縱覽成像實驗領悟探究要點

□管余

縱覽成像實驗領悟探究要點

□管余

探究凸透鏡的成像規律是初中物理中一個很重要的實驗，也是中考常考的探究型實驗之一.該實驗探究的過程、光路圖以及成像作圖、實際應用等問題，是凸透鏡知識板塊的幾個熱點問題.通過該實驗，我們要掌握的不僅僅是這些光學知識，更重要的是能從中感悟到實驗探究的樂趣與方法，為后續的探究學習奠定基礎.

一、實驗器材的準備與選擇

例1（2015·福州）小華在探究凸透鏡成像的規律中：

（1）他將凸透鏡正對著太陽，使之在光屏上形成最小、最亮的光斑，如圖1所示，則該透鏡的焦距為_________cm.

（2）為使像成在光屏中央，應將燭焰、凸透鏡和光屏三者中心調節到同一________；將蠟燭放在焦點以外時，都可以在光屏上成________像（選填“實”或“虛”）.

（3）利用該透鏡可制作_________眼鏡（選填“遠視”或“近視”）.

圖1

解析：（1）由圖可知，平行光射到凸透鏡上，會聚到主光軸上的一點即為透鏡的焦點，故該透鏡的焦距為11.5cm.（2）為使像成在光屏中央，應將燭焰、凸透鏡和光屏三者中心調節到同一高度；“一倍焦距內外分虛實”，將蠟燭放在焦點以外時，都可以在光屏上成實像.（3）利用凸透鏡的會聚作用可制作遠視眼鏡.

答案：（1）11.5（2）高度；實（3）遠視

點撥：測量凸透鏡焦距通常有三種方法：一是讓太陽光正對凸透鏡照射，在凸透鏡另一側移動光屏，直到光屏上出現最亮最小的光斑，測出光斑到凸透鏡的距離就是凸透鏡的焦距；二是讓較遠處的物體通過凸透鏡成像在光屏上，測出像到凸透鏡距離可近似看成凸透鏡焦距；三是讓物體通過凸透鏡成等大的實像，凸透鏡焦距大小等于物體到透鏡距離的一半.

實驗中器材擺放的要求是將蠟燭、凸透鏡和光屏放在光具座上，凸透鏡在蠟燭與光屏之間，并調整燭焰、凸透鏡、光屏三者的中心，使它們在同一高度上，凸透鏡中截面與光屏所在平面要平行，且與光具座垂直.

二、對實驗中常見問題的分析

例2（2015·德州）在探究“凸透鏡成像規律“的實驗中：

圖2

（1）實驗裝置正確安裝并調節后，小芳同學某次實驗情景如圖2所示.此時她在光屏上看到了燭焰清晰的像.生活中的_________就是利用這一原理制成的.

（2）實驗過程中，如果用不透明的硬紙板擋住凸透鏡的上半部分，則光屏上的像（）.

A.只出現燭焰像的上半部分

B.只出現燭焰像的下半部分

C.出現燭焰完整的像，但像更小了

D.像仍然是完整的，且大小不變，只是變暗了

（3）如果保持蠟燭和凸透鏡的位置不變，把光屏向右移一小段距離后，要想在光屏上再次得到清晰的像，可在蠟燭與凸透鏡之間放一個____________（選填“近視眼鏡”或“遠視眼鏡”）.

（4）實驗過程中，燃燒的蠟燭在不斷縮短，導致光屏上的像向上移動，為了使燭焰的像能成在光屏中央，在不更換實驗器材的情況下，請寫出一種可行的方法____________.

解析：（1）由圖可知，像距小于物距，此時成倒立縮小的實像，照相機是根據這個原理制成的.（2）用不透明的硬紙板擋住透鏡上半部分，透過透鏡的光線減少，透鏡的下半部分仍有折射光線成像，所以光屏上所成的像是完整的，大小不變，但亮度變暗，故D正確.（3）近視眼鏡屬于凹透鏡，遠視眼鏡屬于凸透鏡，把光屏向右移動一小段距離，要想在光屏上再次得到淸晰的像，應使像向右移動，需要在凸透鏡和蠟燭之間放置一個凹透鏡使光線適當地發散，故選用近視眼鏡.（4）蠟燭在燃燒中不斷縮短，燭焰向下移動，在光屏上所成的像向上移動，要使像能夠成在光屏中央，可向上移動光屏，或向上移動蠟燭或向下移動凸透鏡.

答案：（1）照相機（攝像機等合理即可）（2）D（3）近視眼鏡（4）將蠟燭向上調節（將凸透鏡向下調節或將光屏向上調節，答出一種即可）

點撥：該實驗中常見的故障原因及處理辦法包括：

（1）在探究凸透鏡成像實驗過程中，隨著蠟燭的不斷燃燒，燭焰向下移.因此將光屏向上移或將凸透鏡向下移，像方能成在光屏中央.

（2）用遮光紙擋住凸透鏡的一部分，在光屏上仍然能出現完整的像，只不過像變暗了些.

（3）在實驗中，無論怎樣移動光屏，光屏上總出現不了燭焰的像，造成該現象的原因可能是物距小于或等于凸透鏡焦距，也可能是燭焰、凸透鏡、光屏三者的中心不在同一高度的直線上.

（4）實驗中無論怎樣移動光屏，光屏上總出現一個與凸透鏡直徑大小相等的光斑.造成這現象的原因是燭焰位于凸透鏡的焦點上造成的.

（5）實驗中蠟燭可以用發光二極管代替，其目的是讓所成的像穩定并容易對比大小.

（6）凸透鏡成實像時，若物距變大，則像距變小且像變小，因此為了在光屏上再次呈現清晰的像，當物距增大時光屏應向靠近凸透鏡方向移動適當的距離.

三、對實驗數據的處理和分析

例3（2015·廣東）用焦距為10cm的凸透鏡做“探究凸透鏡成像規律”的實驗，如圖3所示（凸透鏡的位置固定不動）：

（1）為了便于觀察實驗現象，實驗環境應該____________（選填“較亮”或“較暗”）一些，此實驗過程中蠟燭燃燒后逐漸變短，則光屏上燭焰的像將逐漸向____________移動.

（2）記錄實驗數據如下表，請將所缺的實驗數據和像的性質補充完整.

實序1234驗號物u321 / 6 c距005 m②像v/ 12無c距50 m①倒倒正立立立像、、、等放放的大大大性的的的質實實虛像像像

請根據實驗序號4的成像規律，寫出在生活中的一個應用：③____________.

（3）若已在光屏上成清晰的像，此時用遮光布遮住凸透鏡的下半部分，則所成的燭焰的像為______（選填“不完整的像”“亮度相同的完整像”或“亮度稍暗的完整像”）.

（4）曉紅在早上9∶00利用太陽光進行觀察凸透鏡焦點的活動，她將凸透鏡與水平地面平行放置，調節凸透鏡到地面的距離，直至地面上出現一個最小的亮點，她認為此點就是凸透鏡的焦點.你認為該活動過程存在的問題是：____________.

解析：（1）為使實驗現象更加明顯，實驗環境應相對較暗，這樣成的蠟燭的像更加清晰.由于成的實像是倒立的，隨著蠟燭越燒越短，光屏上燭焰的像就應該向上移動.

（2）實驗序號1中，物距大于2倍焦距，凸透鏡成倒立、縮小的實像；由實驗序號1可知，當物距等于30cm時，像距等于15cm，由于光在折射時光路是可逆的，所以當物距等于15cm時，像距等于30cm；實驗序號4中，物距小于焦距時，凸透鏡成正立的放大的虛像，這是放大鏡應用的原理.

（3）同前面例2（2）.

（4）只有平行于凸透鏡主光軸的光才會會聚于焦點，所以要利用太陽光測量凸透鏡的焦距，應該讓凸透鏡正對太陽光.而在早上9∶00太陽光是不會垂直于水平面的，所以曉紅測量過程中存在的問題是：凸透鏡沒有正對著太陽光.

答案：（1）較暗；上（2）①倒立、縮小的實像；②30；③放大鏡（3）亮度稍暗的完整像（4）凸透鏡沒有正對著太陽光

點撥：探究凸透鏡的成像規律除了找到不同性質的像的成像條件外，還要能縱觀整個成像過程發現某些動態的規律.比如：成實像時，物距增大，像距減小，像變小.

“紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行”，同學們對于探究實驗必須“親力親為”.解答探究性實驗題的關鍵是：緊扣實驗方案、實驗步驟，結合實踐經驗和親身體驗，利用比較、分類、歸納、概括等方法對實驗現象和數據進行加工與整理，再通過分析、判斷、推理得出結論.