突破凸透镜成像规律实验

季小亭　顾全　李爱华

[实验要点]

1.实验过程中要注意：

（1）点燃蜡烛后，将烛焰焰心、光屏中心调至凸透镜的主光轴上。为方便操作，我们常将蜡烛、透镜、光屏靠拢在一起调节。

（2）所成的像是实像还是虚像取决于物距，为了方便操作通常固定凸透镜，通过移动蜡烛和光屏找像。

（3）前后移动光屏，当光屏上出现清晰的像时，光屏的位置就是像的位置。

2.  凸透镜成像规律及应用要牢记：

3. 实验中的问题要反思：

（1）实验过程中，蜡烛会越烧越短，像便会逐渐上移，不便观察。为了使像回到光屏中央，我们可以将蜡烛上移，或者将透镜下移，或者将光屏上移。

（2）辨别烛焰的像的左右：轻轻地向左或向右吹动烛焰，看像偏移的情况。

（3）为了解决以上两个蜡烛的短板问题，我们可用F光源代替蜡烛，其优点是：光源稳定、便于辨别左右、比使用蜡烛更环保。

（4）像的亮暗取决于光照强度。当光源、透镜直径一定时，透过的光也是一定的，像越小，则像越亮；像越大，则像越暗。同理，当透镜被遮住一部分，或者透镜面积变小时，透过的光变少，会导致像变暗。

（5）在实验过程中，在蜡烛这一侧观察时，会看到正立或倒立的像。这是部分光反射回来成的像。正立的像是凸透镜前表面（凸面）成的像，而倒立的像是凸透镜后表面（凹面）成的像。

[实验拓展]

变焦问题：变焦即透镜的焦距变化，眼睛能看清不同距离的物体的实质，以及生活中使用调焦相机，都是凸透镜的焦距发生改变。

（1）当物距一定时，凸透镜的焦距越大，像距越大，像越大；凸透镜的焦距越小，像距越小，像越小。调焦相机便应用这一原理调焦，拍出大小不同的照片。

（2）当像距一定时，物距越大，凸透镜的焦距越大；物距越小，凸透镜的焦距越小。人眼能看清远近不同的物体，便应用这一原理。眼睛的结构决定了视网膜到晶状体的距离不变，即像距不变。所以当我们看近处物体时，晶状体焦距变小；看远处物体时，晶状体焦距变大，使物体射来的光会聚在视网膜上，眼睛就能看清物体。

（3）当人眼出现视力缺陷时，便是晶状体的调焦能力出现了问题。看远处物体时，近视眼的晶状体焦距不能变得足够大，所以像距变小，像变小，物体射来的光会聚在视网膜前方。要想使来自物体的光恰好会聚在视网膜上，可以利用凹透镜能使光发散的特点，在眼睛前放一个合适的凹透镜，这便是近视眼的视力矫正。反之，则是远视眼的原理与矫正。

[能力提升]

例1 （2023·黑龙江·大庆）某实验小组进行探究凸透镜成像的实验，操作如下。

（1）实验前，调整烛焰和光屏的中心与凸透镜的光心在同一高度。正确测出凸透镜的焦距f，当物距 u < f 时，烛焰成正立、放大的虚像；当 u = f 时， ____________（填“能”或“不能”）观察到烛焰的像；当 u > f 时，烛焰成 ____________（填“正立的实像”“正立的虚像”“倒立的实像”或“倒立的虚像”）。同学们分析得出：像的虚实是由____________大小关系决定。

（2）当蜡烛、凸透镜和光屏处于图1所示位置时，恰好在光屏上成清晰的像，此时光屏上所成像的特点与____________（填“照相机”“放大镜”或“投影仪”）原理相同。

（3）若仅将图1中凸透镜换成焦距相同、直径较小的凸透镜，光屏上所成的像与原来相比____________（填“變小”“变暗”或“变不完整”）了。

（4）若仅将图1中凸透镜换成直径大小相同、焦距稍小的凸透镜，则需将光屏     ____________（填“向左”或“向右”）移动才能成清晰的像。

（5）如图2所示，凸透镜的焦距为10 cm，保持光屏位置不变，让蜡烛和凸透镜分别以4 cm/s 和2 cm/s 的速度同时沿光具座匀速向左运动，经过2.5 s，光屏上成清晰    ____________（填“放大”“等大”或“缩小”）的像。

答案：（1）不能   倒立的实像   物距和焦距   （2）投影仪   （3）变暗   （4）向左   （5）等大

[综合实践]

例2 小宋进入实验室准备探究凸透镜成像规律的实验时，恰好看到窗户通过凸透镜在光屏上所成的清晰的像，如图3所示，此时凸透镜和光屏分别在光具座的50 cm、61 cm刻度线处，如图4所示。

（1）图3光屏上窗户的像是倒立、 ____________的实像，生活中____________ 就是应用这一成像原理工作的。如果实验室只有焦距为“10 cm”和“20 cm”两种规格的凸透镜，根据他观察到的现象，可知光具座上凸透镜的焦距为____________ cm。

（2）把点燃的蜡烛放在光具座的20 cm刻度线处，凸透镜、光屏保持如图4所示的位置不变，调整烛焰焰心和光屏中心至凸透镜的____________。可以适当地向

（填“左”或“右”）移动光屏，使光屏上得到烛焰清晰的像。

（3）如图5所示，当凸透镜位于光具座上A处时，恰好在光屏上成____________（填“正立”或“倒立”）清晰的像。在保持图5中蜡烛和光屏位置不变的情况下，将凸透镜向右移动到B处（图中未标出），光屏上再次成清晰的像。若已知蜡烛与光屏间的距离为L0，蜡烛与凸透镜第一次所在位置A间的距离为L，如图5。则该透镜焦距f ____________L（填“>”“<”或“=”），透镜先后两次所在位置A、B之间的距离s = ____________（用L0、L表示）。

（4）图6是小明用透明橡皮膜制作的一个水透镜，利用注射器向水透镜内注水或往外抽水来改变水透镜的焦距模拟人眼的晶状体，进行眼睛视物原理的探究。

①要想模拟正常人眼睛的成像情况，需要把图中的蜡烛向____________（填“左”或“右”，下同）移动，再向____________ 移动光屏得到清晰的像。

②保持水透镜、烛焰和光屏位置不变的情况下，向水透镜内注水，发现光屏上的像变模糊。向____________移动光屏，再次出现清晰的像，这是在探究____________眼的成因。若不移动光屏，要在光屏上得到清晰的像，也可以在蜡烛和水透镜之间加一个焦距合适的____________透镜。

答案：（1） 缩小 照相机 10 （2）主光轴上 右 （3）倒立 < L0 - 2L      （4） ①左 左 ②左 近视 凹

（作者单位：江苏省阜宁县明达初级中学）