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5.5 跨学科实践：制作望远镜（教学设计）
年级 八年级 授课时间
课题 5.5 跨学科实践：制作望远镜
教学 目标 1. 了解望远镜的基本结构和原理。 2. 经历制作简单的望远镜的过程。 3. 了解望远镜的发展历程，体会科学技术对社会发展和生活的影响。
教材 分析 望远镜是光学仪器研究和使用过程中的一个飞跃，它使人类对广阔的宇宙空间有了更加深入的了解。 这一节内容在课程标准中没有具体要求，它是前面所学凸透镜成像知识的扩展。学习望远镜的知识，制作望远镜，可让学生加深对凸透镜成像原理的理解，了解科学知识的应用，提高自身的科学素养。 本节教材从伽利略、牛顿等科学前辈利用望远镜来观测天空入手，选取人类探索宇宙的一些重大活动，简述了人类探索太阳系和宇宙的历程。至于探索宇宙的更多的事例，教学中可以让学生通过报刊、网络等进行查阅，以培养他们通过各种公共信息资源收集资料的能力。
学情 分析 根据学生的学习情况和已有的生活经验，对望远镜有了解，但是对于望远镜原理学生还很模糊，在理解上有些困难，特别是对二次成像理解起来有难度。为了克服本节学习障碍，能完成学习目标，须重视学生的动手探究活动。
教学重点 1. 望远镜的基本结构和成像原理。 2. 会制作望远镜模型。
教学难点 望远镜的成像原理。
教学 器材 望远镜、不同焦距的凸透镜两个，制作望远镜所需材料。 多媒体ppt，包含视频：《模拟望远镜》、《望远镜原理》、《自己动手制作望远镜》等。
教学过程
教师活动 学生活动
导入新课 【提问】科学家利用巨大的天文望远镜接收来自遥远星系的信息。通过分析这些信息，人们对宇宙了解得越来越深入了。你能根据透镜成像的知识，自己制作一个望远镜吗 或许你能用它作出新的发现呢! 思考问题，进入情景。
学习新课 一、制作望远镜 望远镜种类很多，其中一种是由两组凸透镜（开普勒望远镜）组成。 1. 探究望远镜的原理 【实验器材】两个焦距不同的凸透镜。 【实验步骤】 ①先用一个凸透镜（焦距大的）观察窗外远处的物体，注意成像情况。 ②再用另一个凸透镜（焦距小的）观察上面得到的物体的像，注意成像情况。 ③将两凸透镜的位置对调，再观察远处的物体，对比两次成像的大小。 【分析论证，归纳结论】 ①将焦距较大的透镜放在焦距较小的透镜前面，观察物体，物体成倒立、放大的像，远处的物体看上去放大了。 ②将两凸透镜的位置对调，将焦距较小的透镜放在焦距较大的透镜前面，再观察远处的物体，物体成倒立、缩小的像。 【演示实验】——《模拟望远镜》 2. 望远镜的构造 【播放ppt进行讲解】 望远镜由两组透镜组成，每组透镜相当于一个凸透镜。靠近被观察物体的凸透镜，焦距比较长，叫物镜。靠近眼睛的凸透镜，焦距比较短，叫做目镜。 望远镜示意图 双筒望远镜 我们见到的普通望远镜和军事望远镜都是双筒的，是双筒望远镜。它的两个镜筒都是拐了弯的，在拐弯处分别安装了两个“全反射棱镜”。这种设计一方面缩短了镜筒的长度，另一方面经过那两块棱镜的两次反射也能使本来倒立的像正立过来。 3. 望远镜的原理 【边画光路图边讲解】 （1）物镜与目镜 物镜相当于照相机的镜头，使远处的物体在焦点附近成倒立、缩小的实像。目镜相当于一个放大镜，成正立、放大的虚像。两次成像，先缩小，后放大。 （2）望远镜的成像光路图 注意： ①目镜把物镜所成的像进行放大。目镜所成的像正倒和大小是相对于物镜所成的像而言的。最后成像与物体本身比，是倒立、缩小的虚像。 ②物镜和目镜的距离等于两个透镜的焦距之和。（由于物体距望远镜的距离很大，第一次成像在物镜的焦点附近且无限靠近焦点，可以近似地认为在焦点处，要使目镜的放大倍数尽可能最大，则这个像要在目镜的一倍焦距以内且尽可能靠近焦点）。 （3）视角 【提出问题，引出视角的概念】 物体距离物镜很远，它的像却离物镜很近，这样的像应该是缩小的，为什么用望远镜观察物体时会感到像被放大了？ 原来，我们能不能看清一个物体，它对我们的眼睛所成“视角”的大小十分重要，视角越大，对物体观察越清楚。 ①视角的概念 从眼睛的中心向物体两端所引的两条直线的夹角。视角的大小不仅和物体本身的大小有关，还和物体到眼睛的距离有关。 ②望远镜对视角的放大 用望远镜观察物体时，望远镜所成的像离我们的眼睛很近，增大了视角，因而通过望远镜能清楚地看到远处的物体。 望远镜物镜的直径比我们眼睛的瞳孔大得多，这样它可以会聚更多的光，使得所成的像更加明亮。这一点在观测天空中的暗星时非常重要。现代天文望远镜都力求把物镜的口径加大，以便观测到更暗的星。 （4）望远镜的放大倍率 如图所示，这样的望远镜（开普勒望远镜）的放大倍率为 n=f物/f目。 其中，f物是物距的焦距，f目是目距的焦距。 【播放视频】——《开普勒望远镜原理》 4. 设计简易望远镜 （1）确定望远镜的放大倍率 自制的望远镜可以采用单片的凸透镜作为目镜和物镜。为了让成像质量好一些，其放大倍率不宜过大，取放大倍率为2~3倍即可。 （2）选择物镜和目镜 望远镜的物镜和目镜可以选择老人阅读用放大镜的镜片，也可以使用老花镜的镜片，还可以直接购买凸透镜。利用本章所学知识测量凸透镜的焦距，并根据放大倍数的要求，选择适当焦距的凸透镜分别作为物镜和目镜。 在选择两块凸透镜时，除了需要满足焦距的要求，物镜的直径还要比目镜的直径大一些。测量凸透镜的直径，以便于制作直径合适的镜筒。 由此，应选择焦距较长、直径较大的凸透镜作为物镜，焦距较短、直径较小的凸透镜作为目镜。 （3）设计镜筒 在用望远镜对不同远近的物体进行观察时，需要调节两块凸透镜间的距离。如图所示，镜筒可以设计成两段，让物镜的镜筒较目镜的镜筒粗一些，这样套在一起，便于在使用时调节。观察最远处的物体时，两块凸透镜间的距离约等于两块凸透镜的焦距之和；观察较近处的物体时，两块凸透镜间的距离要稍大一些。 5. 制作及调试望远镜 （1）制作 根据所选凸透镜的焦距和直径制作镜筒。例如，可以选用如图所示的两块凸透镜。其中，物镜的焦距约为20cm，直径约为5cm；目镜的焦距约为10cm，直径约为4cm。 想一想：对于上图的制作方案，你有没有办法减小望远镜两个镜筒间的缝隙 另外，还应注意每段镜筒的长度需合适，以便留出前后调节的空间。 制作时，根据凸透镜的焦距、直径等数据，以及对镜筒长度的要求，我们可以利用现成的圆筒状物品（如装羽毛球的筒），也可以通过截取适当尺寸的长方形纸板（如瓦楞纸板或其他材料），并把它卷起来制成镜筒。 此外，还要考虑如何把物镜和目镜方便地固定在镜筒上。 （2）试用与调整 把目镜镜筒插入物镜镜筒内，把目镜放到眼前，通过望远镜观察远处的物体。在观察时要通过对镜筒长度的调节，改变物镜与目镜间的距离，直到在望远镜中看到远处物体清晰的像为止。 【视频演示】——《自己动手制作天文望远镜》 6. 反思与拓展 （1）通过望远镜看到正立的像的方法 这里制作的望远镜使用了两块凸透镜，观察到的远处物体的像是倒立的，怎样才能通过望远镜看到正立的像呢 第一种方法：如图所示，物镜使用凸透镜，目镜使用凹透镜，望远镜所成的像就是正立的了（伽利略望远镜）。 第二种方法：是使用两个相互平行的平面反射装置把所成的像先上下颠倒一次，再左右颠倒一次。 请你利用上面的方法改进你制作的望远镜，也可以针对你发现的望远镜的其他问题，设计解决的办法，让你的望远镜更加完善。 【例题1】“超级月亮”比正常时的月亮要大百分之二十，亮度也有所增加，某天文爱好者为了研究这一现象，于是架设一台开普勒望远镜做进一步观察。关于该望远镜，下列说法正确的是（　D　） A．它的物镜和目镜都是凹透镜 B．它的物镜相当于投影仪，用来把物体放大 C．物镜的作用是使远处的物体在焦点附近成虚像 D．它由两个透镜组成，靠近眼睛的为目镜，靠近被观测物体的为物镜 【详解】A．望远镜的物镜和目镜都是凸透镜，故A错误； B．望远镜的物镜相当于照相机的镜头，使远处的物体成一个倒立缩小的实像，故B错误； C．望远镜的物镜的作用是使得无限远处的物体在焦点附近成一个倒立缩小的实像，目镜再把这个像放大，故C错误； D．望远镜由两组凸透镜组成，靠近眼镜的为目镜，靠近被观测物体的为物镜，故D正确。所以选D。 【例题2】如图所示用两只焦距不同的放大镜一前一后放在眼前观察远处的物体，下列说法中正确的是（ C ） A. 两只放大镜对物体进行了两次放大 B．两只放大镜组合在一起相当于一台显微镜 C．两只放大镜组合在一起相当于一架望远镜 D．将两只放大镜的位置对换后，观察同一物体的大小是相同的 【解析】因为是看远处的物体，所以相当于望远镜，前面的透镜成倒立、缩小的实像，相当于照相机，后面的透镜成正立、放大虚像，相当于放大镜。所以AB错误； 将两只放大镜的位置对换后，观察同一物体的大小是不同的，一次是放大的（焦距小的靠近眼睛作为目镜），一次是缩小的（焦距大的靠近眼睛作为目镜）；所以D错误。 所以选C。 进行实验，描述现象，归纳结论，知道望远镜的结构和原理。 观看视频。了解模拟望远镜的制作过程及原理。 知道望远镜的结构。 知道望远镜的原理。 根据光路图理解成像原因。 知道视角的概念。望远镜对视角的放大。 知道望远镜的放大倍率。 观看视频《开普勒望远镜原理》。 设计简易望远镜。会选择适当焦距的凸透镜分别作为物镜和目镜。 知道设计镜筒的要求。 进行制作并进行调试。 知道通过望远镜看到正立的像的方法，并尝试制作。 做例题，理解望远镜的组成及原理。
学习新课 二、望远镜与宇宙探索 【引入】在人类历史的早期，人们利用肉眼观测天象。后来人们通过测量天体的运动、制定历法，指导人们的生产生活。 例如，战国时期的文献中记载：“斗柄东指，天下皆春；斗柄南指，天下皆夏；斗柄西指，天下皆秋；斗柄北指，天下皆冬。” 这说明人们很早就发现了北斗七星一年中的周回运转在昭示四季、节气变迁方面的重要作用。 【指导学生阅读教材132～133页】，了解本部分知识。 【归纳讲解】 1. 使用望远镜探索宇宙的历程 （1）伽利略望远镜 意大利天文学家、物理学家伽利略是第一位把望远镜指向天空的人。1609年伽利略用自制的望远镜观察天体，以确凿的证据支持了哥白尼的“日心说”。第一个观测到了木星的卫星、太阳黑子和月球上的环形山。 （2）“海王星”的发现 1846年，科学家根据牛顿发现的万有引力定律，猜想天王星外还存在一颗未知的行星。不久，人们用望远镜在预测的位置发现了这颗行星，它被命名为“海王星”。 伽利略望远镜 哈勃太空望远镜 （3）哈勃太空望远镜 为改进对星体的观察，1990年美国向太空发射了一台望远镜，叫哈勃太空望远镜，可以排除大气层的干扰，使人类观测宇宙的能力空前提高。 （4）郭守敬望远镜与“中国天眼” 我国不仅古代在天文观测上取得了丰硕的成果，在现代也对宇宙探索作出了很大贡献。2009年，郭守敬望远镜建成，并于2011年启动光谱巡天任务，成为世界上第一个获取光谱数突破千万量级的望远镜。 2020年，中国天眼正式开放运行，它是目前全球单口径最大、灵敏度最高的射电天文望远镜。 2. 我们的宇宙 宇宙是一个有层次的天体结构系统。 （1）宇宙：我们的宇宙中拥有上千亿个星系； （2）银河系：银河系只是宇宙中上千亿个星系中的一个。银河系异常巨大，一束光穿越银河系需要10万年的时间。 （3）太阳系：太阳不过是银河系中几千亿颗恒星中的一员。太阳周围有水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星等行星绕它运行。此外，还有若干其他天体绕太阳转动。 （4）地球：在离太阳比较近的第三条轨道上，是太阳系中的一颗行星。 【例题4】下列各物体的尺度，按由大到小的顺序排列正确的是（ ） A．地球、太阳、银河系 B．银河系、太阳、地球 C．银河系、地球、太阳 D．太阳、银河系、地球 【答案】B 【解析】宇宙中拥有数十亿个星系，银河系只是这数十亿个星系中的一个。银河系异常巨大，太阳不过是银河系中几千亿颗恒星中的一员．太阳周围有水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星等行星绕它运行，故B符合题意，ACD不符合题意．所以选B。 【例题5】收集人类建造天文望远镜探索宇宙历程的资料，自拟题目就你喜欢的相关问题写一篇科学小短文。 【参考答案】略。 阅读教材第132～133页， 了解人类使用望远镜探索宇宙的历程。 知道望远镜发展过程，望远镜的发明大大扩展了人类观测天空的视野。 知道宇宙是一个有层次的天体结构系统，会排列宇宙、银河系、太阳系的大小。 做题并解析。
课 堂 练 习 课 堂 练 习 1．望远镜的原理是将远处的物体经过物镜在焦点附近成一个 像，落在目镜的 ；再经目镜使这个像再成一个 像。物镜相当于 ，目镜相当于 。 【答案】倒立缩小的实，焦点内，正立放大的虚，照相机，放大镜。 【详解】望远镜成像时相当于照相机，将远处的物体经过物镜在焦点附近成一个倒立缩小的实像。 望远镜的目镜相当于放大镜，把物镜所成的倒立缩小实像继续放大，故实像应该落在目镜的焦点内，成正立放大的虚像。 2. 如图表示一种光学仪器的成像原理，这种仪器是 （选填“望远镜”或“显微镜”），目镜的作用相当于 （选填“放大镜”或“投影仪”）。 【答案】望远镜，放大镜。 【详解】由图可知，远处的物体先通过物镜使物体成一倒立、缩小的实像，然后用目镜把这个实像再放大成正立、放大的虚像，就能看清很远处的物体，这就是望远镜的原理，目镜相当于一个放大镜。 3．如图所示，该望远镜的目镜和物镜是由两组凸透镜组成的，下列说法正确的是（　　） A．第一个用望远镜观测天体并进行绘制的科学家是开普勒 B．目镜的作用相当于投影仪 C．远处景物通过物镜成缩小的像 D．①是物镜，②是目镜 【答案】C. 【解析】A．第一个用望远镜观测天体并进行绘制的科学家是伽利略，故A错误； B．目镜的作用相当于放大镜，故B错误； C．望远镜的物镜相当于照相机的镜头，成倒立、缩小的实像，故C正确； D．靠近眼睛的是目镜，离眼睛较远的是物镜，故D错误。 故选C。 4．用凸透镜制作简易望远镜，对望远镜工作原理分析，错误的是（　　） A．望远镜的目镜成的是正立放大的虚像 B．望远镜的两个透镜，可以用老花镜的镜片来代替 C．远处的物体经过物镜成的像落在目镜焦点以内 D．望远镜的物镜成的是倒立放大的实像 【答案】D 【详解】ABC．望远镜的物镜与目镜两个透镜都是凸透镜，可以用老花镜的镜片来代替。远处的物体经过物镜成的像落在目镜焦点以内，目镜成的是正立放大的虚像，故ABC正确，不符合题意； D．望远镜的物镜成的是倒立缩小的实像，像在一倍焦距到两倍焦距之间，故D错误，符合题意。 故选D。 5. 如图所示，取两个焦距不同的放大镜，一只手握住一个，把焦距较长的放大镜放在前面远离眼睛，焦距较短的放大镜放在后面靠近眼睛，通过两个放大镜看前面的物体，调整两个放大镜间的距离，直到看得最清楚为止。物体是 （选填“变大”或“变小”）；若接着把两个放大镜的位置前后对调，物体是 （选填“变大”或“变小”）。 【答案】变大，变小。 【详解】通过两个焦距不同的放大镜演示望远镜成像原理，前面焦距大的凸透镜相当于望远镜的物镜，使远处的物体在焦点附近成倒立的实像，后面焦距小的凸透镜相当于望远镜的目镜，用来把这个实像放大，所以我们看到了物体倒立、放大的像。 望远镜的放大倍数等于物镜焦距除以目镜焦距；若望远镜的两个凸透镜位置颠倒，焦距小的作为物镜，焦距大的作为目镜，则放大倍数小于1，成缩小的像。 6. 市面上有许多很便宜的玩具望远镜，几个同学合买了一个回来进行探究： 先将目镜放在眼睛前面观察前面的景物，然后将望远镜掉个头，将物镜放在眼镜前面观察前面的景物，你两次观察到的景物是否相同？写出区别：眼睛观察目镜：_____；眼睛观察物镜：________。 【答案】 物体变大变近了 物体变小变远了 【详解】玩具望远镜是采用一个凸透镜和一个凹透镜的结构，凸透镜即物镜距离物体的距离时比较大，远远的大于二倍焦距，成倒立的缩小的实像，这个实像在凸透镜的另一侧的一倍焦距和二倍焦距之间，又恰好成在凹透镜（目镜）的一倍虚焦距和二倍虚焦距之间，通过凹透镜的折射，在凹透镜的另一侧成一个倒立的放大的虚像,倒立再倒立，就成了正立的像了；所以眼睛观察目镜时是望远镜的正常使用，现象是:物体变大变近了。 若将望远镜掉头，物体在凹透镜的二倍焦距之外，就会在凹透镜的另一侧成一个倒立的缩小的虚像，这个虚像又恰好在目镜（凸透镜）的一倍焦距和二倍焦距之间，凸透镜就会把这个像放大，但放大倍数肯定没有正放时大，所以眼睛观察物镜时现象是：物体变小变远了。
板 书 设 计 第5节 制作望远镜 一、望远镜 1. 构造：物镜（相当于照相机）、目镜（相当于放大镜）。 2. 原理：远处物体首先通过物镜成倒立、缩小的实像；目镜把物镜形成的实像放大，得到正立、放大的虚像。 3. 视角：用望远镜观察物体时，望远镜所成的像离我们的眼睛很近，增大了视角，故能清楚地看到远处的物体。 二、制作望远镜 1. 设计简易望远镜。 2. 制作及调试望远镜。 三、望远镜与宇宙探索 1. 使用望远镜探索宇宙的历程：伽利略望远镜、哈勃太空望远镜、射电望远镜。 2. 宇宙是个有层次的天体结构系统：宇宙、银河系、太阳系、地月系。
课 堂 小 结 第5节 制作望远镜
作 业
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