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3. 凸透镜成像动态分析

透镜成像规律及应用 · 初二
先确认一下:这一关能不能学
先会这个
上面这几节是它的地基 —— 没通的话,补完再回来,比硬啃快得多。
讲清楚它是什么

定义 物体通过凸透镜成像时,物距、像距及像的性质随物距变化而连续改变的分析方法。

从哪来 基于折射定律,理解光线经过凸透镜折射后汇聚或发散的几何规律,进而推导成像位置与大小的变化关系。

为什么 凸透镜成像本质是光路可逆与折射规律的几何体现。当物体靠近透镜(物距 $u$ 减小),入射光线与主光轴夹角变大,折射后汇聚点(像点)会远离透镜(像距 $v$ 增大)。根据相似三角形原理,像高与物高之比等于像距与物距之比($h'/h = v/u$),因此 $v$ 增大且 $u$ 减小会导致像高 $h'$ 显著增大。反之,物体远离透镜,像靠近透镜且变小。焦点是虚实像的分界点,二倍焦距是大小像的分界点,这是由光路几何结构决定的必然结果。

动态手势法
适合形象思维强、抽象逻辑较弱的学生。 让学生伸出双手,左手代表物体,右手代表像,指尖相对。告诉学生:“物像同向跑,中间有个焦点挡。”当左手(物)向透镜移动时,右手(像)必须向远离透镜方向移动,且手指张开幅度(像的大小)变大。强调“物近像远像变大”的口诀,通过肢体动作强化空间动态感,避免死记硬背公式。
极限逼近法
适合逻辑推理能力强、喜欢探究规律的学生。 不直接给结论,而是引导分析两个极端情况: 1. 当 $u \to \infty$ 时,像在哪里?(焦点附近,极小) 2. 当 $u \to 0$(贴近透镜)时,像在哪里?(贴近透镜,等大正立,即放大镜原理) 既然从“无穷远极小”到“贴近等大”,中间必然经历“像距变大、像变大”的过程。通过逻辑链条推导,让学生理解变化的连续性和单调性,建立数学物理思维。
光路追踪法
适合空间想象力好、擅长几何作图的学生。 在纸上画出凸透镜、主光轴、焦点 $F$ 和二倍焦距点 $2F$。选取物体上一点 $A$,画出两条特殊光线(平行于主光轴、过光心)。 1. 当 $A$ 在 $2F$ 外,光线汇聚点在 $F$ 与 $2F$ 之间。 2. 当 $A$ 移向 $2F$,汇聚点移向 $2F$。 3. 当 $A$ 移向 $F$,汇聚点趋向无穷远。 通过动态调整 $A$ 点位置,观察光线交点的移动轨迹,直观看到像距 $v$ 随 $u$ 减小而增大的几何事实。
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练一道
基础题
蜡烛放在凸透镜前 30cm 处,在光屏上得到一个倒立、缩小的实像。现将蜡烛向透镜方向移动 5cm,问光屏应向哪个方向移动才能再次得到清晰的像?此时像的大小如何变化?
变式
在探究凸透镜成像规律的实验中,蜡烛、透镜、光屏位置固定时,光屏上呈现清晰的像。若保持透镜位置不变,将蜡烛和光屏互换位置,光屏上能否再次成像?若能,像的性质与原像相比有何不同?
看解答过程
1. 初始状态:成倒立缩小实像,说明 $u > 2f$,即 $30\text{cm} > 2f$,得 $f < 15\text{cm}$。 2. 动态变化:蜡烛向透镜移动 5cm,物距 $u$ 减小。 3. 规律应用:根据“物近像远像变大”规律,物距减小,像距 $v$ 必然增大。 4. 结论:光屏应向远离透镜的方向移动;像的大小变大(但仍可能是缩小或等大,取决于具体 $f$ 值,但相对原像一定变大)。
试试手自己判
检测题
将一支点燃的蜡烛放在凸透镜前,调节光屏位置,在光屏上得到一个清晰的像。此时,若用不透明的纸片遮住凸透镜的上半部分,光屏上的像将发生什么变化? A. 像的上半部分消失 B. 像的下半部分消失 C. 像变得不完整,只剩下半部分 D. 像依然完整,但亮度变暗
看答案和判分标准
答案:D
判对标准:
1. 选择 D 为正确。
2. 若学生选择 A、B 或 C,说明其误以为透镜的每一部分对应像的一部分(类似小孔成像的误解)。
3. 正确理解应为:凸透镜成像是由物体发出的无数条光线经透镜折射后汇聚而成。遮住透镜上半部分,只是减少了参与成像的光线数量,但剩余的下半部分透镜仍能折射光线并在原位置汇聚成完整的像,只是通光量减少,导致像的亮度变暗。
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