探究凸透镜成像规律

[实验要点]

1. 1倍焦距分虚实：1倍焦距以外成实像，1倍焦距以内成虚像。

2. 2倍焦距分大小：2倍焦距以外成缩小像，2倍焦距以内成放大像。

3. 成实像时，像与物的上下、左右都颠倒。向左吹烛焰，烛焰在光屏上的像向右偏。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。

4. 成虚像时，像与物的上下、左右都一致。向左吹烛焰，透过透镜向蜡烛一侧看，能看到烛焰的像向左偏。

5. 成实像时，物近像远像变大，物远像近像变小。物体靠近凸透镜，光屏远离凸透镜，物距变小，像距变大，像变大；物体远离凸透镜，光屏靠近凸透镜，物距变大，像距变小，像变小。

6.成虚像时，物近像近像变小，物远像远像变大。物体远离凸透镜，像远离凸透镜，物距变大，像距变大，像变大；物体靠近凸透镜，像靠近凸透镜，物距变小，像距变小，像变小。

7. 物距和像距，谁大谁就大。物距大，物就大于像；像距大，像就大于物。

8.将透镜挡上一半，仍然成完整的像，但像变暗了。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。

[实验拓展]

1. 凸透镜成像规律及其应用要牢记：

2. 规律拓展：

（1）选择光具座长度的依据：u + v ≥ 4f，即物距和像距的和大于等于4倍焦距。

（2）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。

（3）无论怎样移动光屏都无法在光屏上看到烛焰清晰的像的原因：

①蜡烛在凸透镜的1倍焦距以内，成虚像；②蜡烛在1倍焦距和2倍焦距之间，但非常靠近焦点（1倍焦距），所以像距很大（大于光具座的长度）；③蜡烛在1倍焦距上（焦点处）不成像；④像成在了光屏的上方或下方。

（4）u gt; 2f、f lt; v lt; 2f时，物体的移动速度大于像的移动速度。因为物体在2倍焦距以外移动，而像在1倍焦距和2倍焦距之间移动，物体的移动范围比像的移动范围大，也就是物体的移动路程比像的移动路程大。而物体的移动时间等于像的移动时间，所以物体的移动速度大于像的移动速度。同理，f lt; u lt; 2f、v gt; 2f时，物体的移动速度小于像的移动速度。

（5）成像大小与焦距的关系：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。

[能力提升]

例1 如图1所示，用焦距为10 cm的凸透镜、高度为6 cm的F形光源、光屏和光具座等器材探究凸透镜成像大小的变化规律，通过测量像的高度反映像的大小。

（1）若要测量光源在光屏上所成像的高度，还需要的测量工具是_________。

（2）将光源逐渐靠近凸透镜，移动光屏，把三次成倒立实像的相关数据记录如下表。分析表中数据，可得出结论：凸透镜成实像时，物距变小，像距变_________，像变_________。

（3）继续移动光源至物距为6 cm时，发现无论如何移动光屏，均不能在光屏上成像，人眼应从_________（选填“光源”或“光屏”）一侧透过凸透镜观察光源的像，此时能否用（1）问中的测量工具直接测出观察到的像高？_________（选填“能”或“不能”）。

（4）若保持光源到光屏的距离为45 cm不变，仅移动凸透镜改变物距，则表中第_________次实验的成像情况不能探究，理由是：__________________。

答案：（1）刻度尺 （2）大 大 （3）光屏 不能 （4）2 u + v lt; 45 cm

[综合实践]

例2 请阅读下文，并回答问题。

菲涅尔透镜

图2甲所示为一平凸透镜，平行光由平凸透镜平面一侧垂直入射，在透镜中传播方向不变，只有经透镜另一侧曲面时才会发生偏折，并会聚于焦点。若将平凸透镜深色部分（如图2乙所示）去掉，只保留曲面的白色部分（如图2丙所示），并将其向左平移到透镜平面处（如图2丁所示），这样得到的透镜叫作菲涅尔透镜，又称螺纹透镜。与平凸透镜相比，光在菲涅尔透镜中传播时减少了在透镜中直线传播的部分，只保留透镜发生折射的曲面，既节省透镜材料又减少了光在透镜中传播的光能损失。

菲涅尔透镜有着广泛的应用，大型菲涅尔透镜是聚光太阳能系统中重要的光学部件之一，当透镜非螺纹面垂直面向太阳光时，太阳光垂直照射到菲涅尔透镜上，光通过菲涅尔透镜会聚到焦点上，如图3甲所示。若将太阳能电池板放置在一半焦距处，光线会聚后照射面积仅为原来的四分之一，如图3乙所示，因而所需太阳能电池板面积也就减小为原来的四分之一，大大节约成本的同时，也提高了单位面积上接收到的光照强度。

根据上述材料，回答下列问题。

（1）当平行光由平凸透镜平面一侧垂直入射时，在___________（选填“透镜平面一侧”或“透镜曲面一侧”）会发生偏折。

（2）菲涅尔透镜对光有___________（选填“会聚”或“发散”）作用。

（3）图3乙中，将一太阳能电池板放置于菲涅尔透镜下方的一半焦距处，与不放置菲涅尔透镜相比，太阳能电池板上受光照部分在单位时间接收到的光能提高为原来的___________倍。（不考虑光传播过程中的能量损失）

答案：（1）透镜曲面一侧 （2）会聚 （3）4

（作者单位：凌海市育才学校）