资源简介

5.5 跨学科实践：制作望远镜
课题 制作望远镜 课型 新授课
课时 1课时（45分钟） 教材版本 人教版八年级上册
授课对象 八年级学生 授课时间 年 月 日
教学方法 讲授法、探究法、实验法、讨论法 教学用具 焦距不同的凸透镜若干（物镜焦距较长、目镜焦距较短）、纸筒/瓦楞纸板、剪刀、胶带等制作工具、多媒体课件
一、核心素养目标
1. 物理观念
了解望远镜的基本结构——物镜和目镜均为凸透镜，知道物镜焦距较长、目镜焦距较短。
理解望远镜的成像原理：物镜成倒立缩小实像，目镜作为放大镜观察该实像，最终增大视角。
知道视角的概念及影响因素（物体大小、物体到眼睛的距离），理解望远镜增大视角的原理。
掌握望远镜放大倍数的计算：放大倍数=f物/f目。
2. 科学思维
通过将望远镜与显微镜对比，培养运用已有知识进行类比推理的科学思维方法。
通过分析望远镜两次成像过程（物镜→实像，目镜→虚像），培养多步骤光路分析能力。
在设计简易望远镜的过程中，经历"明确需求→选择参数→设计方案→制作调试"的工程思维过程。
3. 科学探究
经历设计简易望远镜的全过程：确定倍率→选择透镜→设计镜筒→制作→调试，体验科学探究与工程实践的结合。
通过测量凸透镜焦距和直径，学会基本的光学元件参数测量方法。
在调试望远镜的过程中，观察不同镜筒长度对成像清晰度的影响，培养观察和归纳能力。
4. 科学态度与责任
通过亲手制作望远镜，体验"学以致用"的乐趣，增强将物理知识应用于实践的意识和能力。
了解伽利略将望远镜指向天空开创天文学新纪元的历史，感悟科学技术对人类认识世界的推动作用。
在小组合作制作望远镜的过程中，培养团队协作精神和严谨细致的工匠态度。
二、教学重点与难点
教学重点：1. 望远镜的结构和成像原理：物镜成倒立缩小实像（相当于照相机），目镜作为放大镜将该实像放大成虚像。 2. 望远镜增大视角的原理：虽然像比物体小，但像离眼睛很近，视角增大。 3. 望远镜放大倍数=f物/f目，制作时要选择焦距合适的凸透镜作为物镜和目镜。
教学难点：1. 理解望远镜两次成像的完整光路过程——学生容易混淆第一次成像（物镜）和第二次成像（目镜）各自的性质。 2. 理解"望远镜并没有把物体放大"与"看到的天体变大了"并不矛盾——关键是视角增大了。 3. 掌握望远镜制作中镜筒长度与焦距的关系：观察远处时，两透镜间距≈f物+f目。
三、教学过程
环节一：情境导入（3-5分钟）
【教师活动】同学们，科学家利用巨大的天文望远镜可以观测到几十亿光年以外的星系。我们能自己制作一个望远镜吗？答案是肯定的！今天我们就用凸透镜成像的知识，加上两张硬纸板和两块凸透镜，亲手制作一个望远镜，去观察校园里的远处物体。
【学生活动】学生观看天文望远镜图片，回顾凸透镜成像规律——照相机、投影仪、放大镜的成像特点，猜想望远镜的光学原理。
【过渡语】巨大的天文望远镜能让我们看到几十亿光年以外的星系，它们用的是什么原理？今天我们就来揭开望远镜的秘密，还要亲手制作一个属于自己的望远镜！
巨大的天文望远镜接收来自遥远星系的信息
环节二：新知探究（15-20分钟）
知识点一：望远镜的基本原理
【教师活动】[展示望远镜结构示意图] 请同学们回忆一下凸透镜的成像规律，猜想望远镜是如何把远处物体"拉近"的？
【讲授】1. 望远镜的结构：望远镜由物镜和目镜两组透镜组成。物镜——靠近被观测物体的凸透镜（焦距较长、直径较大）；目镜——靠近眼睛的凸透镜（焦距较短、直径较小）。
【学生活动】学生观察望远镜结构图，标注物镜和目镜的位置关系，思考：为什么物镜焦距要长、目镜焦距要短？
【讲授】2. 望远镜的成像原理（两次成像）：第一次——物镜将远处物体成一个倒立、缩小的实像（物镜相当于照相机，该实像落在目镜的焦点以内）；第二次——目镜作为放大镜，将第一次成的实像再放大成一个正立（相对于第一次的实像而言）、放大的虚像。最终眼睛看到的是倒立的虚像。
【互动提问】互动：望远镜成的像比物体小，为什么我们感觉物体"变大"了？这涉及一个重要概念——视角！
【讲授】3. 视角：从眼睛的光心向观察物体的两端所引的两条直线的夹角。物体对眼睛所成的视角越大，它在视网膜上所成的像就越大，观察起来越清晰。
【讲授】视角的影响因素：①物体本身大小——距离相同时，大物体视角大。②物体到眼睛的距离——物体大小一定时，距离越近视角越大。
【重点辨析】望远镜之所以能"望远"：它并没有把物体本身放大，而是把物体的像移到离眼睛很近的位置，从而增大了视角！这就是"像变小但看得更清"的奥秘。
【讲授】4. 望远镜的放大倍数= f物/f目。f物是物镜焦距，f目是目镜焦距。物镜焦距越长、目镜焦距越短，放大倍数越大。
【教师活动】[提问] 使用望远镜时前后拉动镜筒来调节什么？调节的是物镜和目镜之间的距离，使第一次成的实像恰好落在目镜的焦点以内，看到最大最清晰的像。
视角的概念：从眼睛到物体两端直线的夹角
望远镜放大倍数=f物/f目
理解要点：1. 望远镜成像过程记忆法："物镜照相缩成实，目镜放大看虚像"——物镜相当于照相机（u>2f，成缩小实像），目镜相当于放大镜（将该实像再放大）。2. 望远镜的核心秘密不是"放大物体"，而是"增大视角"——像虽然比原物体小，但离眼睛近得多，视角反而大。3. 放大倍数=f物/f目，注意f物>f目才有放大效果。
【过渡语】理解了望远镜的光学原理后，我们就可以动手设计了！下面我们来当一回"光学工程师"——设计一个属于自己的简易望远镜。
知识点二：设计简易望远镜
【教师活动】[展示设计任务] 我们要制作一个放大倍数为2~3倍的简易望远镜，请思考：应该选用怎样的凸透镜？镜筒要怎么做？
【讲授】1. 确定放大倍率：作为简易望远镜，为了让成像质量好一些，放大倍数不过大，取2~3倍即可。根据放大倍数=f物/f目，确定物镜和目镜焦距的比例。
【学生活动】学生小组讨论：若要制作2倍望远镜（f物/f目=2），已有焦距10cm的凸透镜，应选焦距为多少的凸透镜作目镜？f目=5cm。
【讲授】2. 选择物镜和目镜：①焦距——根据放大倍数选择焦距合适的凸透镜，物镜焦距长、目镜焦距短。②直径——物镜的直径要比目镜的直径大一些，以便收集更多光线，使成像更明亮。需实际测量凸透镜直径以便制作镜筒。
【讲授】3. 设计镜筒：①物镜的镜筒要比目镜的镜筒粗（可套在一起方便调节）。②观察最远处物体时，两块凸透镜间的距离约为两块凸透镜焦距之和（f物+f目）。③观察较近处物体时，间距需稍大一些。
选择物镜和目镜：物镜焦距长直径大，目镜焦距短直径小
设计口诀：物镜要"长"且"粗"（焦距长、直径大），目镜要"短"且"细"（焦距短、直径小）。镜筒间距≈长+短（f物+f目）。放大倍数=长÷短（f物÷f目）。
【过渡语】设计方案有了，现在就让我们用准备好的材料，亲手制作望远镜！
知识点三：制作及调试望远镜
【教师活动】[指导学生制作] 现在请各组拿出准备好的材料——两块凸透镜（已知焦距）、纸板/纸筒、胶带和剪刀，按设计方案制作望远镜。
【讲授】1. 制作镜筒：①可利用现成的圆筒状物体（如羽毛球筒），或用长方形纸板卷起来制成镜筒。②每段镜筒长度需合适，留出前后调节的空间。③物镜筒略粗、目镜筒略细，目镜筒可插入物镜筒中。
【学生活动】学生动手制作：测量凸透镜直径→裁剪纸板→卷制镜筒→固定透镜，注意镜筒前段预留前后调节空间。
【讲授】2. 试用与调试：把目镜镜筒插入物镜镜筒内，目镜放到眼前，通过望远镜观察远处物体。前后拉动镜筒改变物镜与目镜间的距离，直到看到远处物体最清晰的像为止。
【互动提问】反思：我们制作的望远镜看到的是倒立的像，怎样才能看到正立的像？方案①：使用两个相互垂直的平面镜先将像上下颠倒再左右颠倒。方案②：物镜用凸透镜、目镜用凹透镜（伽利略望远镜，像是正立的）。
制作简易望远镜：纸板制作镜筒示意图
将凸透镜安装固定在镜筒前端
伽利略：第一位将望远镜指向天空的科学家
制作注意事项：1. 物镜和目镜不要装错位置——靠近眼睛的是目镜（焦距短），远离眼睛的是物镜（焦距长）。2. 镜筒长度要允许前后调节，因为观察不同距离的物体需要不同间距。3. 物镜直径大→收集光线多→成像更亮，这是选用粗镜筒的原因。4. 初次调试时从最长间距开始，缓慢缩近直到图像最清晰。
环节三：例题精讲（10-15分钟）
例题1：下列关于望远镜的说法，正确的是（ ）
A. 望远镜的物镜成倒立放大的实像
B. 望远镜的目镜相当于一个放大镜
C. 望远镜最终看到的是正立的虚像
D. 望远镜的放大倍数越大，看到的物体实际越大
【思路分析】A错：物镜相当于照相机，将远处物体成倒立缩小的实像（非放大）。B对：目镜作为放大镜，将物镜所成的实像再放大成虚像。C错：由两个凸透镜组成的望远镜（开普勒望远镜）最终看到的是倒立的虚像。D错：望远镜放大的是视角，不是物体本身的大小——物体实际大小是不变的。故选B。
答案：B
【变式训练】望远镜的物镜直径为什么要做得尽可能大？
解析：物镜直径越大，进入望远镜的光线越多，所形成的像就越明亮，对观察暗弱天体尤为重要。这就是为什么天文望远镜的物镜直径要尽可能地大。
例题2：某同学要制作一个放大倍数为4倍的简易望远镜，他手头有两块焦距分别为20cm和5cm的凸透镜。关于这两块透镜的分配和镜筒长度，下列说法正确的是（ ）
A. 焦距20cm的凸透镜作目镜，焦距5cm的作物镜
B. 焦距5cm的凸透镜作目镜，焦距20cm的作物镜
C. 观察远处时两透镜间距约为25cm
D. 观察近处物体时两透镜间距应小于25cm
【思路分析】放大倍数=f物/f目=4，所以f物要长（20cm）、f目要短（5cm）→焦距20cm作物镜、5cm作目镜。A错B对。观察远处物体时间距≈f物+f目=25cm，C对但题干问正确的是"关于望远镜"的说法，多选时选B（A/C本身单独看C也正确）。观察近处间距应大于25cm，D错。最准确选B。
答案：B
【变式训练】若该望远镜物镜焦距20cm、目镜焦距5cm，求其放大倍数。如果改用焦距为30cm的凸透镜作物镜，放大倍数变为多少？
解析：原放大倍数=20cm÷5cm=4倍。换用焦距30cm作物镜后：放大倍数=30cm÷5cm=6倍。物镜焦距越长、目镜焦距越短，放大倍数越大。
环节四：课堂练习（5-10分钟）
A组·基础巩固
练习1：对于由两组凸透镜组成的望远镜来说，物镜和目镜所成的像分别是（ ）
A. 放大的实像，放大的虚像
B. 缩小的实像，缩小的虚像
C. 缩小的实像，放大的虚像
D. 放大的虚像，放大的实像
练习2：小阳学习了望远镜的原理之后，自己动手制作了一个望远镜，结构如图甲所示，其中物镜的焦距为20cm，目镜的焦距为5cm。经过不断的调试，他看到了远处物体最大最清晰的像（成像原理的光路图如图乙所示）。下列说法正确的是（ ）
A. 远处的物体经过物镜成像在物镜的焦点附近
B. 眼睛看到的是远处物体的倒立的实像
C. 此时物镜和目镜之间的距离约为20cm
D. 若要观察更远的物体，此时应该增大物镜和目镜之间的距离
练习2配图甲：自制望远镜结构示意图
配图乙：望远镜成像光路图
练习3：对于天文爱好者用的望远镜，下列说法正确的是（ ）
A. 通过望远镜最终看到的是正立的天体的像
B. 所成的像比实际的天体小，但相对于眼睛的视角增大了，最终会感觉天体变大了
C. 最终看到的是一个实像
D. 最终所成的像比实际的天体大
B组·能力提高
练习4：关于望远镜的视角，下列说法中错误的是（ ）
A. 视角的大小与物体本身的大小有关——物体越大，视角越大
B. 视角的大小与物体到眼睛的距离有关——距离越远，视角越小
C. 望远镜增大视角的原理是把物体的像移到离眼睛很近的位置
D. 通过望远镜看到的物体变大了，说明望远镜把物体放大了
练习5：一个简易望远镜的物镜焦距为30cm，目镜焦距为6cm，下列说法正确的是（ ）
A. 该望远镜的放大倍数为5倍
B. 观察远处物体时，物镜和目镜间距约为36cm
C. 物镜的作用相当于一个放大镜
D. 目镜的直径应比物镜的直径更大
环节五：课堂小结（2-3分钟）
【教师引导】让我们回顾今天的学习——望远镜的结构是什么？物镜和目镜分别成什么像？视角增大是怎么回事？放大倍数怎么算？制作望远镜的关键步骤是什么？请同学们对照制作记录表完成小结。
【课堂互动】各组展示自己制作的望远镜，分享制作过程中的经验和遇到的问题。评选"最佳望远镜"——看哪一组用自制望远镜看到的最远处物体最清晰。
四、板书设计
第5节 制作望远镜
一、望远镜的基本原理
① 结构：物镜（凸透镜、焦距长）+目镜（凸透镜、焦距短）
② 成像：物镜→倒立缩小实像；目镜→放大虚像
③ 视角：物体两端到眼睛光心的夹角
④ 放大倍数=f物/f目；增大视角是"望远"的奥秘
二、设计简易望远镜
① 倍率：2~3倍
② 物镜：焦距长、直径大；目镜：焦距短、直径小
③ 镜筒间距≈f物+f目（观察远处时）
三、制作与调试
① 制作镜筒→固定透镜→调试间距→直到成像最清晰
② 正像方案：双平面镜或伽利略式（物镜凸+目镜凹）
五、教学反思
1. 学生对望远镜两次成像过程（物镜→实像，目镜→虚像）的理解是否清晰？
2. "视角增大"的概念是否讲透？学生能否举例说明"像变小但看得更清"的道理？
3. 制作环节中学生的动手参与度如何？各组能否成功完成望远镜的制作？
4. 放大倍数公式f物/f目的计算掌握情况如何？能否灵活用于设计参数选择？
5. 调试过程中学生是否体会到"镜筒长度影响成像清晰度"的规律？
6. 是否存在用凹透镜作目镜制成伽利略式望远镜的兴趣延伸？

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