突破凸透鏡成像規律實驗

季小亭　顧全　李愛華

[實驗要點]

1.實驗過程中要注意：

（1）點燃蠟燭后，將燭焰焰心、光屏中心調至凸透鏡的主光軸上。為方便操作，我們常將蠟燭、透鏡、光屏靠攏在一起調節。

（2）所成的像是實像還是虛像取決于物距，為了方便操作通常固定凸透鏡，通過移動蠟燭和光屏找像。

（3）前后移動光屏，當光屏上出現清晰的像時，光屏的位置就是像的位置。

2.? 凸透鏡成像規律及應用要牢記：

3. 實驗中的問題要反思：

（1）實驗過程中，蠟燭會越燒越短，像便會逐漸上移，不便觀察。為了使像回到光屏中央，我們可以將蠟燭上移，或者將透鏡下移，或者將光屏上移。

（2）辨別燭焰的像的左右：輕輕地向左或向右吹動燭焰，看像偏移的情況。

（3）為了解決以上兩個蠟燭的短板問題，我們可用F光源代替蠟燭，其優點是：光源穩定、便于辨別左右、比使用蠟燭更環保。

（4）像的亮暗取決于光照強度。當光源、透鏡直徑一定時，透過的光也是一定的，像越小，則像越亮；像越大，則像越暗。同理，當透鏡被遮住一部分，或者透鏡面積變小時，透過的光變少，會導致像變暗。

（5）在實驗過程中，在蠟燭這一側觀察時，會看到正立或倒立的像。這是部分光反射回來成的像。正立的像是凸透鏡前表面（凸面）成的像，而倒立的像是凸透鏡后表面（凹面）成的像。

[實驗拓展]

變焦問題：變焦即透鏡的焦距變化，眼睛能看清不同距離的物體的實質，以及生活中使用調焦相機，都是凸透鏡的焦距發生改變。

（1）當物距一定時，凸透鏡的焦距越大，像距越大，像越大；凸透鏡的焦距越小，像距越小，像越小。調焦相機便應用這一原理調焦，拍出大小不同的照片。

（2）當像距一定時，物距越大，凸透鏡的焦距越大；物距越小，凸透鏡的焦距越小。人眼能看清遠近不同的物體，便應用這一原理。眼睛的結構決定了視網膜到晶狀體的距離不變，即像距不變。所以當我們看近處物體時，晶狀體焦距變小；看遠處物體時，晶狀體焦距變大，使物體射來的光會聚在視網膜上，眼睛就能看清物體。

（3）當人眼出現視力缺陷時，便是晶狀體的調焦能力出現了問題。看遠處物體時，近視眼的晶狀體焦距不能變得足夠大，所以像距變小，像變小，物體射來的光會聚在視網膜前方。要想使來自物體的光恰好會聚在視網膜上，可以利用凹透鏡能使光發散的特點，在眼睛前放一個合適的凹透鏡，這便是近視眼的視力矯正。反之，則是遠視眼的原理與矯正。

[能力提升]

例1 （2023·黑龍江·大慶）某實驗小組進行探究凸透鏡成像的實驗，操作如下。

（1）實驗前，調整燭焰和光屏的中心與凸透鏡的光心在同一高度。正確測出凸透鏡的焦距f，當物距 u < f 時，燭焰成正立、放大的虛像；當 u = f 時， ____________（填“能”或“不能”）觀察到燭焰的像；當 u > f 時，燭焰成 ____________（填“正立的實像”“正立的虛像”“倒立的實像”或“倒立的虛像”）。同學們分析得出：像的虛實是由____________大小關系決定。

（2）當蠟燭、凸透鏡和光屏處于圖1所示位置時，恰好在光屏上成清晰的像，此時光屏上所成像的特點與____________（填“照相機”“放大鏡”或“投影儀”）原理相同。

（3）若僅將圖1中凸透鏡換成焦距相同、直徑較小的凸透鏡，光屏上所成的像與原來相比____________（填“變小”“變暗”或“變不完整”）了。

（4）若僅將圖1中凸透鏡換成直徑大小相同、焦距稍小的凸透鏡，則需將光屏? ? ?____________（填“向左”或“向右”）移動才能成清晰的像。

（5）如圖2所示，凸透鏡的焦距為10 cm，保持光屏位置不變，讓蠟燭和凸透鏡分別以4 cm/s 和2 cm/s 的速度同時沿光具座勻速向左運動，經過2.5 s，光屏上成清晰? ? ____________（填“放大”“等大”或“縮小”）的像。

答案：（1）不能? ?倒立的實像? ?物距和焦距? ?（2）投影儀? ?（3）變暗? ?（4）向左? ?（5）等大

[綜合實踐]

例2 小宋進入實驗室準備探究凸透鏡成像規律的實驗時，恰好看到窗戶通過凸透鏡在光屏上所成的清晰的像，如圖3所示，此時凸透鏡和光屏分別在光具座的50 cm、61 cm刻度線處，如圖4所示。

（1）圖3光屏上窗戶的像是倒立、 ____________的實像，生活中____________ 就是應用這一成像原理工作的。如果實驗室只有焦距為“10 cm”和“20 cm”兩種規格的凸透鏡，根據他觀察到的現象，可知光具座上凸透鏡的焦距為____________ cm。

（2）把點燃的蠟燭放在光具座的20 cm刻度線處，凸透鏡、光屏保持如圖4所示的位置不變，調整燭焰焰心和光屏中心至凸透鏡的____________。可以適當地向

（填“左”或“右”）移動光屏，使光屏上得到燭焰清晰的像。

（3）如圖5所示，當凸透鏡位于光具座上A處時，恰好在光屏上成____________（填“正立”或“倒立”）清晰的像。在保持圖5中蠟燭和光屏位置不變的情況下，將凸透鏡向右移動到B處（圖中未標出），光屏上再次成清晰的像。若已知蠟燭與光屏間的距離為L0，蠟燭與凸透鏡第一次所在位置A間的距離為L，如圖5。則該透鏡焦距f ____________L（填“>”“<”或“=”），透鏡先后兩次所在位置A、B之間的距離s = ____________（用L0、L表示）。

（4）圖6是小明用透明橡皮膜制作的一個水透鏡，利用注射器向水透鏡內注水或往外抽水來改變水透鏡的焦距模擬人眼的晶狀體，進行眼睛視物原理的探究。

①要想模擬正常人眼睛的成像情況，需要把圖中的蠟燭向____________（填“左”或“右”，下同）移動，再向____________ 移動光屏得到清晰的像。

②保持水透鏡、燭焰和光屏位置不變的情況下，向水透鏡內注水，發現光屏上的像變模糊。向____________移動光屏，再次出現清晰的像，這是在探究____________眼的成因。若不移動光屏，要在光屏上得到清晰的像，也可以在蠟燭和水透鏡之間加一個焦距合適的____________透鏡。

答案：（1） 縮小 照相機 10 （2）主光軸上 右 （3）倒立 < L0 - 2L ? ? ?（4） ①左 左 ②左 近視 凹

（作者單位：江蘇省阜寧縣明達初級中學）