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4.3 日地月的相对运动（第1课时）
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本节导航·目标清单
目标导航
1. 理解光在同一种均匀介质中沿直线传播的特点，认识小孔成像等光的直线传播现象。
2. 知晓光的传播速度（真空中最大为）及光年的含义。
3. 通过实验分析光的传播路径，学会用模型法（光线）描述光的传播。
4. 能设计并完成验证光的直线传播的实验，会制作针孔照相机并探究其成像特点。
5. 认识光的直线传播原理在生活和科学中的应用，培养科学探究兴趣。
方法指导
观察生活现象→提出猜想→设计实验验证→归纳规律→建立光线模型→制作针孔照相机→探究成像特点→应用解释现象。
教材精研·内容全解
考点01 光的直线传播
1. 墨翟小孔成像实验
2000多年以前，我国思想家墨翟（墨子）和他的学生做了世界上第一个小孔成像实验：用一块带有小孔的板遮挡在墙体与物之间，墙体上就会形成物的倒影，并由此推测光的传播路径。
墨翟指出，物体通过小孔所形成的像是倒像，据此推测光是沿直线传播的。茂密的森林，城市的夜晚，浓雾弥漫的公路，也能看到一束束沿直线传播的光。
墨翟小孔成像实验——墙体上形成物的倒像，推测光沿直线传播
2. 光在同一种均匀介质中沿直线传播
通过实验可以验证：光在空气中的传播路径是直的，光在水中的传播路径是直的，光在玻璃板中的传播路径也是直的。
实验表明，光在同一均匀介质中是沿直线传播的。森林中的光束、城市夜空的光柱、车灯射出的光线，都是光沿直线传播的生活实例。
森林中的光束、城市光束、车灯光束——光沿直线传播的生活实例
3. 探究光在介质中的传播路径（探究实践）
实验器材：有机玻璃容器、水、水溶性荧光笔、激光笔、艾叶条、有机玻璃板。
实验步骤：
（1）在有机玻璃容器中加入适量的水，用水溶性荧光笔在水中搅拌几次；再点燃一小段艾叶条，在水面上方充入少量的艾条烟尘。
（2）将一束激光依次射到空气、水、有机玻璃板中，观察激光在空气、水、有机玻璃板中传播的路径。
实验现象：
光在空气中的传播路径是直的；光在水中的传播路径是直的；光在玻璃板中的传播路径是直的。
4. 光在不均匀介质中的传播
进一步思考：光在不均匀介质中如何传播？
实验步骤：
（1）用注射器将200 mL浓糖水缓慢注射到荧光液的下方，再将激光束逐渐向下移动，观察激光的传播路径。
（2）搅拌糖水，再让激光束射过溶液，观察光的传播路径。
实验现象：
光在浓度不同的糖水中的传播路径发生弯折；光在搅匀后的糖水中的传播路径是直的。
实验结论：光在同一均匀介质中沿直线传播，在不均匀介质中传播路径会发生弯折。
5. 光线（模型法）
光沿同一方向传播时，可以用一条带箭头的直线表示光的传播路线和方向。光实际上向四面八方传播，为了形象地表示光的传播情况，我们常用一条带箭头的直线表示光的传播路线和方向，这样的线叫作光线。
科学方法：模型法。光线是一种理想化的物理模型，实际中并不存在真正的光线，它只是用来形象地表示光的传播方向和路径。
光线——用带箭头的直线表示光的传播路线和方向
6. 光的传播速度与光年
光能在空气、液体、固体等透明物体中传播，也能在真空中传播。光在不同介质中传播的快慢是不同的。
（1）在真空中的传播速度最大，为。
（2）在空气中的传播速度接近于真空中的传播速度。
（3）在水中的传播速度约为真空中的。
（4）光在玻璃中的传播速度比在水中的传播速度更小。
注意：光的传播不需要介质，即光在真空中也能传播。声音的传播必须有介质才可以，两者不能混淆。
光年：光在真空中1年内传播的距离等于1光年。光年是天文学上常用作单位来计量天体之间距离的长度单位。
考点02 针孔照相机与小孔成像
1. 针孔照相机的制作（探究实践）
目标：制作「针孔照相机」，探究针孔成像的特点。
器材：不透明纸盒、卡纸、半透明纸、剪刀等。
制作过程：
制作或寻找一个不透明纸盒，在A端开一小孔，作为镜头；在B端蒙一张半透明纸，作为光屏。小孔的大小要能改变，半透明纸到小孔的距离也要能改变。这样，一架简易的「针孔照相机」便制作完成了。
针孔照相机结构——A端小孔为镜头，B端半透明纸为光屏
2. 观察记录与成像特点
（1）依次插入大孔、中孔、小孔的镜头，将镜头对着窗外很亮的景物，记录景物呈现在半透明纸上的像的特征。
（2）保持镜头的位置不动，缩短光屏到小孔的距离，半透明纸上所呈现的景物范围变小，景物的大小变小。
成像特点：
大孔：像较亮，但清晰度较差，呈倒立像。
中孔：像亮度适中，清晰度适中，呈倒立像。
小孔：像较暗，但清晰度最好，呈倒立像。
结论：孔径越小，像越暗但越清晰；孔径越大，像越亮但越模糊。小孔成像成的是倒立的像，像的形状与小孔的形状无关。
3. 问题讨论——像为何倒立及如何使像更明亮
为什么用针孔照相机「拍摄」出来的像是倒立的？
因为光沿直线传播，物体上端的发光经小孔后投射到光屏下方，物体下端的发光经小孔后投射到光屏上方，所以形成倒立的像。
如何使光屏上的像更明亮？
（1）适当增大镜头孔径，但注意不能过大，否则会导致成像模糊。
（2）将被拍摄物体靠近镜头。
（3）在光线充足的室外或明亮的室内进行拍摄。
小孔成像原理——光沿直线传播形成倒立像
避坑指南·易错辨析
【温馨提示】 1. 易错点1：光速不是恒定值——光在不同介质中的传播速度不同，真空中的光速最大，水中约为真空中的四分之三，玻璃中更小。不要误以为光速在任何情况下都相同。 2. 易错点2：光年不是时间单位——光年是长度单位，表示光在真空中1年内传播的距离，天文学上常用光年来计量天体之间的距离。 3. 易错点3：小孔成像与影子的区别——小孔成像是光通过小孔后形成的倒立实像，影子是光被物体遮挡后形成的暗区，两者原理都是光的直线传播，但现象不同。 4. 易错点4：光的传播不需要介质——光在真空中也能传播，而声音的传播必须有介质，两者不能混淆。 5. 易错点5：光在均匀介质中才沿直线传播——光在不均匀介质中传播路径会发生弯折，如光在浓度不均匀的糖水中会弯曲。
实战演练·随堂检测
【实战演练】
1. 关于光速，下列说法不正确的是（ ）
A. 光的传播速度总是
B. 光的传播速度最大值为
C. 光年是长度单位
D. 光年是天文学上表示距离的单位
2. 下列四种现象，不能用光的直线传播来解释的是（ ）
A. 妙趣手影 B. 小孔成像 C. 日食奇观 D. 水中倒影
A. 妙趣手影
B. 小孔成像
C. 日食奇观
D. 水中倒影
3. 沈括在《梦溪笔谈》中写道：「若鸢飞空中，其影随鸢而移；或中间为窗隙所束，则影与鸢遂相违；鸢东则影西，鸢西则影东；又如窗隙中楼塔之影，为窗所束亦皆倒」。则下列说法错误的是（ ）
A. 丙图中的「窗隙」越大现象越明显
B. 乙图中「像」移动的方向与物移动的方向相反
C. 图甲、图乙、图丙中的现象都可用光的直线传播解释
D. 乙图中的小孔形状变为三角形时也会出现上述现象
A. 丙图中的「窗隙」越大现象越明显
B. 乙图中「像」移动的方向与物移动的方向相反
C. 图甲、图乙、图丙中的现象都可用光的直线传播解释
D. 乙图中的小孔形状变为三角形时也会出现上述现象
巩固拓展·课后提升
【巩固拓展】
1. 小欢用针孔照相机（即小孔成像实验装置）观察蜡烛的烛焰，若保持小孔和蜡烛的烛焰位置不变，如图所示。则下列分析正确的是（ ）
A. 若内筒位置不变，半透明膜上烛焰的像是正立的
B. 若内筒位置不变，半透明膜上烛焰的像是放大的
C. 若向右拉动内筒，半透明膜上烛焰的像将变小
D. 若向左推动内筒，半透明膜上烛焰的像将变亮
A. 若内筒位置不变，半透明膜上烛焰的像是正立的
B. 若内筒位置不变，半透明膜上烛焰的像是放大的
C. 若向右拉动内筒，半透明膜上烛焰的像将变小
D. 若向左推动内筒，半透明膜上烛焰的像将变亮
2. 小科在学习「光的传播」时，看到老师演示实验过程如下：①用激光笔射向清水，观察到光的路径是一条直线；②在A点处用漏斗向水中慢慢注入浓糖水，光路发生了弯折；③搅拌均匀后，观察到光的路径又变直了。下列根据实验现象得出的结论中正确的是（ ）
A. 光只能在液体中传播
B. 光只有在清水中才沿直线传播
C. 光在糖水里不能沿直线传播
D. 光在同一均匀介质中沿直线传播
A. 光只能在液体中传播
B. 光只有在清水中才沿直线传播
C. 光在糖水里不能沿直线传播
D. 光在同一均匀介质中沿直线传播
3. 宁波某校课外实践小组利用一根垂直插入水平地面的圭杆，进行为期一年的「观竿测影」活动。2023年3月14日正午时刻圭杆的杆影如图所示，并测得杆影OA长为55.7cm。下列说法不正确的是（ ）
A. 杆影的形成是由于光在同一均匀介质中沿直线传播
B. 图中杆影从O到A指向北方
C. 该小组预测2023年6月20日正午时刻，该圭杆的杆影长度将比55.7cm长
D. 一天内，杆影移动是由于地球自转造成的
A. 杆影的形成是由于光在同一均匀介质中沿直线传播
B. 图中杆影从O到A指向北方
C. 该小组预测2023年6月20日正午时刻，该圭杆的杆影长度将比55.7cm长
D. 一天内，杆影移动是由于地球自转造成的
参考答案
【实战演练】
1. A
解析：光的传播速度并非总是，只有在真空中的传播速度最大值为，在其他介质中光速会减小。光年是长度单位，天文学上表示距离的单位。故A说法不正确，选A。
2. D
解析：光在同种均匀介质中沿直线传播，影子的形成、日食与月食、小孔成像等都是光的直线传播形成的。水中倒影属于平面镜成像，是由于光的反射形成的，不能用光的直线传播来解释。故选D。
3. A
解析：小孔成像的原理是光沿直线传播，成的是倒立的实像。A选项，丙图是小孔成像现象，小孔越大，现象越不明显，故A错误；B选项，小孔成像时像移动的方向与物移动的方向相反，故B正确；C选项，影子和小孔成像的原理都是光的直线传播，故C正确；D选项，小孔成像时像的形状与小孔的形状无关，故D正确。故选A。
【巩固拓展】
1. D
解析：小孔成的像是倒立的，故A错误；若内筒位置不变，孔离物的距离大于孔离屏的距离时，像是缩小的，故B错误；小孔和烛焰的距离不变，若向右拉动内筒，增加筒长时，像将变大，故C错误；小孔和烛焰的距离不变，若向左推动内筒，减小筒长时，像将变小，像变小后亮度集中，像将变亮，故D正确。故选D。
2. D
解析：从①中可知光在水中沿直线传播；②中的光线不再沿直线传播，原因是介质不再均匀；③现象中的光线又沿直线传播，是由于经搅拌后介质又变得均匀。故可以得出光在同一种均匀介质中才沿直线传播，故D符合题意。故选D。
3. C
解析：A选项，杆影是由于光在同种均匀介质中沿直线传播形成的，故A正确；B选项，我国宁波位于北半球，正午时太阳位于南方，影子的方向指向北方，故B正确；C选项，2023年6月20日接近夏至，太阳高度角逐渐增大，这一天的杆影应比2023年3月14日的杆影短，故C错误；D选项，一天内杆影移动是由于地球的自转造成的，故D正确。故选C。

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