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专题08 光学实验
一、探究光的反射规律 实验目的探究光的反射规律实验装置实验器材平面镜1个，激光笔1个，带刻度的硬纸光屏1个，水槽一个，支架1对，夹子1个实验步骤（1）按要求组装器材。将平面镜水平放置，然后把一块标有刻度的白色硬纸板竖直放置在平面镜上； （2）用激光笔射出一束激光，用笔记下入射光线和反射光线的位置，并在刻度光屏上读出入射角和反射角的度数，记录在表格中。 （3）重复实验两次。改变入射光的方向，多测几组入射角和发射角，并将有关数据填入下表。 （4）将光屏向前或向后折，观察反射光线。 （5）整理器材。实验结论（1）在反射现象中，入射光线、反射光线、法线在同一平面内； （2）入射光线和反射光线分居法线两侧； （3）反射角等于入射角。 （4）反射过程中光路是可逆的。注意事项（1）应在光线较暗的室内进行实验，以便于观察实验现象； （2）实验时，纸板必须与平面镜垂直，否则在纸板上看不到反射光； （3）实验过程中严禁将激光对着人眼，以防灼伤眼睛； （4）通过镜面对入射光的反射作用，可以看出镜子有改变光路的作用； （5）本实验时一个归纳性实验，改变入射光的方向多次实验的目的是为了得到多组实验数据，从而得出普遍规律，避免实验结论的偶然性。
二、探究平面镜成像的特点 实验目的探究平面镜成像的特点实验装置实验器材两支完全一样的蜡烛、一块玻璃板、一个光屏、火柴、刻度尺实验步骤（1）将玻璃板垂直置于桌面，在玻璃板的一 侧立一支点燃的蜡烛，透过玻璃板观察其另一侧面的蜡烛的像。 （2）将光屏放在像的位置，不透过玻璃板，直接观察光屏上有无像。 （3）将相同的未点燃的蜡烛放在像的位置，观察像与蜡烛的大小关系。 （4）移到蜡烛的位置，观察其像的大小有无变化。 （5）量出蜡烛和像到玻璃板的距离。实验结论平面镜成像特点： （1）像和物大小相等； （2）像到镜面的距离和物到镜面的距离相等； （3）像和物的连线与镜面互相垂直； （4）平面镜所成像是虚像。实验要求及原因（1）为了使观察到的像更为清晰，实验最好在较暗的环境中进行； （2）实验中用玻璃板代替平面镜，目的是便于观察和确定像的位置，并比较物像的大小关系，原因是玻璃板既能反射光又能透过光，即透过玻璃板能看到未点燃的蜡烛，也能看到点燃的蜡烛所成的像； （3）实验应选用较薄的玻璃板。因为玻璃板的前后表面可以各成一个像，当玻璃板较厚时，两个像有较大的错位，难以确定像的位置； （4）实验中，玻璃板要竖直立在水平桌面上。若玻璃板没有竖直放置，则未点燃的蜡烛和点燃的蜡烛将不能完全重合； （5）实验中，使用两支完全相同的蜡烛，目的是比较像与物体的大小关系； （6）用点燃的蜡烛做实验的优点是所成的像比较亮，便于观察； （7）白纸用于标注玻璃板的位置、蜡烛以及蜡烛的像的位置，刻度尺用于测量蜡烛以及蜡烛的像到玻璃板的距离； （8）改变蜡烛与玻璃板的距离进行多次实验，是为了寻找普遍规律。
三、探究光折射的特点 实验目的探究光折射的特点实验装置实验器材光源（激光笔）、水槽、一个可折叠的光屏、一块玻璃砖。实验步骤1．如图所示，让光从空气进入水中，观察折射光线、入射光线、法线之间的位置关系； 2．比较折射角与入射角的大小； 3．改变入射角的大小，观察折射角的变化情况； 4．换用玻璃砖，将上面的实验过程重复一次； 5．让光从水中斜射到空气中，观察入射角和折射角的变化。实验结论光的折射规律： 1．光在折射时，折射光线、入射光线、法线在同一平面内，折射光线和入射光线分别位于法线的两侧； 2．当光从空气斜射入水中（或其他介质）时，折射光线向法线方向偏折，折射角小于入射角；当入射角增大时，折射角也随之增大； 3．当光线从水或其他介质斜射入空气中时，折射光线远离法线，折射角大于入射角； 4．当光从空气垂直射入水中或其他介质中时，其传播方向不变； 5．在光的折射现象中，光路是可逆的。
四、探究凸透镜成像的规律 实验目的凸透镜成像，像的大小、正倒、虚实跟物距有什么关系？实验装置实验器材带刻度的光具座、蜡烛、光屏、透镜（焦距在10～20 cm之间）、刻度尺．见实验装置图．实验步骤1．先测出透镜的焦距：让凸透镜在阳光下来回移动，找着最小、最亮的点，用刻度尺量出亮点与凸透镜的距离，这就是这个凸透镜的焦距． 2．实验探讨像的大小、正倒、虚实跟物距的关系： （1）把透镜放在光具座标尺中央，从透镜的位置开始在左右两边的标尺上用粉笔标出等于焦距和2倍焦距的位置。 （2）点燃蜡烛，调整它们的高度，使烛焰、凸透镜、光屏的中心大致在同一高度． （3）把蜡烛放在离凸透镜尽量远的位置上，调整光屏到透镜的距离，使烛焰在屏上成一个清晰的像，观察像的大小、正倒，测出蜡烛与凸透镜、凸透镜与光屏间的距离．把数据记录在表格中． （4）继续把蜡烛向凸透镜靠近，观察像的变化是放大还是缩小，是正立还是倒立，蜡烛与凸透镜、凸透镜与光屏的距离测出，将数据记录在表格中． （5）当蜡烛到一定位置上时，光屏没有像，用眼睛直接对着凸透镜观察蜡烛的像，把蜡烛与凸透镜、像与凸透镜的距离，像是放大还是缩小的，像的正倒，填入表格中。实验结论见下表注意事项1．光具座的长度有限，做实验时最好选用焦距较小的凸透镜； 2．凸透镜最好放在光具座的中间位置，便于调节物距和像距； 3．调整烛焰、透镜、光屏三者的中心在同一高度，目的是让烛焰的像成在光屏的中央； 4．调整光屏时，不可再调整凸透镜的位置，否则会引起物距的变化； 5．判断烛焰的像是否最清晰的方法：光屏在某位置时，向前或向后移动光屏，像都会变模糊，则此位置即为像最清晰的位置； 6．同一个物距范围内，要换不同的物距进行实验，这是为了排除偶然因素，使实验结论更具普遍性。
实验结论 物距（u）像距（v）正倒大小虚实应用特点物、像的位置关系u＞2f2f＞v＞f倒立缩小实像照相机、摄像机﹣物像异侧u＝2fv＝2f倒立等大实像精确测焦仪成像大小的分界点物像异侧2f＞u＞fv＞2f倒立放大实像幻灯机、电影、投影仪﹣物像异侧u＝f﹣﹣﹣不成像强光聚焦手电筒成像虚实的分界点﹣u＜fv＞u正立放大虚像放大镜虚像在物体同侧，且在物体之后物像同侧
模型1 探究光沿直线传播的条件
在研究光的传播路径时，小明做了下面几个小实验：
（1）图1中，为了显示激光在空气中传播路径，可以采取的方法是　 　，图2中为了显示激光在水中的传播路径，可以在水中加入少量的　 　 ；
（2）小明在玻璃缸中加入清水，沿缸壁轻轻注入浓糖水，不搅拌，从侧壁水平照射激光，看到缸内光的路径是弯折的（图3），当搅拌缸中的水后，观察到光是沿直线传播的，说明光沿直线传播的条件是 　 　；
（3）我国古代学者对“光沿直线传播”的现象曾做过许多研究，例如战国时期的《墨经》中就有小孔成像的解释，如图4所示：
①小孔成的像是　 　（填“正立”或“倒立”）的 　 　（选填“实”或“虚”）像；
②若将小孔由圆形改为三角形，则所成的像的形状　 　（选填“改变”或“不变”）。
【答案】（1）在空气中喷洒烟雾；牛奶或咖啡；（2）光在同种均匀介质中才沿直线传播；（3）①倒立；实；②不变。
【解答】解：（1）光在空气中是沿直线传播的，但传播路径不容易直接观察，在空气中喷洒烟雾，有利于观察光的传播路径；将激光射入混有少量牛奶或咖啡并搅拌均匀的水中，可利用光的漫反射显示出光的传播路径；
（2）当向盛有清水的玻璃缸沿缸壁轻轻注入浓糖水时，玻璃缸内的液体就变的不均匀了，越深密度越大，光线在里面传播时就会发生折射，形成如图所示的现象；当搅拌缸中的水后，玻璃缸内的液体就会变得均匀了，观察到光的路线呈直线，说明光在同种均匀介质中才沿直线传播；
（3）①由于小孔所成的像是由实际光线会聚而成的，因此小孔成的像是倒立的实像，这是光的直线传播造成的；②小孔所成的像是物体本身的像，与小孔的形状无关，所以若将小孔由圆形改为三角形，则所成的像的形状不变。
【变式练1】盛水的玻璃水槽中，倒入了较多的白砂糖；第二天，让一束激光射入水中，拍摄到如图所示的照片。
（1）图中光的传播路径是　 　（填“直”或“曲”）线；请你对这种现象作出原因分析：　 　。
（2）有人说“光总是沿直线传播的”，通过这个实验现象的观察，你认为，这个结论能否成立？　 　。如果由你作出关于光是否是直线传播的结论，你将怎样表述？写出你的表述：　 　。
【答案】（1）曲；糖水不均匀；（2）不成立；光在同一种均匀介质中沿直线传播。
【解答】解：（1）光必须在同一种均匀的介质中才是沿直线传播的，糖水的密度如果不均匀，光在糖水中传播路径就不是直线；因此图中光的传播路径是曲线。（2）光沿直线传播是有条件的，光在同种均匀介质中是沿直线传播的，因此通过这个实验现象可知，这个结论不成立，正确表述为：光在同种均匀介质中是沿直线传播的。
【变式练2】如图是研究光的传播规律的小实验：
（1）图甲中，为了显示激光在空气中传播路径，可以在光的传播路径下点蚊香。图乙中，为了显示激光中水中的传播路径，可以在水中加入少量的　 　，可以得出光在均匀的液体中是沿直线传播的。
A．食用油或牛奶 B．牛奶或咖啡 C．咖啡或食用油
（2）要得出“光沿直线传播的”这一普遍结论，还需要再做一个光在　 　中传播的实验。
A．酒精 B．玻璃砖 C．木块
（3）实验结束后某同学发现在玻璃缸中盛上清水，沿缸壁轻轻注入浓糖水，从侧壁水平照射激光，看到缸内光的路线如图丙所示，当搅拌缸中的水后，观察到光的路线呈直线，说明光沿直线传播的条件是　 　 。
【答案】（1）B；（2）B；（3）在同种均匀介质中。
【解答】答：（1）由于食用油和水是不相溶的，所以不能加入食用油；将激光射入混有少量牛奶或咖啡并搅拌均匀的水中，可利用光的漫反射显示出光的传播路径；故选B；
（2）前面已经用气体和液体做了实验，为了获得普遍的规律，还需要研究光在固体中的传播路径，由于玻璃砖是透明的，故还需要再做一个光在玻璃砖中的传播实验；酒精和水都是液体，不适合再实验，而木块不是透明的介质，无法进行实验；故选B；
（3）当向盛有清水的玻璃缸沿缸壁轻轻注入浓糖水时，玻璃缸内的液体就变的不均匀了，越深密度越大，光线在里面传播时就会发生折射，形成如图所示的现象；当搅拌缸中的水后，玻璃缸内的液体就会变得均匀了，观察到光的路线呈直线，说明光在同种均匀介质中才沿直线传播。
【变式练3】为了研究光是怎样传播的，小华和他的实验小组进行了以下实验：
（1）用激光笔射出一束光，小华却只看到墙上出现的光斑，没有看到光传播的路线，同组的小李告诉他，应该让室内环境更　 　（选填“亮”或“暗”）些，才容易看到光路。经过改进后，他们看到光在空气中是沿直线传播的。
（2）接着他们让光分别射向水中、玻璃中，发现都是沿直线传播的。而细心的小明还发现，光从空气斜射向水或玻璃中时，在交界处传播方向稍有偏折，这是光的　 　 现象。
（3）小华于是得出结论：光总是沿直线传播的。而小李觉得总有些不妥，但又无法说服小华，于是找到老师来解决。老师用漏斗向水中慢慢注入海波溶液，观察到光路发生了弯曲；用玻璃棒搅拌均匀后，光路又变成了直线。所以小华把结论改为：光在 　 中是沿直线传播的。
【答案】（1）暗；（2）折射；（3）同种均匀介质。
【解答】答：（1）用激光笔射出一束光，如果室内的环境较暗的话，激光笔的光线相对会明亮一些，能显示出光的传播路径；
（2）光从空气斜射向水或玻璃中时，光线会在交界处传播方向稍有偏折，这是光的折射现象；
（3）用玻璃棒搅拌均匀后，介质变成了同种均匀介质，所以光路又变成了直线。所以小华把结论改为：光在同种均匀介质中是沿直线传播的。
模型2 探究光反射时的规律
（2023 仙桃）用如图的装置探究“光的反射定律”。平面镜M水平放置，附有量角器的白纸板由E、F两部分构成，始终竖直立在M上，可以绕ON翻折。
（1）如图甲，E、F在同一平面上，让入射光AO射向镜面，量角器上显示入射角和反射角的大小，可得出∠r 　 　∠i（选填“＞”、“＜”或“＝”）；
（2）改变入射光的方向，再测几组入射角和反射角，这样做的目的是 　 　；
（3）若光沿BO入射，经M反射后沿OA射出。这表明，在光的反射现象中，光路是 　 　的；
（4）如图乙，把F向前或向后翻折，则在F上 　 　（选填“能”或“不能”）看到反射光，这说明反射光线、入射光线和法线在 　 　。
【答案】（1）＝；（2）多次实验，得到普遍规律：（3）可逆；（4）不能；同一平面内。
【分析】（1）光反射时，反射角等于入射角；
（2）为避免实验的偶然性，应多做几次试验，然后才可以得出结论；
（3）在光的反射现象中光路是可逆的；
（4）反射光线、入射光线和法线是在同一平面内的，若将纸板F向后折，则在光屏上不能看到反射光线。
【解答】解：（1）如图甲，E、F在同一平面上，让入射光AO射向镜面，量角器上显示入射角和反射角的大小，可得出∠r＝∠i；
（2）本实验是探究规律的，改变入射光的方向，再测几组入射角和反射角，进行多次实验的目的是：避免偶然性，得出普遍规律；
（3）如果让光线逆着OB的方向射向镜面，这时的入射角为原来的反射角，根据光的反射定律，反射角等于入射角，这时的反射角为原来的入射角，所以会发现光线原路OA返回，也就是在反射现象中，光路是可逆的；
（4）以法线ON为轴线，把纸板F向后缓慢旋转，这时不能看到反射光线OB，因为纸板没有和反射光线、法线在同一平面上，所以不能看到反射光线OB．因此这样做的目的是为了探究反射光线、入射光线、法线是否在同一平面内。
名师点拨：本题考查光的反射定律实验的有关内容，主要考查学生对实验过程中出现问题的应对能力，就是为了锻炼学生的动手、动脑的能力。掌握基础知识认真分析即可正确解题。
【变式练1】小明用如图所示的装置探究光反射时的规律，将平面镜放在水平桌面上，纸板ENF竖直地立在平面镜上。下列说法正确的是（　　）
A．为了便于观察，纸板ENF最好用光滑的白色纸板
B．若纸板与平面镜不垂直，则不能在纸板上同时看到入射光EO和反射光OF
C．把纸板NOF向后折，在纸板上看不到反射光线，说明反射光线与入射光线不在法线两侧
D．图中所示的入射角为46°
【答案】B
【解析】A、为了看清楚纸板上的光路，纸板材质应是较粗糙，光线射在上面发生了漫反射，反射光线射向各个方向，无论从哪个角度看，都能看得清楚，故A错误；B、法线在纸板上，法线与镜面垂直，入射光线、法线、反射光线在同一平面内，如果纸板与平面镜不垂直，则镜面的法线不在纸板上，入射光沿纸板照射后，反射光线不在纸板上，则我们在纸板上看不到反射光线，不是反射现象消失了，故B正确；C、入把半面纸板NOF向前折或向后折，这时，在NOF上看不到反射光线，说明反射光线、入射光线和法线在同一平面内，反射光线与入射光线在法线两侧，故C错误；D、已知入射光线与镜面的夹角为46°，所以入射角为90°﹣46°＝44°，而反射角等于入射角，所以反射角也是44°，故D错误。
【变式练2】（2023 齐齐哈尔）小明利用如图装置探究光反射时的规律。
（1）如图1所示，实验时，把一个平面镜放在水平桌面上，再把白色纸板ENF（右侧可绕ON翻折）竖直地立在平面镜上，纸板上的直线ON应　 　于镜面。使一束光贴着纸板沿某一角度射到O点，光在纸板上发生　 　（选填“镜面”或“漫”）反射，呈现径迹。光经平面镜反射，沿另一个方向射出。
（2）改变光束入射的角度，多做几次，换用不同颜色的笔记录每次光的径迹。取下纸板，用量角器测量ON两侧的∠i和∠r，是为了　 　；根据实验结论可知：当入射光EO与平面镜夹角为50°时，反射角为　　 。
（3）让光沿图1中FO方向照射到镜面，它会沿着OE方向射出。这表明：在光的反射现象中，光路是　 　的。
（4）如图2所示，把纸板ENF右侧绕ON向前折或向后折，在右侧纸板上看不到反射光。这表明：在反射现象中，反射光线、入射光线和法线都在　 　内。
【答案】（1）垂直；漫；（2）寻找普遍规律；40°；（3）可逆；（4）同一平面。
【分析】（1）把一个平面镜放在水平桌面上，再把一张可以绕ON翻折的纸板ABCD竖直地立在平面镜上，纸板上的直线ON垂直于镜面；
反射光线和法线的夹角是反射角；
漫反射也是光的反射的一种现象，也遵循光的反射定律；
（2）探究光的反射规律，多次改变入射角大小并测量对应的反射角，是为了寻找普遍规律；
入射光线与法线之间的夹角叫做入射角；反射光线与法线夹角叫反射角；
（3）根据入射光线和反射光线的位置互换进行实验，观察反射光线与原来入射光线的关系得出结论；
（4）反射光线、入射光线和法线在同一平面内。
【解答】解：（1）把一个平面镜放在水平桌面上，再把一张可以绕ON翻折的纸板ABCD竖直地立在平面镜上，纸板上的直线ON垂直于镜面；
使一束光贴着纸板沿某一角度射到O点，光在纸板上发生漫反射，呈现径迹；
（2）探究光的反射规律，多次改变入射角大小并测量对应的反射角，是为了寻找普遍规律；当EO与镜面夹角为50°时，反射角的大小为90°﹣50°＝40°，所以入射角也等于40°；
（3）如果让光线逆着FO的方向射向镜面，这时的入射角为原来的反射角，根据光的反射定律，反射角等于入射角，这时的反射角为原来的入射角，所以会发现光线原路返回，也就是说，在反射现象中，光路是可逆的；
（4）由题意得，当显示入射光线、反射光线的纸板在同一平面上时，入射光线、反射光线都能同时看见；当把显示反射光线的纸板NOF向前折或向后折，这时在NOF上看不到反射光，说明反射光线、入射光线和法线在同一平面内。
【点评】此题主要通过实验探究了光的反射定律。通过各个分实验分别探究了两角大小和三线之间的关系。实验探究题是中考中必不可少的题目，要加强实验教学，引导学生从实验中分析现象，归纳总结规律。培养学生观察、分析、概括能力。
【变式练3】（2023 眉山）同学们利用图甲所示的器材（纸板F可绕ON翻折）探究光的反射定律。
（1）图乙中，用激光笔沿AO方向入射，当入射光线与平面镜夹角为60°时，入射角大小为　 　；再将纸板F绕ON向后折，纸板F上　 　（选填“有”或“没有”）反射光线，这一步骤的目的是探究反射光线、入射光线、法线　 　。
（2）图乙中，若让另一束光线沿BO方向射向平面镜，反射光线沿OA方向射出，这一现象说明　 　 。
（3）为了得到“反射角等于入射角”这一普遍规律，接下来的操作是改变　 　 ，多次实验。
（4）图丙中，保持入射光线AO不变，将平面镜绕入射点旋转，使入射角增大10°，则反射光线偏转的角度为　　 。
【答案】（1）30°；没有；在同一平面内；（2）在光的反射现象中，光路是可逆的；（ 3）入射角大小；（4）20°。
【分析】（1）入射角是入射光线与法线的夹角；
在光的反射现象中，反射光线、入射光线和法线在同一平面内；
（2）根据入射光线和反射光线的位置互换进行实验，观察反射光线与原来入射光线的关系得出结论；
（3）为了得出普遍结论，应进行多次实验，测出多组实验数据；
（4）根据反射角等于入射角分析若保持入射光线AO不变，将平面镜绕入射点旋转，使入射角增大10°，分析反射光线偏转的角度。
【解答】解：（1）让光线贴着纸板沿AO方向射向镜面，根据AO与法线的夹角是入射角，即为90°﹣60°＝30°；
将纸板F绕ON向后折，纸板F上没有反射光线，此现象说明了：在反射现象中，反射光线、入射光线和法线在同一平面内；
（2）如果让光沿BO方向入射，反射光将沿OA方向射出，可知将反射光线改为入射光线，光路图照样成立，这表明：在光的反射现象中，光路是可逆的；
（3）只进行一次实验，根据一次测量就得出实验结论，实验结论不具有普遍性，为了得出普遍结论，使结论符合客观事实，应改变入射角大小，进行多次实验，进行多次测量；
（4）保持入射光线AO不变，将平面镜绕入射点旋转，使入射角增大10°，此时入射角为：∠AON′＝30°+10°＝40°；
因为反射角等于入射角，所以转动前入射光线与反射光线的夹角∠AOB＝30°+30°＝60°；
转动后10°后，此时入射角∠AON′＝40°，因为反射角等于入射角，所以转动后入射光线与反射光线的夹角∠AOB′＝40°+40°＝80°；
则反射光线偏转的角度：∠BOB′＝∠AOB′﹣∠AOB＝80°﹣60°＝20°。
【点评】本题是探究光的反射定律实验，关键是记住光的反射定律内容：反射光线、入射光线和法线都在同一平面内，反射光线、入射光线分居法线两侧，反射角等于入射角。
模型3 探究平面镜成像的特点实验
（2023 德州）某小组的同学用如图甲所示器材完成了“探究平面镜成像的特点”的实验。
（1）实验中用薄玻璃板代替平面镜目的是：便于确定像的 　 　。
（2）实验中应选择与蜡烛①外形相同且 　 　（选填“已点燃”或“未点燃”）的蜡烛②，移动蜡烛②发现其恰好能与蜡烛①的像完全重合，说明像与物 　 　。
（3）将蜡烛①远离玻璃板，像的大小将 　 　（选填“变大”、“变小”或“不变”）。
（4）如图乙，将玻璃板倾斜，蜡烛①的像将 　 　（选填“仍然”或“不再”）与蜡烛①关于镜面对称。
【答案】（1）位置和大小；（2）未点燃；大小相同；（3）不变；（4）仍然。
【分析】（1）平面镜成像的特点：物体在平面镜中所成的像是虚像，像和物体的大小相等，它们的连线垂直于镜面，它们到镜面的距离相等，根据成像的特点分析实验操作的要求；
（2）为了比较像和物的大小关系，选取两个相同的蜡烛，用未点燃的蜡烛②，在玻璃板后面移动，与蜡烛①的像完全重合；平面镜所成的像是虚像，人眼应该透过玻璃板观察蜡烛①的像；
（3）平面镜成的像与物大小相同，和物到镜的距离无关；
（4）平面镜成像时，像与物关于镜面对称。
【解答】解：（1）因为玻璃板是透明的，能在观察到A蜡烛像的同时，还可以透过玻璃清楚的看到放在后面的B蜡烛，便于确定像的位置和大小；
（2）实验中，用另一支未点燃的蜡烛②代替点燃蜡烛①的像；平面镜所成的像是虚像，人眼一直应该在蜡烛①这一侧观察，直至蜡烛②与蜡烛①的像完全重合，说明像与物大小相同；
（3）平面镜成的像与物大小相同，与物体到镜面的距离无关，所以将蜡烛远离玻璃板，像的大小将不变；
（4）将玻璃板倾斜，蜡烛①的像将仍然与蜡烛①关于镜面对称。
名师点拨：本题考查探究平面镜成像的一些细节要求，培养学生动手操作实验的能力并能根据实验现象得出正确结论，动手操作实验时，能根据实验现象得出正确的结论，提高实验能力。
【变式练1】（2023 长春）在“探究平面镜成像的特点”实验中：
（1）用玻璃板代替平面镜的目的是 　 　。
（2）将白纸铺在水平桌面上，再将玻璃板 　 　放在白纸上，把点燃的蜡烛A放在玻璃板前面，如图所示。将未点燃的蜡烛B在玻璃板后面移动，直到跟蜡烛A的像完全重合，说明平面镜所成的像与物体大小 　 　。
（3）将光屏放在蜡烛A的像的位置，直接观察光屏，光屏上没有呈现蜡烛A的像，说明平面镜所成的像是 　 　。
【答案】（1）便于确定像的位置；（2）垂直；相等；（3）虚像。
【分析】（1）玻璃板有透光性，既能成像，也能确定像的位置；
（2）若玻璃板没有垂直放在白纸上，则成的像偏高或偏低，导致实验无法完成；根据实验操作现象及将A、B大小完全相同分析；
（3）虚像不能成在光屏上。
【解答】解：（1）玻璃板有透光性，既能成像，也能确定像的位置，用玻璃板代替平面镜的目的是便于确定像的位置。
（2）将白纸铺在水平桌面上，再将玻璃板垂直放在白纸上，把点燃的蜡烛A放在玻璃板前面，如图所示。将未点燃的蜡烛B在玻璃板后面移动，直到跟蜡烛A的像完全重合，则B蜡烛与A蜡烛的像大小相等，又蜡烛A、B大小完全相同，说明平面镜所成的像与物体大小相等。
（3）虚像不能成在光屏上，将光屏放在蜡烛A的像的位置，直接观察光屏，光屏上没有呈现蜡烛A的像，说明平面镜所成的像是虚像。
【点评】探究平面镜成像的特点，考查对器材的要求及对操作过程的理解。
【变式练2】（2023 绥化）如图是“探究平面镜成像特点”的实验装置。
（1）实验时玻璃板必须 　 　放置在水平桌面上。
（2）实验中为了便于比较像与物的大小关系，应选择两支 　 　的蜡烛，在玻璃板一侧点燃蜡烛A，在另一侧将未点燃的蜡烛B放到蜡烛A像的位置，发现它们完全重合，这说明像与物的大小 　 　。
（3）移去蜡烛B，在其位置上竖立一光屏，直接观察光屏，不能看到蜡烛A的像，这说明平面镜成的是 　 　像。（选填“实”或“虚”）
（4）岸边的树木在水中的像看上去是“倒立”的，请解释产生这一现象的原因 　 　。
【答案】（1）竖直；完全相同；（2）相等；（3）虚；（4）水面相当于平放的平面镜，像是光的反射形成的，像与物体关于镜面对称。
【分析】（1）（2）实验时玻璃板竖直放置，采用两个完全相同的蜡烛，一支蜡烛放在玻璃板的前面并点燃，另一支放在玻璃板的后面，当玻璃板后面的蜡烛和玻璃板前面的蜡烛的像完全重合时，可以确定像的位置，同时也可以比较物像大小关系；
（3）平面镜成的像是反射光线的反向延长线会聚形成的虚像。
（4）平面镜成像是光的反射，像与物体关于镜面对称。
【解答】解：（1）为了使得像成在桌面上，实验时玻璃板必须竖直放置在水平桌面上。
（2）实验中为了便于比较像与物的大小关系，应选择两支完全相同的蜡烛，在玻璃板一侧点燃蜡烛A，在另一侧将未点燃的蜡烛B放到蜡烛A像的位置，发现它们完全重合，这说明像与物的大小相等。
（3）虚像不能呈现在光屏上，移去蜡烛B，在其位置上竖立一光屏，直接观察光屏，不能看到蜡烛A的像，这说明平面镜成的是虚像；
（4）岸边的树木在水中的像看上去是“倒立”的，这是由于水面相当于平放的平面镜，像是光的反射形成的，像与物体关于镜面对称，因而看上去是倒影。
【点评】本题考查平面镜成像的探究及其拓展，属于中档题，有一定的难度。
【变式练3】（2023 陕西）如图，是“探究平面镜成像时像与物的关系”的实验装置。
实验序号 1 2 3 4 5
物到平面镜的距离/cm 5.50 8.00 10.20 12.00 15.10
像到平面镜的距离/cm 5.50 8.10 10.20 12.10 15.10
（1）将一张方格纸放在水平桌面上，再将茶色玻璃板 　 　放置在方格纸上。
（2）实验时，使用两个相同的棋子，是为了便于比较像和物的 　 　关系。
（3）在玻璃板前放一个棋子A，将另一个相同的棋子B放到玻璃板后，使棋子B与棋子A在玻璃板后所成的像重合，此时，棋子B的位置就是棋子A的像的位置。将光屏竖直放在棋子B的置，从光屏上不能直接观察到棋子A的像，说明平面镜所成的像是 　 　像。
（4）多次改变棋子A的位置，并记录棋子A的像的位置，用刻度尺测出每次像和物到平面镜的距离，实验数据如表所示。分析数据可知，平面镜成像时，像和物到平面镜的距离　　。
【答案】（1）垂直；（2）大小；（3）虚；（4）相等。
【分析】（1）像与物关于玻璃板对称，玻璃板的摆放角度要能够使后面的棋子与前面棋子的像完全重合；（2）选取两个完全相同棋子的目的是比较像与物的大小关系；（3）光屏能承接实像，光屏不能承接虚像；（4）分析像与物到镜面的距离，进行比较，得出结论。
【解答】解：（1）如果玻璃板不垂直，后面的棋子与前面棋子的像不在同一高度上，怎样操作都不会重合的，也就无法比较像与物的大小关系，因此应将茶色玻璃垂直放置在方格纸上；
（2）两个完全相同棋子，大小相同，后面的棋子又和前面棋子的像完全重合，这样就证明了像与物大小相同，所以两个完全相同棋子是为了比较像与物大小关系用的。
（3）移去棋子B，将白卡片放在棋子B的位置上，人眼应该直接观察光屏上的像是否存在即可，由于平面镜所成的像是虚像，所以光屏上不会出现像；
（4）分析表中的信息可得出平面镜成像的特点：像和物到平面镜的距离相等。
【点评】本题研究平面镜成像规律，考查对器材的要求、操作过程及成像规律的运用。
模型4 探究光的折射特点实验
（2023 赤峰）探究光折射时折射角与入射角的关系，如图所示，使一束光从甲介质斜射入乙介质，测量并记录入射角和折射角大小；改变光束射向O点的角度，进行多次实验，数据如表所示：
实验次数 1 2 3 4
入射角 10° 20° 30° 40°
折射角 15.1° 30.7° 48.6° 73.8°
（1）光从甲介质斜射入乙介质发生折射时，折射角　 　入射角；折射角随着入射角的增大而　 　。
（2）做完第4次实验后，同学们又使一束光从乙介质中以73.8°的入射角射入甲介质，测得折射角恰好为40°，这说明在折射现象中，　 　。
【答案】（1）大于；增大；（2）光路是可逆的。
【分析】（1）分析表格数据回答问题；（2）将折射光线和入射光线的位置互换进行实验，观察折射光线与原来入射光线的关系得出光路的可逆性。
【解答】解：（1）分析表格数据，得出结论是：光从甲介质斜射入乙介质发生折射时，折射角大于入射角；折射角随着入射角的增大而增大；
（2）使一束光从乙介质中以73.8°的入射角射入甲介质，测得折射角恰好为40°，对照表格数据可说明在光的折射现象中，光路是可逆的。
名师点拨：此题考查光的折射定律，熟练掌握光的折射规律，并能与实际现象相结合，是解答的关键。
【变式练1】小华利用如图所示的实验装置做“探究光的反射规律和折射特点”实验。在实验中，她用激光笔发出一束光从空气射向水面，多次改变入射光的方向，记录的实验数据如表。
（1）通过分析实验数据，小华归纳出：在反射现象中，反射角等于入射角。关于光的折射现象，你能归纳出的结论是　 　（写出一条即可）。
（2）从表中的实验数据可推知：本实验中，若让光从水射向空气，当入射角为46.5°时，则光在空气中的折射角为　 　 。
∠AON/° 0 15 30 45 60 75 80
∠CON/° 0 15 30 45 60 75 80
∠BOM/° 0 11 22 32 40.5 46.5 47.5
【答案】（1）光从空气入射到水中，折射角小于入射角（或折射角随入射角的增大而增大）；（2）75°。
【解答】解：（1）当光从空气斜射入水中时，折射角小于入射角（或折射角随入射角的增大而增大）；
（2）根据光路可逆的特点，当从空气斜射入水中，入射角为75°，折射角为46.5°；若让光从水中斜射入空气中，当入射角为46.5°，则折射角为原来的入射角为75°。
【变式练2】（2023 攀枝花）某同学利用半圆形玻璃砖和量角器探究光的反射和折射规律，玻璃砖和量角器按如图所示放置，圆心重合在O点。入射光线AO沿图示位置从玻璃砖内射向玻璃砖和空气的分界面。
（1）请在图中作出入射光线AO的反射光线和折射光线。
（2）若入射光线AO绕O点顺时针转动5°，则反射角的大小为 　 　。
【答案】（1）如图所示；（2）40°。
【分析】（1）光的反射定律的内容：反射光线与入射光线、法线在同一平面上；反射光线和入射光线分居在法线的两侧；反射角等于入射角。可归纳为：“三线共面，两线分居，两角相等”；由光的折射规律可知，折射光线、入射光线、法线在同一平面内，折射光线和入射光线分居法线的两侧，且当光从空气斜射入玻璃中时，折射角小于入射角；
（2）入射角是入射光线和法线的夹角；首先计算出入射角的大小，然后根据反射角等于入射角计算。
【解答】解：（1）首先做出法线，根据反射角等于入射角，在法线右侧做出反射光线，
光从玻璃斜射入空气中时，折射光线向远离法线方向偏折。
（2）由图可知，原来入射角为45°，若入射光线AO绕O点顺时针转动5°，则入射角为45°﹣5°＝40°，根据反射角等于入射角可知，反射角也为40°。
【点评】本题还考查了光的反射定律和光的折射规律，首先要熟记光的反射定律的内容，并要注意入射角与反射角的概念。
【变式练3】某同学在做探究光的折射特点实验，如图是光从空气射入水中时的光路，实验中发现，入射光线、折射光线和法线在同一平面内，折射光线和入射光线分别位于法线的两侧。通过实验还得到如表数据，分析表中数据，可得出结论：
（1）光从空气斜射到水面时，将同时发生 　 　和折射现象；
（2）光从空气斜射到水面时，折射角随入射角的变化关系是：　 　 ，且折射角 　 　（大于/等于/小于）入射角。当光从空气垂直射到水面时，折射角等于 　 　 （填度数）。该同学根据上述实验中的发现和结论总结出了光的折射特点。
入射角α 0° 15° 30° 45° 60°
反射角β 0° 15° 30° 45° 60°
折射角γ 0° 11.3° 22.1° 35.4° 40.9°
（3）这个实验中，亮度最亮的是 　 　（填“入射光线”、“反射光线”或“折射光线”）。
【答案】（1）反射；（2）折射角随入射角的增大而增大；小于；0°；（3）入射光线。
【解答】解：（1）光从空气斜射到水面时，将同时发生反射和折射现象；
（2）由表中数据可知，光从空气斜射到水面时，当入射角不断增大时，折射角也随之增大，故折射角随入射角的变化关系是：折射角随入射角的增大而增大，且折射角小于入射角；当光从空气垂直射到水面时，折射光线与法线重合，故折射角等于0°。
（3）当入射光线从一种介质斜射入另一种介质时，会发生折射，同时也发生反射，反射光和折射光都是来自于入射光，故入射光最强。
【点评】此题主要考查了光的折射规律，光从空气斜射入水或其他介质中时，折射角小于入射角，折射角随入射角的改变而改变，在折射现象中光路是可逆的。
模型5 探究凸透镜成像的规律
（2023 青岛）在第一次天宫授课中，王亚平制作了一个悬在空中的水球，透过水球看到了她倒立、缩小的像，如图甲所示。老师告诉小海这个水球相当于一个凸透镜，小海利用图乙所示器材进行探究，将焦距为10cm的凸透镜固定在50cm刻度线处。
（1）当小海将蜡烛和光屏移至图乙所示位置时，烛焰恰好在光屏的中心成清晰的倒立、缩小的像，这个像是 　 　（选填“实”或“虚”）像，此时物距u与焦距f的关系是 　 　（选填“u＞2f”、“f＜u＜2f”或“u＜f”）。
（2）当小海将蜡烛移至35cm刻度线处时，应向 　 　移动光屏，才能在光屏上成清晰的倒立、　 　（选填“放大”、“等大”或“缩小”）的像。
（3）依据上述实验规律，小海判定：透过水球看到王亚平倒立、缩小的像时，她到水球球心的距离u与水球透镜焦距f的关系满足 　 　（选填“u＞2f”、“f＜u＜2f”或“u＜f”）。
（4）凸透镜在生活中有许多应用，请列举一例：　 　。
【答案】（1）实；u＞2f；（2）右；放大；（3）u＞2f；（4）照相机。
【分析】（1）（3）根据u＞2f，成倒立、缩小的实像；
（2）根据2f＞u＞f，v＞2f，成倒立、放大的实像；
（4）凸透镜在生活中有许多应用，例如：照相机、投影仪和放大镜等。
【解答】解：（1）实像可以用光屏承接，故烛焰恰好在光屏的中心成清晰的倒立、缩小的像，这个像是实像；根据u＞2f，成倒立、缩小的实像，此时物距u与焦距f的关系是u＞2f；
（2）当小海将蜡烛移至35cm刻度线处，此时物距2f＞u＝50cm﹣35cm＝15cm＞f，根据2f＞u＞f，v＞2f，成倒立、放大的实像，故应向右移动光屏，才能在光屏上成清晰的倒立、放大的实像；
（3）透过水球看到王亚平倒立、缩小的像，根据u＞2f，成倒立、缩小的实像，故她到水球球心的距离u与水球透镜焦距f的关系满足u＞2f；
（4）凸透镜在生活中有许多应用，例如：照相机、投影仪和放大镜等。
名师点拨：此题考查了凸透镜成像规律的探究及应用，关键是熟记成像规律的内容，并做到灵活运用。
【变式练1】（2023 临沂）在探究凸透镜成像规律的实验中，当蜡烛、凸透镜和光屏的位置如图所示时，光屏上恰能承接到烛焰清晰的像。下列判断正确的是（　　）
A．实验用凸透镜的焦距为15.0cm
B．光屏上的像是烛焰放大的实像
C．仅将凸透镜左移不能再次成像
D．仅将光屏右移可模拟近视眼成像
【答案】D
【分析】当u＞2f，f＜v＜2f，u＞v时，凸透镜成倒立缩小的实像；在光的折射中，光路是可逆的；近视眼成像时，像成在视网膜的前方。
【解答】解：AB、由图可知u＝30.0cm，v＝15.0cm，光屏上承接到清晰的像，u＞v，成倒立、缩小的实像；u＝30.0cm＞2f，f＜v＝15.0cm＜2f，由此可得7.5cm＜f＜15cm，故AB错误；C、仅将凸透镜左移，根据光路可逆可知，光屏上能得到倒立、放大的实像，故C错误；D、近视眼成像时，像成在视网膜的前方，将光屏右移可模拟近视眼成像，故D正确。故选：D。
【点评】本题考查凸透镜成像规律，需熟练记忆，并灵活应用。
【变式练2】（2023 沈阳）在“探究凸透镜成像的规律”的实验中，选用的凸透镜焦距为10cm，将实验器材调节好，把点燃的蜡烛放在距凸透镜较远的地方，然后逐渐移近，观察烛焰成像情况并记录物距和像距。
（1）蜡烛、凸透镜、光屏在光具座上的位置如图1所示，此时烛焰的像成在光屏的中央，烛焰的像是倒立、　 　的实像；若只将凸透镜调高，则光屏上烛焰的像会向 　 　移动；
（2）如图1，保持凸透镜的位置不变，将蜡烛移动到光具座上30cm刻度处，移动光屏直到光屏上再次出现清晰的像，则像移动的距离 　 　（填“大于”、“等于”或“小于”）蜡烛移动的距离；
（3）实验中，小丽观察到图2中的物点S的虚像S'，请根据凸透镜成像原理，在图中完成物点S发出的光线a经过凸透镜后的折射光线；
（4）毕业典礼上，小丽想拍摄教学楼的全景，但她所在的位置只能拍摄到教学楼的一部分，由于无法改变拍摄位置，她只能通过改变照相机镜头焦距使像变小，从而拍摄到全景。小丽的照相机镜头相当于一个焦距可变的凸透镜，为了拍摄到全景，她应该调节照相机镜头的焦距，使其适当　 　（填“变大”或“变小”）。
【答案】（1）缩小；上；（2）小于；（3）见解答图；（4）变小。
【分析】（1）根据u＞2f，成倒立、缩小的实像；根据过光心的光线传播方向不变分析回答；
（2）根据u＝v＝2f，成倒立、等大的实像，据此分析；
（3）根据物体发出的光线经过凸透镜折射后好像是从其像点发出的，据此作图；
（4）凸透镜焦距变小，相当于增大物距，减小像距。
【解答】解：（1）蜡烛、凸透镜、光屏在光具座上的位置如图1所示，此时物距u＝50cm﹣15cm＝35cm＞2f，根据u＞2f，成倒立、缩小的实像；
若只将凸透镜调高，根据过光心的光线传播方向不变可知，光屏上烛焰的像会向上移动；
（2）如图1，保持凸透镜的位置不变，将蜡烛移动到光具座上30cm刻度处，此时物距u＝50cm﹣30cm＝20cm＝2f，根据u＝v＝2f，成倒立、等大的实像，即像距v＝2f＝20cm，则蜡烛移动的距离为30cm﹣15cm＝15cm，光屏移动的距离为70cm﹣65cm＝5cm，故像移动的距离小于蜡烛移动的距离；
（3）物体发出的光线经过凸透镜折射后好像是从其像点发出的，如下图所示：
；
（4）为了拍摄到全景，她应该将照相机镜头的焦距变小，因凸透镜焦距变小，相当于增大物距，减小像距，像随之变小。
【点评】此题考查了凸透镜成像规律的探究及应用，关键是熟记成像规律的内容，并做到灵活运用。
【变式练3】（2023 朝阳）某实验小组在“探究凸透镜成像规律”的实验中：
（1）实验前要调整烛焰、透镜和光屏的中心大致在　 　，目的是使像成在光屏的中央。
（2）移动蜡烛和光屏到如图所示位置，光屏上出现了烛焰清晰的像（像未画出），生活中的　 　（选填“照相机”、“投影仪”或“放大镜”）就是这一成像原理的应用。
（3）实验过程中，小明同学不小心用手指指尖触摸到了凸透镜，这时光屏上
　　 （选填“会”或“不会”）出现指尖的像。
（4）实验一段时间后，蜡烛燃烧变短。要使像仍然成在光屏的中央，应将光屏向　 　移动。
（5）另外一个实验小组用由几个发光二极管做成的“F”字样的发光体代替蜡烛进行实验，你认为其好处是　 　（写出一点即可）。
【答案】（1）同一高度；（2）投影仪；（3）不会；（4）上；（5）可以增加物体的亮度，使成像更清晰
【分析】（1）探究凸透镜成像的实验时，调整烛焰、凸透镜、光屏三者的中心大致在同一高度（主光轴上），像才能呈在光屏的中心；
（2）当f＜u＜2f时，凸透镜成倒立、放大的实像，应用为投影仪；
（3）u＜f时，凸透镜成正立、放大的虚像；
（4）实验一段时间后，蜡烛变短了，根据过光心不改变方向分析；
（5）二极管比烛焰的亮度更大，并且形状更特别，在研究时更容易理解倒立实像的含义。并且二极管发光比较环保安全。蜡烛在燃烧时会消耗而变短，同时遇到风会晃动。
【解答】解：（1）将蜡烛、凸透镜和光屏依次放在光具座上，点燃蜡烛后，为了使像成在光屏的中央，应该调整烛焰、透镜和光屏的中心大致在同一高度；
（2）由图可知，此时物距小于像距，凸透镜成倒立、放大的实像，应用为投影仪；
（3）用手指指尖触摸到了凸透镜，手指处于凸透镜的1倍焦距以内，故此时成虚像，不能成在光屏上，所以在光屏上不能看到手指尖的像；
（4）蜡烛变短了，光屏上的像会向上移动，要使像成在光屏的中央，根据过光心不改变方向，凸透镜向下移动，或光屏向上移动；
（5）发光二极管比烛焰的亮度更大、更环保，更容易看出倒立实像不仅是上下相反、而且是左右相反；同时蜡烛燃烧有火焰，不如发光二极管安全；火焰在有风的时候会晃动，同时蜡烛会越烧越短，而二极管不会。

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