实验数据单独记录到EXCEL表格中(即每一个小组的实验数据记录到一个excel表格中)，并以阿拉伯数字1、2、3、4……命名EXCEL文件名并存放于D盘根目录中；

(3)在教学电脑上运行所述凸透镜成像规律探究软件，完成以下操作：

a.绘制图示图形所述凸透镜成像规律探究软件自动读取EXCEL 表格中的学生实验数据，将实验数据中物高、物距、像距、像高相关数据绘制成图示图形，并绘制等高线，用实验测量的序号标注学生实验测量的每组物距和相距，标注每组图示的物像对应关系；此步所画的图为把学生测量的实验数据绘图出来，是根据实际数据所画出的图，可以根据所画的图示图形向学生讲解及引导观察成像的放大、缩小、倒正、虚实情况；

b.光路图绘制在所述步骤a的图示图形基础上，绘制每组实验的所有数据的光路图；此步所画的图，是在学生实验数据物距的基础上，通过理论公式

进一步，所述凸透镜成像规律探究软件还具有数据纠错功能，根据凸透镜成像规律的理论公式：

c.虚拟实验用几何作图法对凸透镜成像规律进行仿真，在标尺上(界面中的刻度尺)取一物距，图形界面中即展现当前物距与之对应的物像关系图。

所述凸透镜成像规律探究软件主要可实现以下功能：

(1)数据自动读取功能:将每个小组的实际实验数据按实验记录表形式单独记录到EXCEL中，并以数字1、2、3、4等数字命名EXCEL 文件名然后存放于D盘根目录中，所制作的程序便可读取EXCEL的学生实验数据，简单高效。(图示模块和绘图模块的功能)。

(2)绘图功能：读取学生实验数据后，将学生实验数据中物高、物距、像距、像高等关键数据绘制成图形，除此之外，还绘制等高线，标注每组的物像对应关系，便于讲解和观察成像的放大缩小倒正虚实情况、有效帮助学生自主探究出凸透镜的成像规律。(图示模块和绘图模块功能)。

(3)数据纠错功能：利用凸透镜成像规律的理论公式：

(4)光路图绘制：在已绘制的学生实验数据图示上，绘制每组实验数据的光路图。该光路图与实验数据图示的区别：实验数据图示和实验数据绘图都只绘制学生实验数据中物体和像的大小和位置，光路图是在物体位置的基础上，利用几何线条代表光线，绘制出物体发出的光通过凸透镜的变化。

(5)虚拟实验功能：用几何作图法对凸透镜成像规律进行仿真，在标尺上取一物距，图形界面中展现当前物距与之对应的物像关系图。

(属于动态光路图功能)。

本发明所述方法，将学生的凸透镜成像实验数据快速绘制成能够精确表达物高、物距、像距、像高以及物和像的倒、正关系的“↑”图示。

本发明的有益效果：本发明所述方法操作简单、画图快速、结果直观、能呈现凸透镜成像连续变化的性质复杂的完整的变化过程，教学效果好，无需手画图，节约时间，演示形象生动，利于培养学生自主探究的能力。

附图说明

图1为本发明所述探究凸透镜成像规律的方法的操作流程图；

图2为所述凸透镜成像规律探究软件运行时的功能界面示意图；

图3为所述实施例中用“图示”模块(“凸透镜成像实验数据图示”按钮)绘制的图示图形示意图；

图4为所述实施例中用“绘图”模块(“凸透镜成像实验数据绘图”按钮)绘制的图示示意图；

图5为所述实施例中用“绘制光路”模块按钮绘制的图示示意图；

图6为所述实施例中用“虚拟实验”模块(“凸透镜成像动态光路图”按钮)绘制的虚拟示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明所述探究凸透镜成像规律的方法，在教学电脑里安装凸透镜成像规律探究软件，将探究凸透镜成像规律的实验数据输入电脑，运行所述凸透镜成像规律探究软件完成；

所述凸透镜成像规律探究软件包括图示模块、绘图模块、绘制光路模块和虚拟实验模块；所述图示模块可向学生演示说明图示是如何绘制出来的以及图示特征与对应测量数据的关系；所述绘图模块可将存入excel表中的数据全部绘制成图示；所述绘制光路模块可在学生实验数据的基础上绘制当前物距下物体成像的理论位置；所述虚拟实验模块可以几何线条的形式表现出凸透镜成像的规律；

所述凸透镜成像规律探究软件自动读取录入电脑的实验数据，并将实验数据中物距、像距、像高相关数据绘制成图示图形，以及绘制等高线、标注每组的物像对应关系；在已绘制的图示图形上，绘制每组实验数据对应的光路图；用几何作图法对凸透镜成像规律进行仿真。

下面以实施例讲述所述探究凸透镜成像规律的方法，探究方法主要包括以下步骤：

所述凸透镜成像规律探究软件包括图示模块、绘图模块、绘制光路模块和虚拟实验模块，其主要的功能界面如图2所示，图2中的“凸透镜成像实验数据图示”即所述图示模块、“凸透镜成像实验数据绘图”即为绘图模块、“凸透镜成像动态光路图”即为虚拟实验模块；

(1)学生分组用凸透镜、发光物体(可用蜡烛)等工具按传统方法做成像规律探究实验，记录实验数据，表1为实验数据记录表：

表1：凸透镜成像规律实验数据记录表

(2)将所述步骤(1)每个小组的记录表中的实验数据单独记录到EXCEL表格中(即每个小组的实验数据记录在一个excel中)，并以阿拉伯数字1、2、3、4……命名EXCEL文件名并存放于D盘根目录中；

表1为某一小组做了7次实验所做的记录，在EXCEL文件中以阿拉伯数字“1”命名，其他小组也做类似的记录表，分别以阿拉伯数字2、3、4……命名，依次类推。

(3)绘图图示模块的主要作用是向学生介绍图示是如何绘制出来的以及图示特征与对应测量数据的关系。对已经记录到单独的 EXCEL表格中的每学生个组的数据，教师使用鼠标点击“凸透镜成像实验数据图示”按钮后，将会提取出第一组学生实验数据的第一行数据进行绘图(如表1中序号为1的横排数据进行绘图)，依次将表1 中序号为1、2、5的横排数据进行绘制，所得图示图形如如图3所示，图形界面中所出现的内容表示：中间的

此步“绘图”功能为提取一个小组的部分实验数据绘制图示，用以向学生介绍软件是如何处理实验数据的，所绘制出的图代表的特征与测量数据间的对应关系。

(4)成像绘图功能主要是将存入excel表中的数据全部绘制成图示。教师单击“凸透镜实验数据绘图”按钮，便将每个小组的实验数据绘制成图示，且每个小组的数据单独为一个图形窗口，方便展示、分析数据，如图4所示。其中正常数据为相同的颜色(如红色)，当所测量的像距与当前物距理论计算的像距值大于或小于5％，则用另一种颜色绘制(如粉色)。通过图示观察得出随着物距的变小，像距和像逐渐变大。如果学生实验过程中收集数据越多，其变化趋势越明显。根据图示的变化趋势，引导学生猜想是否存在某个点使得像的大小等于物的大小，分析得出，当物距等于像距时，此时像的大小等于物的大小，物距等于2倍焦距，由此继续完成凸透镜成实像规律的教学。提供的附图中物和像均显示为黑色，实际操作时，可用不同颜色分别表示，更加直观，非常容易对比观察。

此步“成像绘图”功能可绘制所有小组的全部实验数据的图示

(5)绘制光路在步骤(4)的基础上，在学生物距的实验基础上绘制该物距理论下的像的位置、大小。如图5所示，绘制了第一组学生第二次实验物距下的光路图和像，发现与学生所测量的像的位置及大小重合，说明学生所测量到的结果比较准确。便于学生理解凸透镜成像与凸透镜焦距的关系。

(6)虚拟实验虚拟实验是以几何线条的形式表现出凸透镜成像的规律。教师单击“凸透镜成实像动态光路图”按钮，便会展现一个虚拟的凸透镜成像实验，如图6所示，点击滑动条改变物距，可绘制该物距下的光路图和像的大小及位置。通过光路图加深学生理解凸透镜成实像的规律和完成物距等于焦距不成像的教学难点。利用光路图，引导学生总结完整的凸透镜成像规律：物距大于2倍焦距，成倒立缩小的实像；物距等于2倍焦距，成等大倒立的实像；物距大于1倍焦距，小于2倍焦距，成倒立缩小的实像；物距等于1倍焦距，不成像；物距小于1倍焦距，成放大正立的虚像。

以上仅为本发明的部分实施方式，只要使用了以上所述方案，均应落入本发明的保护范围。