3.6 凸透镜成像规律 


下载此章节

3.6 凸透镜成像规律 

 

【与教材不同之处】

更详细描述凸透镜成像的相关概念;更详细描述凸透镜成像的实验事实;更详细描述凸透镜成像的规律和口诀;更详细描述放大镜的原理和应用。

 

 

什么是实像与虚像

 

实像是指由实际光线会聚而形成的,可以呈现在光屏上。比如小孔成像。

虚像是指由反射光线或折射光线的反向延长线相交而形成的,不能呈现在光屏上,只能通过人眼可以看见。比如平面镜成像等。

 

 

凸透镜成像现象

 

相同的凸透镜,对着近处课本上的字观察时,看到的是正立放大的像;而对着远处的房屋观察时,看到的却是倒立缩小的像,如图3-6-1所示。

我们猜想,凸透镜成像的大小、像的正倒、像的虚实情况可能与物距有关。

什么是物距?

物距是指物体到‌凸透镜光心的距离,用字母u表示。


器材准备

 

探究凸透镜成像情况与物距的关系,我们将选择如下器材,如图3-6-2所示。

(1)光具座:光具座一个平直的轨道,上面附有毫米标尺,在导轨面上有可移动的支架,支架可调高度,支架上可放置蜡烛、凸透镜、光屏。光具座的好处有两点:

一是物距、像距的大小可以直接在标尺上测量出来;

什么是像距?

像距是指像与凸透镜光心的距离,用字母v表示。

二是确保光源、凸透镜、光屏保持在同一直线上,如果没有光具座,则光源、凸透镜、光屏是否在同一直线上,还要进行仔细的调整,非常麻烦。

(2)光屏:用来检验凸透镜成的像是否是实像。如果光屏上呈现的是清晰的有形状的光斑,便是实像。如果是模糊的,那只是光斑,并不是实像。

(3)光源:我们此次实验选择的光源是蜡烛。其实,如果条件允许,选择LED的F型光源更佳(如图3-6-3所示),因为F型光源相比蜡烛而言有这么几个优点:一是成像更稳定,不会像蜡烛的火焰会摆动;二是蜡烛使用一段时间后会变短,在光屏上成的像可能就会不在光屏中央上;三是F是一种不对称的字母,通过观察它的像,更能判断像与物的对比关系;四是F型光源大小是固定的,更容易判断像的大小变化。


(4)凸透镜:凸透镜的规格选择有一定的要求,在探究物距对凸透镜成像情况的影响的实验中,我们先选用焦距为8cm的凸透镜。

凸透镜的焦距最好在8cm至20cm之间。如果焦距太长,不但成的像可能变得不清晰,甚至可能使像距大于光具座的长度,那么光屏无论怎样移动,也无法在光屏上找到清晰的像。

 

 

实验探究凸透镜成像情况与物距的关系

 

我们将如何探究凸透镜成像情况与物距的关系?

1、实验前,点燃蜡烛后,把烛焰的中心、凸透镜的光心、光屏的中心调整到同一高度处,这样做的目的是使凸透镜成的像在光屏的中心上,如图3—6-4所示。


2、由于是探究物距对凸透镜成像情况的影响,所以,我们采用“由远及近”的方式来改变物距。需要强调的是,在实验过程中,如果蜡烛燃烧的时间过长变短,像没有在中央,我们如何调整呢?

具体操作方法是:先把凸透镜放在中央,再点燃的蜡烛从远处向靠近凸透镜的方向移动,每次移动2cm,每次确定好物距好,再来移动光屏,在移动光屏的过程中,观察光屏上的成像情况。通过光屏后,光屏上如果有了清晰的实像,则记录下此时的物距和像距。

物距由大变小的过程,光屏上看到的像的情况归纳起来共有5种,如图3-6-5所示,分别是:

(1)与物体相比,光屏上的像更小——缩小的实像;

(2)与物体相比,光屏上的像像与物体是一样大的——等大的实像;

(3)与物体相比,光屏上的像像更大——放大的实像;

(4)光屏上只有圆形光斑,没有像的形状——不成像;

(5)光屏上的光斑不是圆的,无论怎样移动,光斑不清晰——不成像。

把每次成像情况时的物距,像距大小记录在表格中,并把每次成像情况也记录在表格中,表格如下:

通过对表格的数据分析,我们发现物距与焦距(f=8cm)之间的数量关系不同时,成像情况也不相同。

我们总结的结论如下:

(1)当物距大于二倍焦距时,像的特征是:缩小的,倒立的实像

(2)当物距等于二倍焦距时,像的特征是:等大的,倒立的实像

(3)当物距在一倍焦距和二倍焦距时,像的特征是:放大的,倒立的实像

(4)当物距等于一倍焦距时,不成实像,也不虚像

我们是如何判断凸透镜不成虚像的呢?

我们判断凸透镜是否能成虚像,一是光屏不能呈现出像的形状;二是去掉光屏,眼睛位地光屏的位置,透过凸透镜观察蜡烛的火焰,如果能看到像,那便是虚像,如果只看到一整片光斑,那说明不是虚像。

当物距等于一倍焦距时,无论是光屏上,还是眼睛透过凸透镜直接观察,呈现的都只是光斑,这说明,当物距等于一倍焦距时,不成像。

(5)当物距小于一倍焦距时,像的特征是:放大的,正立的虚像

因为当物距小于一倍焦距时,光屏上只有光斑,此时不成实像,但当眼睛在光屏一侧透过凸透镜观察蜡烛的火焰时,我们看到的是清晰的放大的正立的像,如图3-6-6所示。

(6)成实像时,当物距变小,像距会变大,像的大小也变大

由实验次数1、2、3、4、5、6可知,成实像时,物距变小,像距变大,像的大小经过缩小——等大——放大阶段,这说明像的大小是在变大的。

需要强调的是:

(1)变大与放大的区别。变大是指像与像之间的比较,“现在的像”与“之前的像”的大小比较;放大是指像与物之间的比较,“现在的像”与“光源”之间大小的比较。

(2)物距与像距之间的关系。成实像时,我们发现当物距在两倍焦距之外,像距在一倍焦距和两倍焦距之间;当物距在一倍焦距和两倍焦距之间,则像距在两倍焦距之外;成实像时,物距与像距之和总是等于或大于四倍焦距。我们用一个表格来总结它们之间的关系。


由表格中物距与像距的关系,我们发现:像距大于物距,无论是实像还是虚像,像都是放大的;像距等于物距,像是等大;像距小于物距,像是缩小的。

 

光路图分析凸透镜成像情况

 

为什么物距会影响凸透镜的成像情况呢?

我们现在用光路图来分析凸透镜成像情况。我们选择两条比较特殊的入射光线来分析,一条是经过光心的入射光线,这条光线经过凸透镜后折射光线的传播方向不变;一条是平行主光轴的入射光线,这条光线经过凸透镜后折射光线经过焦点。

(1)当物体在两倍焦距之外时,它的光路图如3-6-7所示。

由图可知,当物体在两倍焦距之外,像距在一倍焦距和两倍焦距之间,像的大小相比物体大小而言是缩小的,像也是倒立的,像也是由光线实际会聚而成的,属于实像。

(2)当物体的位置正好在两倍焦距的位置时,它的光路图如3-6-8所示。

由图可知,当物体的位置正好在两倍焦距的位置时,像的位置也正好在两倍焦距的位置,利用全等三角形的关系可知,像的大小与物体的大小是相等的。此时像也是倒立的,像也是由光线实际会聚而成的,属于实像。

(3)当物体在一倍焦距与两倍焦距之间时,它的光路图如3-6-9所示。

由图可知,当物体在一倍焦距与两倍焦距之间时,像距在两倍焦距之间外,像的大小相比物体大小而言是放大的,像也是倒立的,像也是由光线实际会聚而成的,属于实像。

(4)当物体刚好在一倍焦距的位置时,它的光路图如3-6-10所示。

由图可知,当物体刚好在一倍焦距的位置时,两条折射光线是平行的,也就是说,平行光线不会会聚一点成像,反向延长线也不会相交一点,成虚像。因此,当物体刚好在一倍焦距的位置时,凸透镜是不能成像的。光屏上只有一个大小不变的光斑。

(5)当物体在一倍焦距以内时,它的光路图如3-6-11所示。

由图可知,当物体在一倍焦距以内时,两条折射光线也不会实际会聚,但它们的反向延长线会交于一点,成虚像。由图可知,虚像的大小永远都比物体在,即是放大的、正立的,虚像。

需要注意的是,

(1)凸透镜成虚像时,虽然我们在实验过程中无法测出像距的大小,但由光路图可知,在虚像时,像距比物距大,像的大小也是放大。

 (2)凸透镜成虚像时,如果物距增大,像距也会增大,如图3-6-12所示。这与凸透镜成实像情况是相反的。也就是说,成虚像时,物体远离凸透镜,像距是变大的,像的大小也是变大的。

 

凸透镜成像规律的口诀

 

有了实验事实和光路图分析,我们将总结的规律再用口诀的方式来归纳一下,以便我们记忆。

一倍焦距分虚实、二倍焦距分大小

当物距大于一倍焦距,凸透镜成实像;当物距小于一倍焦距,凸透镜成虚像。

当物距大于二倍焦距,凸透镜成的像一定是缩小的;当物距小于二倍焦距时,无论凸透镜成实像还是成虚像,像的大小一定是放大的。

物远像近实像小

这句话有三层含义:一是成实像时,当物距增大,像距就会变小,实像的大小也会变小,这是凸透镜成像过程的动态变化的描述;二是成实像时,当物距是远的,像距是近的,即物距大于像距时,实像的大小属于缩小情况,这是凸透镜成像过程中物体处于某个位置时的静态情况的描述;三是“远”指的是大于二倍焦距,“近”指的是在一倍焦距和二倍焦距之间。

物远像远虚像大

当成虚像时,物距增大,像距也会增大,虚像的大小不仅是放大的,也会变大。

 

 

放大镜

 

当我们用凸透镜观察近处课本上的字时,我们看到的正立、放大的字。根据凸透镜成像规律,我们可以判定出此时凸透镜成的像是虚像,物距是小于一倍焦距的(u<f),这样的透镜我们称为放大镜。

生活中,我们鱼缸的侧面观察鱼缸内的鱼,鱼看起来总是变得很大,这是因为鱼缸和水相当于凸透镜,由于鱼此时一定在凸透镜的一倍焦距以内(u<f),这时凸透镜起到了放大镜的作用,因此,我们看到了一个正立、放大的虚像的鱼,如图3-6-12所示。


(1)将目标物体远离凸透镜。对于放大镜,如果要将目标物体的虚像变得更大,我们的操作有两种:

(2)换用更凸更厚的凸透镜来观察。

 

 

一个计算焦距范围的题目

 

例题:在一次探究凸透镜成像规律的实验过程中,测得物距为16cm,像距的大小是38cm,试分析此凸透镜的焦距范围是多少?

【分析】物距小于像距,成放大的像,则物距在2f>u>f、像距在v>2f。

解:因为物距在2f>u>f,则2f>16cm>f,得

(1)2f>16cm,即f>8cm;

(2)16cm>f

因为像距在v>2f,则38cm>2f,得

(3)19cm>f

由(1)、(2)、(3)式得到焦距的范围为

16cm>f>8cm

答:凸透镜的焦距范围在8cm和16cm之间。

 

 

【本节学到的内容】

1、什么是实像与虚像

实像是指由实际光线会聚而形成的,可以呈现在光屏上。比如小孔成像。虚像是指由反射光线或折射光线的反向延长线相交而形成的,不能呈现在光屏上,只能通过人眼可以看见。比如平面镜成像等。

2、什么是物距?什么是像距?

物距是指物体到‌凸透镜光心的距离,用字母u表示。像距是指像与凸透镜光心的距离,用字母v表示。

3、探究凸透镜成像规律前要做什么?

把烛焰的中心、凸透镜的光心、光屏的中心调整到同一高度处、同一直线上。

4、变大与放大的区别

变大是指像与像之间的比较,“现在的像”与“之前的像”的大小比较;放大是指像与物之间的比较,“现在的像”与“光源”之间大小的比较。

5、如何观察实像与虚像

观察实像:眼睛直接看光屏。

观察虚像:眼睛透过凸透镜观察物体。

6、凸透镜成像规律

(1)当物距大于二倍焦距时,像的特征是:缩小的,倒立的实像。

(2)当物距等于二倍焦距时,像的特征是:等大的,倒立的实像。

(3)当物距在一倍焦距和二倍焦距时,像的特征是:放大的,倒立的实像。

(4)当物距等于一倍焦距时,不成实像,也不虚像。

(5)当物距小于一倍焦距时,像的特征是:放大的,正立的虚像。

(6)成实像时,当物距变小,像距会变大,像的大小也变大。

7、凸透镜成像规律的口诀

一倍焦距分虚实;二倍焦距分大小;物远像近实像小;物远像远虚像大。

 

【自我检测与巩固】

1、老奶奶用放大镜看报时,为了看到更大的清晰的像,她常常这样做(     )

A.报与放大镜不动,眼睛离报远些

B.报与眼睛不动,放大镜离报远一些

C.报与放大镜不动,眼睛离报近一些

D.报与眼睛不动,放大镜离报近一些

2、如图所示,保持凸透镜的位置不变,先后把烛焰放在a、b、c、d、e各点,并分别调整光屏的位置。则:

(1)把烛焰放在______点,屏上出现的像最大;把烛焰放在_____点,屏上出现的像最小。

(2)把烛焰放在______点,屏上出现清晰的像时,光屏距凸透镜最远。

(3)把烛焰放在____________点,屏上不会出现像。

3、在研究凸透镜成像的实验中:

(1)用一束平行光正对凸透镜射入,经透镜后会聚于A点,测得A点距透镜10厘米,则透镜的焦距是____厘米。

(2)若烛焰放在距此透镜8厘米处,经透镜可得到一个____________像。

(3)若烛焰放在此透镜前12厘米处,经透镜可得到一个____________像。

(4)若烛焰放在此透镜前25厘米处,经透镜可得到一个____________像。(均填像的性质:倒正、放大缩小、虚实)

4、小明在探究“凸透镜成像规律”的实验中,当光屏、凸透镜和蜡烛在如图所示位置时,光屏的中央出现烛焰清晰的像,则下列说法正确的是( )

A.图中光屏上的像是倒立、缩小的实像

B.小明把爷爷的老花镜的镜片放在蜡烛和凸透镜之间,应将光屏向左移动才能出现清晰的像

C.一只甲虫落在凸透镜的正中央,光屏上所成的像不完整

D.此凸透镜的焦距是10cm<f<17.5cm。

5、将点燃的蜡烛放在凸透镜前某处,在透镜另一侧光屏上观察到烛焰缩小的像,下列说法正确的是(  )

A.保持蜡烛透镜不动,将光屏远离透镜,光屏能呈现清晰的像

B.保持蜡烛与光屏的位置不动,将透镜向光屏移动,光屏上能呈现清晰的像

C.光屏不动,将透镜靠近光屏,再将蜡烛适当靠近透镜,光屏也能呈现清晰的像

D.蜡烛不动,将透镜远离蜡烛,再将光屏适当远离透镜,光屏也能呈现清晰的像

Was this helpful?

1 / 0