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1.5 透镜和视觉
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本节导航·目标清单
目标导航 方法指导
· 知道凸透镜和凹透镜的区别，理解凸透镜对光的会聚作用和凹透镜对光的发散作用 · 知道透镜的主光轴、光心、焦点、焦距、物距、像距等概念 · 掌握通过透镜的三条特殊光线的折射规律，能完成透镜光路作图 · 理解实像和虚像的区别（实像能用光屏承接，虚像不能） · 掌握凸透镜成像规律，能根据物距与焦距的关系判断像的性质 · 知道凸透镜成像的几个分界点（一倍焦距分虚实，两倍焦距分大小） · 了解放大镜、投影仪、照相机的工作原理及成像特点 · 了解显微镜和望远镜的结构及成像原理 · 知道眼球的各部分结构及其功能，理解眼睛的视物原理 · 理解眼睛的调节作用（睫状肌改变晶状体形状） · 理解近视和远视的成因及矫正方法 · 了解爱护眼睛、保护视力的方法 · 运用对比法区分凸透镜和凹透镜：中间厚还是边缘厚，对光会聚还是发散 · 用"一倍焦距分虚实，两倍焦距分大小"的口诀记忆凸透镜成像规律 · 联系眼睛与照相机的相似性，理解眼球各部分的功能 · 通过近视（像成在视网膜前）和远视（像成在视网膜后）的对比，理解矫正原理
教材精研·内容全解
考点01 透镜
1. 凸透镜和凹透镜
近视的人需要戴近视眼镜，远视的人需要戴远视眼镜。近视眼镜和远视眼镜的镜片都是透镜。透镜广泛应用于放大镜、显微镜、望远镜等常见的光学仪器中。仔细观察远视眼镜和近视眼镜的镜片，不同镜片的中间和边缘厚薄是不一样的。远视眼镜镜片中间厚、边缘薄，这类透镜叫作凸透镜。近视眼镜镜片中间薄、边缘厚，这类透镜叫作凹透镜。一般透镜的两个面中至少有一个是球面的一部分。如果透镜的厚度远小于球面的半径，这种透镜叫作薄透镜。
凸透镜（左）和凹透镜（右）
2. 透镜对光的作用
凸透镜对光有会聚作用，凹透镜对光有发散作用。让凸透镜正对着太阳光，拿一张白纸在它的另一侧来回移动，直到纸上的光斑变得最小、最亮，这个光斑就是凸透镜的焦点。换用凹透镜做实验，纸上不能得到最小、最亮的光斑，因为凹透镜对光有发散作用。需要注意的是：会聚作用并不等于会聚，发散作用也不等于发散。会聚作用是指折射光线相对于入射光线的传播方向"相互靠近"了，但折射光线不一定真的交到一点；发散作用是指折射光线相对于入射光线的传播方向"相互远离"了，但折射光线也可能是会聚的。实际上对透镜来说，光线总是向厚的一边偏折。
凸透镜对光的会聚作用 凹透镜对光的发散作用
3. 透镜的相关概念
透镜有以下几个重要概念：①主光轴（主轴）：通过两个球面球心的直线。②光心O：主光轴上的一点，通过这个点的光的传播方向不变。对于薄透镜，光心就在透镜的中心。③焦点F：凸透镜能使跟主光轴平行的光会聚在主光轴上的一点，这个点叫作凸透镜的焦点。凸透镜两侧各有一个焦点（实焦点）。凹透镜有一对虚焦点（折射光线的反向延长线的交点）。④焦距f：焦点到凸透镜光心的距离。焦距越小的凸透镜，对光的会聚作用就越强。⑤物距u：物体到透镜（光心）的距离。⑥像距v：像到透镜（光心）的距离。
4. 通过透镜的三条特殊光线
通过透镜有三条特殊光线，是光路作图的基础：①平行于主光轴的光线：经凸透镜折射后，折射光线通过焦点；对凹透镜来说，折射光线的反向延长线经过虚焦点。②通过焦点的光线：经凸透镜折射后，折射光线与主光轴平行；对凹透镜来说，若入射光线的正向延长线通过虚焦点，则折射光线与主光轴平行。③通过光心的光线：不改变光的传播方向（无论凸透镜还是凹透镜）。
5. 实像和虚像
实像是由实际光线会聚而成的，能在光屏上呈现。凸透镜成的实像可以用光屏来承接，实像和物体分别位于凸透镜的两侧。虚像是由光线的反向延长线会聚而成的，能被人看到，但不能在光屏上呈现。用放大镜观察物体时，看到的像跟物体位于凸透镜的同一侧，这是因为通过凸透镜射出的光没有会聚成像，只是人眼逆着光射出的方向看去，能看到像，这样的像就是虚像。
考点02 凸透镜成像规律
1. 凸透镜成像探究实验
探究凸透镜成像规律的实验是重要考点。实验器材：凸透镜、光具座、光屏、蜡烛（或LED灯）等。实验步骤：把蜡烛、凸透镜和光屏依次放在光具座上，调节它们的高度，使三者的中心大致处于同一高度（目的是使像成在光屏中央）。把蜡烛放在离凸透镜较远的位置上，调整光屏到凸透镜的距离，使蜡烛火焰在光屏上成一个清晰的像，观察像的大小、正倒，测出物距u和像距v。将蜡烛逐次移近凸透镜，重复操作。当蜡烛移近凸透镜，在光屏上观察不到像时，撤去光屏，从光屏一侧向凸透镜方向观察，可以看到正立、放大的虚像。
探究凸透镜成像规律实验装置
2. 凸透镜成像规律
凸透镜成像规律可以总结为以下四种情况：①当u>2f时，成倒立、缩小的实像，像距f2f，像与物在凸透镜异侧。应用：投影仪、幻灯机。④当u3. 成像规律的几个分界点
凸透镜成像有几个关键分界点：①一倍焦距处是成实像与虚像的分界点：u>f成实像，u2f成缩小的实像，u<2f成放大的实像（u=f时等大），u4. 物距与像距的关系
凸透镜成实像时，物距和像距之间存在对应关系：成放大的实像时（fu）；成缩小的实像时（u>2f），像距小于物距（v考点03 放大镜、投影仪和照相机
1. 放大镜
放大镜是一种焦距较小的凸透镜。它是利用u2. 投影仪
投影仪上有一个相当于凸透镜的镜头。当把物体（投影片）放在1倍焦距与2倍焦距之间，并距投影仪镜头比较近的位置时，来自物体的光通过凸透镜后会聚在屏幕上，形成放大、倒立的实像。便携式投影仪与电脑相连接，电脑上的图文或视频通过投影仪放大显示在屏幕上。
3. 照相机
数码照相机的镜头相当于一个凸透镜，影像传感器相当于光屏。将景物放在离数码照相机镜头2倍焦距以外时，能在影像传感器上成一个清晰的倒立、缩小的实像。当按下照相机的快门后，来自景物的光线经过镜头聚集到影像传感器上，影像传感器会将光信号转换为电信号，然后将电信号转变成数字信号，经过处理器处理，形成图像文件，保存到存储器中。拍摄时：像变大→物距变小（相机靠近物体）→像距变大（镜头向外旋出，增大镜头到底片的距离）。
【知识扩展】 4. 显微镜和望远镜
显微镜：镜筒的两端各有一组透镜，每组透镜的作用都相当于一个凸透镜。靠近眼睛的叫目镜，靠近被观察物体的叫物镜。来自被观察物体的光经过物镜后成一个倒立、放大的实像；目镜的作用像一个普通的放大镜，把这个实像再放大一次，成正立、放大的虚像。经过两次放大，我们就能看见肉眼看不见的微小物体。望远镜（折射望远镜）：由两组凸透镜（目镜和物镜）组成。物镜的作用是使远处的物体在焦点附近成倒立、缩小的实像；目镜的作用是把这个实像再放大，成正立、放大的虚像。望远镜物镜的口径比我们眼睛的瞳孔大得多，可以会聚更多的光，有利于观测更暗的天体。
显微镜和望远镜的结构对比
考点04 眼睛
1. 眼球的结构
眼睛是人体重要的感觉器官，大脑中约有80%的信息来自眼睛。人的眼球的结构和功能与照相机非常相似。眼球的主要部分是眼球，眼球的大部分藏在头颅骨的眼眶内。眼球的结构包括：①角膜：光通过透明的角膜进入眼里。②虹膜：有颜色的环形物，虹膜中央的小孔叫瞳孔，光通过瞳孔进入眼睛。瞳孔可根据环境中光的强弱随时调节大小。③晶状体：相当于一个凸透镜，能使物体在视网膜上成像。④玻璃体：由一种透明的胶状物质组成，充满着整个眼球的内部。⑤视网膜：物体的像成在视网膜上，这里分布着许多对光很敏感的感光细胞。⑥视神经：把感光细胞所产生的信息传入大脑。⑦巩膜：白色巩膜是眼球的一层坚韧的保护外壳。此外，眼球前有眼睑，可随时合上以防止异物进入眼睛，具有保护功能。
眼球的结构示意图
2. 视觉的形成
当我们看一个物体时，来自该物体的光经过角膜、晶状体和玻璃体，最后到达视网膜。晶状体和角膜的共同作用相当于一个凸透镜，它把来自物体的光会聚在视网膜上，形成物体倒立、缩小的实像。视网膜上有很多感光细胞，这些细胞受到光刺激后发出信息，信息沿着视神经传到大脑而形成视觉，我们就看到了物体。注意：视觉是在大脑中形成的，不是在视网膜上形成的。视网膜只是接收光信号并产生信息，最终的大脑对信息做出分析才形成视觉。
3. 眼睛的调节作用
眼睛通过睫状肌改变晶状体的形状，使我们能够看清远近不同的物体，这就是眼睛的调节作用。当我们看近处的物体时，睫状肌收缩，晶状体变厚，对光的会聚能力变强，近处物体射来的光会聚在视网膜上，从而看清近处物体。当我们看远处的物体时，睫状肌放松，晶状体变薄，对光的会聚能力变弱，远处物体射来的光会聚在视网膜上，从而看清远处物体。正常眼睛无论看近处还是远处的物体，都能通过调节使像落在视网膜上。
【知识扩展】 4. 颜色的分辨
在较暗的环境下，人的眼睛很难分辨物体的颜色。原来，人眼的视网膜上有两种感光细胞：视杆细胞和视锥细胞。在较亮的环境下，视锥细胞起主要作用，能感觉到物体的色彩。视锥细胞有三种，分别对红光、绿光和蓝光较为敏感。大脑把来自各种视锥细胞的信息综合后，产生彩色的图像。在较暗的环境下，视杆细胞起主要作用，主要感受物体的外形和运动，形成黑白图像。
考点05 视力缺陷与矫正
1. 近视的成因与矫正
近视的原因主要是眼球的前后径过长或晶状体曲度过大，来自远处物体的光会聚在视网膜前，使视网膜上的物像模糊不清。近视的特点：能看清近处的物体，看不清远处的物体。近视的矫正方法：戴凹透镜。凹透镜对光有发散作用，使来自远处物体的光先经凹透镜发散，再经晶状体会聚后恰好落在视网膜上。高度近视患者由于眼球前后径增长较多，眼球壁会变薄，可能引起玻璃体浑浊、视网膜脱离等并发症。预防高度近视需要避免不良的用眼习惯，如长时间看手机、电脑，在黑暗处看手机等。
近视的成因与矫正示意图
2. 远视的成因与矫正
远视的原因主要是眼球的前后径过短或晶状体曲度过小，使来自近处物体的光会聚在视网膜的后面。远视的特点：能看清远处的物体，看不清近处的物体。老年人所患的"老花眼"就是远视症状。远视的矫正方法：戴凸透镜。凸透镜对光有会聚作用，使来自近处物体的光先经凸透镜会聚，再经晶状体会聚后恰好落在视网膜上。老花眼镜是凸透镜，通过凸透镜看近处的物体相当于一块放大镜，成正立、放大的虚像。老花越严重，所需凸透镜的放大作用越明显（焦距越短）。
远视的成因与矫正示意图
3. 近视与远视的对比
近视和远视可以从以下几个方面对比：①成因：近视是眼球前后径过长或晶状体曲度过大（折光能力太强）；远视是眼球前后径过短或晶状体曲度过小（折光能力太弱）。②像的位置：近视像成在视网膜前；远视像成在视网膜后。③矫正镜片：近视戴凹透镜（发散光线）；远视戴凸透镜（会聚光线）。④辨别方法：通过凹透镜看物体成正立、缩小的虚像（近视眼镜）；通过凸透镜看近处物体成正立、放大的虚像（远视眼镜）。
【知识扩展】 4. 爱护眼睛，保护视力
眼睛对我们十分重要，要保持良好的视力，应该好好保护眼睛。方法包括：①读书和写字的姿势要正确，书与眼睛的距离要保持约33 cm，应在光强度适宜的环境下阅读。②连续看书或写字1小时左右要休息片刻，或者向远处眺望一会儿，让眼睛的肌肉得以放松。③使用电脑时，眼睛与屏幕应相距50~70 cm，不要长时间使用电脑。④定期接受眼睛检查，若眼睛出现不适，应及时治疗或矫正。⑤如有异物进入眼睛，不要用手揉搓，可用眼药水等冲洗眼睛。⑥不要躺着或在坐车、走路时看书。
避坑指南·易错辨析
【温馨提示】 1. 凸透镜中间厚、边缘薄，对光有会聚作用；凹透镜中间薄、边缘厚，对光有发散作用。不要搞反！ 2. 会聚作用不等于会聚，发散作用不等于发散。会聚作用是折射光线相对于入射方向"相互靠近"，发散作用是"相互远离"。光线总是向厚的一边偏折。 3. 凸透镜有一对实焦点（实际光线会聚而成），凹透镜有一对虚焦点（折射光线反向延长线的交点）。 4. 通过光心的光线方向不变——无论凸透镜还是凹透镜都适用。 5. 一倍焦距分虚实（u>f成实像，u2f成缩小实像，f2f）；投影仪成倒立、放大的实像（f实战演练·随堂检测
【实战演练】
1. 凸透镜和凹透镜的区别，下列说法正确的是（ ）
A. 凸透镜对光有发散作用，凹透镜对光有会聚作用
B. 凸透镜中间厚边缘薄，凹透镜中间薄边缘厚
C. 凸透镜有虚焦点，凹透镜有实焦点
D. 通过凸透镜光心的光线方向会改变
答：__________
2. 凸透镜焦距为10 cm，当物体距凸透镜25 cm时，所成的像是（ ）
A. 正立、放大的虚像
B. 倒立、缩小的实像
C. 倒立、放大的实像
D. 倒立、等大的实像
答：__________
3. 关于凸透镜成像规律，下列说法正确的是（ ）
A. u=f时成正立、等大的实像
B. u=2f时成倒立、等大的实像
C. uD. u>2f时成正立、缩小的实像
答：__________
4. 照相机、投影仪、放大镜都用到凸透镜，它们所成像的性质分别是（ ）
A. 照相机成倒立缩小的实像，投影仪成倒立放大的实像，放大镜成正立放大的虚像
B. 照相机成正立缩小的实像，投影仪成倒立放大的实像，放大镜成正立放大的虚像
C. 照相机成倒立缩小的实像，投影仪成正立放大的实像，放大镜成倒立放大的虚像
D. 三者都成倒立的实像
答：__________
5. 关于眼睛的视物原理，下列说法正确的是（ ）
A. 晶状体相当于凹透镜，视网膜相当于光屏
B. 物体在视网膜上成正立、放大的实像
C. 晶状体和角膜的共同作用相当于凸透镜，在视网膜上成倒立、缩小的实像
D. 视觉是在视网膜上形成的
答：__________
6. 近视的成因及矫正方法是（ ）
A. 晶状体曲度过小，戴凸透镜矫正
B. 眼球前后径过长或晶状体曲度过大，戴凹透镜矫正
C. 眼球前后径过短，戴凸透镜矫正
D. 像成在视网膜后，戴凸透镜矫正
答：__________
7. 摄影师拍完全班合影后，又用同一照相机帮每名同学单独拍照，这时摄影师应该（ ）
A. 使照相机离人远些，同时将镜头向内旋进
B. 使照相机离人近些，同时将镜头向内旋进
C. 使照相机离人远些，同时将镜头向外旋出
D. 使照相机离人近些，同时将镜头向外旋出
答：__________
8. 小明做凸透镜成像实验时，在光屏上得到清晰、倒立、放大的实像。保持凸透镜位置不变，把蜡烛与光屏的位置对换，则（ ）
A. 光屏上没有像
B. 光屏上有倒立、缩小的实像
C. 光屏上有倒立、放大的实像
D. 光屏上有正立、等大的虚像
答：__________
9. 关于显微镜和望远镜，下列说法正确的是（ ）
A. 显微镜的物镜成倒立缩小的实像，目镜成正立放大的虚像
B. 望远镜的物镜成倒立放大的实像，目镜成正立放大的虚像
C. 显微镜的物镜成倒立放大的实像，目镜成正立放大的虚像
D. 显微镜和望远镜的物镜都成缩小的实像
答：__________
10. 老花眼镜是凸透镜，通过老花镜看近处的报纸，看到的是（ ）
A. 正立、放大的虚像
B. 正立、缩小的虚像
C. 倒立、放大的实像
D. 正立、放大的实像
答：__________
巩固拓展·课后提升
【巩固拓展】
1. 在探究凸透镜成像规律的实验中，为什么要把蜡烛、凸透镜和光屏的中心调到同一高度？
答：________________________________________________
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2. 某同学将点燃的蜡烛放在凸透镜前20 cm处，在凸透镜另一侧的光屏上观察到缩小的像。若他把点燃的蜡烛置于原来的光屏处，则经过凸透镜成怎样的像？
答：________________________________________________
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3. 无论是较近还是较远的物体，对于正常人来说都能使像落在视网膜上，其主要原因是什么？
答：________________________________________________
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4. 小明的爷爷和爸爸都老花，爷爷老花更严重一些，小明的妈妈则近视。他们的三副眼镜都放在报纸上，如何通过观察区分哪副是近视眼镜，哪副是老花眼镜？哪副老花镜适合爷爷？
答：________________________________________________
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5. 无人机利用携带的焦距一定的微型摄像机进行航拍，来自地面景物的光通过摄像机镜头，会聚在感光晶片上，形成怎样的像？当无人机上升时，需如何调节镜头与感光晶片间的距离？
答：________________________________________________
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6. 简述近视和远视的成因，并说明分别用什么透镜矫正，为什么。
答：________________________________________________
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参考答案
1. B 解析：凸透镜中间厚边缘薄，对光有会聚作用；凹透镜中间薄边缘厚，对光有发散作用。凸透镜有实焦点，凹透镜有虚焦点。通过光心的光线方向不变。
2. B 解析：焦距f=10 cm，物距u=25 cm>2f=20 cm，成倒立、缩小的实像。
3. B 解析：u=2f时成倒立、等大的实像。u=f时不能成像。u2f时成倒立、缩小的实像。
4. A 解析：照相机利用u>2f成倒立缩小的实像；投影仪利用f5. C 解析：晶状体和角膜的共同作用相当于凸透镜，视网膜相当于光屏，物体在视网膜上成倒立、缩小的实像。视觉是在大脑中形成的，不是在视网膜上。
6. B 解析：近视的成因是眼球前后径过长或晶状体曲度过大，使像成在视网膜前。矫正方法是戴凹透镜（发散光线，使像后移到视网膜上）。
7. D 解析：单独拍照时像变大→物距变小（相机靠近人）→像距变大（镜头向外旋出，增大镜头到底片距离）。
8. B 解析：光路可逆。原来成倒立放大的实像（f2f），对换后物距变为原来的像距（>2f），像距变为原来的物距（f9. C 解析：显微镜物镜成倒立放大的实像，目镜成正立放大的虚像。望远镜物镜成倒立缩小的实像，目镜成正立放大的虚像。
10. A 解析：老花镜是凸透镜，通过凸透镜看近处物体（u课后提升：
1. 为了使像成在光屏的中央。如果三者中心不在同一高度，像会偏离光屏中心，甚至无法在光屏上承接到像。
2. 蜡烛在20 cm处成缩小的实像，说明u=20 cm>2f，即f<10 cm。对换后蜡烛在原来的光屏位置，此时物距为原来的像距（f3. 主要原因是眼睛的调节作用。眼睛通过睫状肌改变晶状体的形状——看近处时晶状体变厚、会聚能力增强，看远处时晶状体变薄、会聚能力减弱，从而使远近不同的物体都能成像在视网膜上。
4. 通过眼镜看报纸上的字：有放大作用的是老花镜（凸透镜），有缩小作用的是近视镜（凹透镜）。两副老花镜中，放大作用更明显的那副焦距更短，适合老花更严重的爷爷。
5. 形成倒立、缩小的实像（照相机原理，u>2f）。无人机上升时物距增大，像距减小，需减小镜头与感光晶片间的距离（镜头向内缩）。
6. 近视成因：眼球前后径过长或晶状体曲度过大，像成在视网膜前。戴凹透镜矫正，因为凹透镜对光有发散作用，使像后移到视网膜上。远视成因：眼球前后径过短或晶状体曲度过小，像成在视网膜后。戴凸透镜矫正，因为凸透镜对光有会聚作用，使像前移到视网膜上。

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