纵览成像实验领悟探究要点

□管余

纵览成像实验领悟探究要点

□管余

探究凸透镜的成像规律是初中物理中一个很重要的实验，也是中考常考的探究型实验之一.该实验探究的过程、光路图以及成像作图、实际应用等问题，是凸透镜知识板块的几个热点问题.通过该实验，我们要掌握的不仅仅是这些光学知识，更重要的是能从中感悟到实验探究的乐趣与方法，为后续的探究学习奠定基础.

一、实验器材的准备与选择

例1（2015·福州）小华在探究凸透镜成像的规律中：

（1）他将凸透镜正对着太阳，使之在光屏上形成最小、最亮的光斑，如图1所示，则该透镜的焦距为_________cm.

（2）为使像成在光屏中央，应将烛焰、凸透镜和光屏三者中心调节到同一________；将蜡烛放在焦点以外时，都可以在光屏上成________像（选填“实”或“虚”）.

（3）利用该透镜可制作_________眼镜（选填“远视”或“近视”）.

图1

解析：（1）由图可知，平行光射到凸透镜上，会聚到主光轴上的一点即为透镜的焦点，故该透镜的焦距为11.5cm.（2）为使像成在光屏中央，应将烛焰、凸透镜和光屏三者中心调节到同一高度；“一倍焦距内外分虚实”，将蜡烛放在焦点以外时，都可以在光屏上成实像.（3）利用凸透镜的会聚作用可制作远视眼镜.

答案：（1）11.5（2）高度；实（3）远视

点拨：测量凸透镜焦距通常有三种方法：一是让太阳光正对凸透镜照射，在凸透镜另一侧移动光屏，直到光屏上出现最亮最小的光斑，测出光斑到凸透镜的距离就是凸透镜的焦距；二是让较远处的物体通过凸透镜成像在光屏上，测出像到凸透镜距离可近似看成凸透镜焦距；三是让物体通过凸透镜成等大的实像，凸透镜焦距大小等于物体到透镜距离的一半.

实验中器材摆放的要求是将蜡烛、凸透镜和光屏放在光具座上，凸透镜在蜡烛与光屏之间，并调整烛焰、凸透镜、光屏三者的中心，使它们在同一高度上，凸透镜中截面与光屏所在平面要平行，且与光具座垂直.

二、对实验中常见问题的分析

例2（2015·德州）在探究“凸透镜成像规律“的实验中：

图2

（1）实验装置正确安装并调节后，小芳同学某次实验情景如图2所示.此时她在光屏上看到了烛焰清晰的像.生活中的_________就是利用这一原理制成的.

（2）实验过程中，如果用不透明的硬纸板挡住凸透镜的上半部分，则光屏上的像（）.

A.只出现烛焰像的上半部分

B.只出现烛焰像的下半部分

C.出现烛焰完整的像，但像更小了

D.像仍然是完整的，且大小不变，只是变暗了

（3）如果保持蜡烛和凸透镜的位置不变，把光屏向右移一小段距离后，要想在光屏上再次得到清晰的像，可在蜡烛与凸透镜之间放一个____________（选填“近视眼镜”或“远视眼镜”）.

（4）实验过程中，燃烧的蜡烛在不断缩短，导致光屏上的像向上移动，为了使烛焰的像能成在光屏中央，在不更换实验器材的情况下，请写出一种可行的方法____________.

解析：（1）由图可知，像距小于物距，此时成倒立缩小的实像，照相机是根据这个原理制成的.（2）用不透明的硬纸板挡住透镜上半部分，透过透镜的光线减少，透镜的下半部分仍有折射光线成像，所以光屏上所成的像是完整的，大小不变，但亮度变暗，故D正确.（3）近视眼镜属于凹透镜，远视眼镜属于凸透镜，把光屏向右移动一小段距离，要想在光屏上再次得到淸晰的像，应使像向右移动，需要在凸透镜和蜡烛之间放置一个凹透镜使光线适当地发散，故选用近视眼镜.（4）蜡烛在燃烧中不断缩短，烛焰向下移动，在光屏上所成的像向上移动，要使像能够成在光屏中央，可向上移动光屏，或向上移动蜡烛或向下移动凸透镜.

答案：（1）照相机（摄像机等合理即可）（2）D（3）近视眼镜（4）将蜡烛向上调节（将凸透镜向下调节或将光屏向上调节，答出一种即可）

点拨：该实验中常见的故障原因及处理办法包括：

（1）在探究凸透镜成像实验过程中，随着蜡烛的不断燃烧，烛焰向下移.因此将光屏向上移或将凸透镜向下移，像方能成在光屏中央.

（2）用遮光纸挡住凸透镜的一部分，在光屏上仍然能出现完整的像，只不过像变暗了些.

（3）在实验中，无论怎样移动光屏，光屏上总出现不了烛焰的像，造成该现象的原因可能是物距小于或等于凸透镜焦距，也可能是烛焰、凸透镜、光屏三者的中心不在同一高度的直线上.

（4）实验中无论怎样移动光屏，光屏上总出现一个与凸透镜直径大小相等的光斑.造成这现象的原因是烛焰位于凸透镜的焦点上造成的.

（5）实验中蜡烛可以用发光二极管代替，其目的是让所成的像稳定并容易对比大小.

（6）凸透镜成实像时，若物距变大，则像距变小且像变小，因此为了在光屏上再次呈现清晰的像，当物距增大时光屏应向靠近凸透镜方向移动适当的距离.

三、对实验数据的处理和分析

例3（2015·广东）用焦距为10cm的凸透镜做“探究凸透镜成像规律”的实验，如图3所示（凸透镜的位置固定不动）：

（1）为了便于观察实验现象，实验环境应该____________（选填“较亮”或“较暗”）一些，此实验过程中蜡烛燃烧后逐渐变短，则光屏上烛焰的像将逐渐向____________移动.

（2）记录实验数据如下表，请将所缺的实验数据和像的性质补充完整.

实序1234验号物u321 / 6 c距005 m②像v/ 12无c距50 m①倒倒正立立立像、、、等放放的大大大性的的的质实实虚像像像

请根据实验序号4的成像规律，写出在生活中的一个应用：③____________.

（3）若已在光屏上成清晰的像，此时用遮光布遮住凸透镜的下半部分，则所成的烛焰的像为______（选填“不完整的像”“亮度相同的完整像”或“亮度稍暗的完整像”）.

（4）晓红在早上9∶00利用太阳光进行观察凸透镜焦点的活动，她将凸透镜与水平地面平行放置，调节凸透镜到地面的距离，直至地面上出现一个最小的亮点，她认为此点就是凸透镜的焦点.你认为该活动过程存在的问题是：____________.

解析：（1）为使实验现象更加明显，实验环境应相对较暗，这样成的蜡烛的像更加清晰.由于成的实像是倒立的，随着蜡烛越烧越短，光屏上烛焰的像就应该向上移动.

（2）实验序号1中，物距大于2倍焦距，凸透镜成倒立、缩小的实像；由实验序号1可知，当物距等于30cm时，像距等于15cm，由于光在折射时光路是可逆的，所以当物距等于15cm时，像距等于30cm；实验序号4中，物距小于焦距时，凸透镜成正立的放大的虚像，这是放大镜应用的原理.

（3）同前面例2（2）.

（4）只有平行于凸透镜主光轴的光才会会聚于焦点，所以要利用太阳光测量凸透镜的焦距，应该让凸透镜正对太阳光.而在早上9∶00太阳光是不会垂直于水平面的，所以晓红测量过程中存在的问题是：凸透镜没有正对着太阳光.

答案：（1）较暗；上（2）①倒立、缩小的实像；②30；③放大镜（3）亮度稍暗的完整像（4）凸透镜没有正对着太阳光

点拨：探究凸透镜的成像规律除了找到不同性质的像的成像条件外，还要能纵观整个成像过程发现某些动态的规律.比如：成实像时，物距增大，像距减小，像变小.

“纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行”，同学们对于探究实验必须“亲力亲为”.解答探究性实验题的关键是：紧扣实验方案、实验步骤，结合实践经验和亲身体验，利用比较、分类、归纳、概括等方法对实验现象和数据进行加工与整理，再通过分析、判断、推理得出结论.