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6.1 透镜成像规律

光的折射、全反射与色散 · 高二
讲清楚它是什么

定义 凸透镜或凹透镜将物体发出的光线折射后,在光屏或视网膜上形成倒立或正立、放大或缩小像的规律。

从哪来 本节为高二光学起点,无前置知识点记录,直接基于初中物理“透镜成像”基础进行深化与定量分析。

为什么 透镜成像本质是光的折射。光线通过透镜时,因介质折射率不同发生偏折。 1. 凸透镜:对光线有会聚作用。当物距 $u$ 变化时,折射光线的交点(像点)位置随之改变。 - 当 $u > 2f$,光线会聚点靠近透镜,成缩小实像。 - 当 $u = 2f$,光线会聚点最远,成等大实像。 - 当 $f < u < 2f$,光线会聚点更远,成放大实像。 - 当 $u < f$,折射光线发散,反向延长线相交,成正立放大虚像。 2. 凹透镜:对光线有发散作用。无论物距如何,折射光线始终发散,反向延长线相交于同侧,成正立缩小虚像。 核心逻辑:物距决定折射光线的会聚/发散程度,从而决定像的位置、大小和虚实。

讲法
适合:形象思维强、喜欢直观演示的学生 讲法:动态演示法 1. 使用光具座,固定凸透镜,点燃蜡烛作为物体。 2. 缓慢移动蜡烛,从远处向透镜靠近,同时移动光屏寻找清晰像。 3. 让学生记录每次物距 $u$、像距 $v$、像的大小和正倒。 4. 引导学生观察:当蜡烛越过焦点 $F$ 时,光屏上突然找不到像,此时用眼睛透过透镜观察,发现虚像。 5. 总结:焦点是实像与虚像的分界线,二倍焦距是放大与缩小的分界线。
讲法
适合:逻辑推理强、偏好数学推导的学生 讲法:公式推导法 1. 引入透镜成像公式:$\frac{1}{u} + \frac{1}{v} = \frac{1}{f}$。 2. 定义放大率 $m = \frac{v}{u}$。 3. 将公式变形为 $v = \frac{uf}{u-f}$。 4. 分析 $u$ 变化对 $v$ 的影响: - 当 $u > f$,$v > 0$,成实像。 - 当 $u$ 从 $\infty$ 减小到 $f$,$v$ 从 $f$ 增加到 $\infty$。 - 当 $u < f$,$v < 0$,成虚像。 5. 结合 $m = \frac{f}{u-f}$,分析 $u$ 变化对 $m$ 的影响,得出放大/缩小规律。
适合:空间想象力强、喜欢类比记忆的学生** **讲法:类比记忆法** 1. **凸透镜
- “一倍焦距分虚实”:$u > f$ 实像,$u < f$ 虚像。 - “二倍焦距分大小”:$u > 2f$ 缩小,$u < 2f$ 放大。 - “物近像远像变大”:物体靠近透镜,像远离透镜且变大。 2. 凹透镜: - “永远正立缩小虚”:无论物距如何,像总是正立、缩小、虚像。 3. 记忆口诀: - 凸透镜:一焦分虚实,二焦分大小;物近像远像变大。 - 凹透镜:正立缩小虚像,永远在透镜同侧。
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练一道
基础题
一个凸透镜焦距 $f = 10\text{cm}$,物体放在距透镜 $u = 30\text{cm}$ 处,求像距 $v$ 和像的性质。
变式
一个凹透镜焦距 $f = -10\text{cm}$(负号表示凹透镜),物体放在距透镜 $u = 20\text{cm}$ 处,求像距 $v$ 和像的性质。
试试手自己判
检测题
一个凸透镜焦距 $f = 15\text{cm}$,物体放在距透镜 $u = 20\text{cm}$ 处,求像距 $v$ 和像的性质。
看答案和判分标准
答案:1. 已知 $f = 15\text{cm}$,$u = 20\text{cm}$。 2. 因为 $f < u < 2f$($15 < 20 < 30$),所以成倒立、放大的实像。 3. 由公式 $\frac{1}{u} + \frac{1}{v} = \frac{1}{f}$,得 $\frac{1}{20} + \frac{1}{v} = \frac{1}{15}$。 4. $\frac{1}{v} = \frac{1}{15} - \frac{1}{20} = \frac{4-3}{60} = \frac{1}{60}$。 5. $v = 60\text{cm}$。 6. 结论:像距为 $60\text{cm}$,成倒立、放大的实像。
判对标准:
- 正确判断 $f < u < 2f$,得出倒立、放大、实像。
- 正确计算 $v = 60\text{cm}$。
- 公式应用正确,计算无误。
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