师:同学们好。这一节课我们来学习3.6节探究凸透镜成像规律。首先来看学习目标,基于探究透镜成像规律,知道凸透镜成放大、缩小、实像和虚像的条件。
大家看,这是一个放大镜,这是一个照相机,这是一个投影仪。注意观察,这三个器件前端都有凸透镜,都能成像。有没有同学知道它们成的像有什么不同呢?通过这节课的学习,我们就来探究它们成像的情况。凸透镜成像会与什么因素有关呢?接下来我们进行探究。在探究之前,先复习一下探究的一般性步骤:一、提出问题与猜想;二、设计实验;三、进行实验;四、分析论证。
先看提出问题。大家想想,日常生活中使用照相机拍照时,离照相机的远近会影响成像情况。由此我们提出问题:像的大小、虚实、正立与物体到凸透镜的距离有关系吗?根据照相机的实际应用,我们猜想:凸透镜所成的像可能与物体到凸透镜的距离有关。
接着设计实验,我们首先要组装器材。同学们看,老师带来一个光具座,上面有蜡烛、凸透镜、光屏。如何安装呢?前面放上点燃的蜡烛,中间放上凸透镜,这边放上光屏。然后调节蜡烛、凸透镜、光屏三者的高度,使烛焰的中心、凸透镜中心、光屏的中心在同一高度,这样所成的像就能呈现在光屏中央。
我们回忆一下前面学过的物理量:物距,即物体到凸透镜光心(也就是凸透镜中心)的距离,用u表示;像距,像到凸透镜光心的距离,用v表示;焦距,焦点到凸透镜中心(光心)的距离,用f表示。
下面通过实验来看物体在三个位置成像的情况。第一个位置,把蜡烛放在两倍焦距之外,即u>2f ,移动光屏找到清晰的像。接着把物体移到一倍焦距到2倍焦距之间,再移动光屏找像,直至找到清晰的像。然后把蜡烛移到一倍焦距以内,移动光屏找像,这时发现找不到清晰的像,这是因为成的是虚像。这个过程同学们课后也可以通过实验验证。下面老师通过一个Flash模拟一下成像情况。
同学们看,当蜡烛移到2倍焦距之外时,通过凸透镜在另一侧光屏上成倒立缩小的实像。当把蜡烛从2倍焦距之外往前移,逐渐靠近2倍f 时,发现物体靠近凸透镜,像远离凸透镜,并且像逐渐变大,一直移到2倍焦距这个点上。当移到2倍焦距点上时,即物距u = 2f ,此时像距v也等于2f ,像和物等大,成的是倒立等大的实像。把蜡烛再往前移到1倍焦距到2倍焦距间时,所成的像是倒立放大的实像。继续把物体往前移,向一倍焦距靠近,像又逐渐变大。当移到一倍焦距这个点上时,发现没有像了,看到两条平行线,也就是说光线既没有正向汇聚,也没有反向汇聚。提醒同学们,正向汇聚成实像,反向汇聚成虚像,此时在一倍焦距这个点上不成像。再把蜡烛移到1倍焦距以内,当物体到达距离凸透镜一倍焦距以内时,成正立放大的虚像。
下面我们对刚才研究的凸透镜成像情况进行小结,老师通过列表形式展示。当u>2f 时,也就是物体在两倍焦距之外,成像在一倍焦距到2倍焦距之间,成倒立缩小的实像,这是照相机应用的实例。当物体移到1倍焦距到2倍焦距之间时,成像在两倍焦距之外,成倒立放大的实像,应用实例是投影仪。同学们对比一下,物距在两倍焦距之外时,成像在一倍焦距到2倍焦距之间;当物体移到1倍焦距到2倍焦距之间时,成像在两倍焦距之外。物体大于两倍焦距时,成倒立缩小的实像;物体在1倍焦距到2倍焦距之间时,成倒立放大的实像。大于两倍焦距成缩小的像,小于两倍焦距成放大的像,物体从缩小到放大中间存在一个过渡点,就是既不放大也不缩小的等大情况,这个过渡点就是2倍f ,即当u = 2f 时,像距v也等于2f ,成倒立等大的实像,这个例子可用来测量凸透镜的焦距。当物体移到一倍焦距以内时,成正立放大的虚像,生活中应用实例是放大镜。之前大于一倍焦距时成实像,现在小于一倍焦距成虚像,实像和虚像之间存在一个过渡点,既不是实像也不是虚像,就是不成像,这个过渡点就是一倍f ,即u = f 时不成像。
下面我们再通过实验加深对这部分知识的理解。思考这个问题:当成实像的时候,老师用手把凸透镜的下部给挡起来,猜一猜光屏上像会发生什么变化呢?大家看这个图,物体上某一个点发出的所有光线经过凸透镜以后将汇聚到一点,这个点就是像点。如果用物体把凸透镜下部挡起来,物体发光点上面发出的光线,上面部分没有遮挡,通过透镜仍然汇聚到这一个点,下部由于遮挡没有透过来,那么汇聚到这个点上的光线就变少了。所以,如果把凸透镜的下半部遮住,能成完整的像,但是像变暗了。
我们再回顾一下,刚才实验中物体通过凸透镜可以成实像,也可以成虚像。老师之前说过成实像和成虚像时的分界点位置。成实像时,物体应大于一倍焦距;成虚像时,物距应小于一倍焦距。也就是说,物距在一倍焦距之外成实像,物距在一倍焦距以内成虚像,所以一倍焦距的焦点就是实像和虚像的分界点。
