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第5节 跨学科实践：制作望远镜 教学设计
课题 第5节 跨学科实践：制作望远镜 单元 第五章 透镜及其应用 学科 物理 年级 八年级上册
教材内容分析 本节是人教版（2024年版）物理八年级上册第五章第5节，是本册的第三节跨学科实践课，也是全章的收口：把 5.1 的测焦距、5.3 的成像规律、5.4 的视觉经验合起来，做出一件能用的作品。 项目提出（图5.5-1）：科学家用巨大的天文望远镜接收来自遥远星系的信息。根据透镜成像的知识，你也可以自己制作一个望远镜。 项目分析·三个任务：①了解望远镜的基本原理；②设计一个能观察校园内远处物体的望远镜；③选用合适的器材，制作并调试。 任务1　基本原理（图5.5-2）：有一种望远镜由两组凸透镜组成，靠近眼睛的叫目镜、靠近被观测物体的叫物镜。物镜使远处的物体在焦点附近成实像（倒立、缩小），目镜相当于一个放大镜，把这个像放大。 教材抛出的疑问：物体离物镜很远，像却离物镜很近，按 5.3 的规律这是缩小的像，为什么用望远镜看会觉得物体被放大了？ 答案是“视角”（图5.5-3）：能不能看清一个物体，它对眼睛所成“视角”的大小十分重要；视角不仅和物体本身的大小有关，还和物体到眼睛的距离有关。物镜所成的像虽然比物体小，但它离眼睛很近，再加上目镜的放大作用，视角就变得很大。教材还给出：放大倍率 ＝ 物镜的焦距 ∶ 目镜的焦距。 任务2　设计：①放大倍率取 2~3 倍即可（倍率过大成像质量差）；②物镜、目镜可用放大镜或老花镜的镜片，先测焦距再按倍率挑，物镜的直径还要比目镜大一些；结论是物镜选焦距长、直径大的，目镜选焦距短、直径小的；③镜筒做成两段、物镜筒比目镜筒粗，套在一起便于调节——观察最远处的物体时，两透镜间的距离约等于两透镜的焦距之和，观察较近的物体时要再大一些。 任务3　制作与调试（图5.5-5、5.5-6）：示例器材是物镜 f≈20 cm、直径≈5 cm，目镜 f≈10 cm、直径≈4 cm；镜筒可用现成的圆筒（如羽毛球筒）或瓦楞纸板卷成；要想办法减小两筒之间的缝隙、留出前后调节的空间、把透镜固定牢。调试时把目镜贴近眼睛，边调镜筒长度边看，直到远处物体清晰。 展示交流：介绍制作方案、分享收获——发现了哪些问题、怎样改进的；相互评价，比一比谁的望远镜更完善。 科学世界·望远镜与宇宙探索：1609 年伽利略第一个把望远镜指向天空，发现了木星的卫星、太阳黑子和月球环形山；1846 年人们按万有引力定律的预言找到了海王星；1990 年哈勃空间望远镜升空；我国 2009 年郭守敬望远镜建成、2020 年“中国天眼”正式开放运行。
新课标要求 内容要求（《义务教育物理课程标准（2022年版）》“跨学科实践”学习主题） 经历“物理学与工程实践”类的跨学科实践活动：能综合运用凸透镜成像的知识，经历设计—制作—调试—改进的完整过程，制作一件简单的光学仪器，并对作品作出评价。 学业要求 知道望远镜由物镜和目镜两组凸透镜组成，能说出物镜使远处物体在焦点附近成倒立、缩小的实像、目镜相当于放大镜；知道视角与物体大小、物体到眼睛的距离都有关，能用视角解释“像缩小了却看着变大”；知道放大倍率 ＝ f物 ∶ f目，会据此挑选透镜（物镜焦距长、直径大；目镜焦距短、直径小）；会用阳光法测焦距并据此设计镜筒（观察最远处时两透镜间距约为焦距之和）；能完成制作与调试，能记录遇到的问题、说明改进办法，并按量表评价自己和同伴的作品。 活动建议 用两块凸透镜和两个可套接的纸筒自制一台放大倍率 2~3 倍的望远镜，用它观察校园内远处的物体，并在班级里展示交流。
学习 目标与核心素养 物理观念：知道望远镜的两级成像：物镜成倒立缩小的实像、目镜相当于放大镜；知道视角与放大倍率。 科学思维：能用“视角变大”解释望远镜为什么能把远处的物体“拉近”；能由放大倍率的要求推出该选哪两块透镜。 科学探究：会用阳光法测出镜片的焦距，会按设计方案制作并调试望远镜，能针对“视野窄、像不清、像太暗”等问题分析原因并改进。 科学态度与责任：在小组合作中分工完成作品；了解伽利略、郭守敬望远镜与“中国天眼”，体会光学器件对人类认识宇宙的作用。
学情分析 学生已经学完整章透镜：会测焦距（5.1）、知道四条成像规律（5.3）、刚用它解释过眼睛（5.4），知识上没有障碍；对“自己做一台望远镜”兴趣很高。 本节的难点全在理解与动手这两头： （1）“缩小的像为什么看着变大”想不通。这是全节唯一的新概念——视角。要用一组对比把它讲清楚：同一个物体，离眼睛越近，视角越大、看起来越大；望远镜先把远处的物体“搬”到眼前（成一个小而近的像），再用目镜放大，视角就大了。 （2）两级成像的关系绕不过来。物镜成的实像，要落在目镜的一倍焦距以内，目镜才起放大镜的作用。建议在黑板上把两级成像分两步画，别一次画完。 （3）挑透镜时把物镜、目镜搞反。抓住一句话：放大倍率 ＝ f物 ∶ f目，要倍率大就得物镜焦距长、目镜焦距短；再补一条物镜直径大是为了多收集光、像更亮。 （4）做出来看不清。这是本节最常见的挫败：镜筒长度不对（初始长度应取焦距之和）、两透镜不同轴、缝隙太大晃动、内壁反光。要提前把这几条摆出来，让学生按图索骥地调，而不是反复拆装。 此外，学生常常忘记这种望远镜看到的像是倒立的，看地面景物时以为“做坏了”——要事先说明。
重点 1.理解望远镜的两级成像原理，能用视角解释“远处的物体被拉近”； 2.能按放大倍率 ＝ f物 ∶ f目选择透镜，完成设计、制作与调试。
难点 1.视角的含义，以及“像缩小了、视角却变大”这一对看似矛盾的关系； 2.镜筒长度的确定（观察最远处时约为两透镜焦距之和）与调试时的问题诊断。
材料准备 教师：多媒体课件、不同焦距的凸透镜若干（含 f≈20 cm 与 f≈10 cm 各若干）、废旧老花镜片、光具座、白纸、刻度尺、瓦楞纸板、羽毛球筒、黑色卡纸、胶带、剪刀；有条件的准备一台成品天文望远镜。 学生：分组器材——凸透镜两块（焦距一长一短）、可套接的纸筒两个（或瓦楞纸板自卷）、刻度尺、白纸、胶带、剪刀；记录表与评价量表。
教学过程
教学环节 教师活动 学生活动 设计意图
项目提出 （情境导入） 【先看一眼星空】 1.出示“中国天眼”与郭守敬望远镜的图片：科学家就是靠这些“大眼睛”接收遥远星系的信息。 2.再出示一台自制的简易望远镜（教材图5.5-1）：这个，我们自己也能做。 【把项目说清楚】 3.本节的任务：用两块凸透镜，做一台放大倍率 2~3 倍、能看清校园里远处物体的望远镜。 4.完成它要分三步：了解原理 → 设计 → 制作与调试，最后展示交流并评价。 【先问一个问题，留到后面回答】 5.望远镜的物镜成的其实是一个缩小的像，为什么用它看东西反而觉得变大了？ 　（先不揭晓，让学生带着疑问进入环节一） 1.观看图片，说出自己见过的望远镜； 2.明确本节要做出的作品和三个步骤； 3.记下那个“缩小却变大”的疑问。 先给作品、再给任务，学生知道这节课要交出什么东西。 把教材那句反直觉的追问提前抛出来，为环节一的“视角”埋伏笔。
项目实施 （项目式学习） 环节一 了解原理 ——两级成像与视角 【第一级：物镜】（教材图5.5-2） 1.物体在很远处，对物镜来说 u > 2f，所以成倒立、缩小的实像，像落在焦点附近。 2.追问：这跟哪种仪器一样？（照相机） 【第二级：目镜】 3.这个实像落在目镜的一倍焦距以内，目镜就相当于一个放大镜，把它成正立、放大的虚像。 4.在黑板上分两步画：先画物镜成像，再把那个像当作新的物体画目镜成像。 【回答开课时的疑问：视角】（教材图5.5-3） 5.先做一个小实验：同一支笔，先放在一臂远，再拿到眼前，问看起来哪个大？ 　（近的大）——物体没变，变的是它对眼睛所成的“视角”。 6.给出结论：视角的大小不仅跟物体本身的大小有关，还跟物体到眼睛的距离有关。 7.用它解释望远镜：物镜所成的像虽然比物体小，但它离眼睛很近，再经目镜放大，视角就变得很大。 8.补一条计算：放大倍率 ＝ 物镜的焦距 ∶ 目镜的焦距。 1.说出物镜的成像性质并与照相机对应； 2.说出目镜的作用与放大镜对应； 3.完成“笔的远近”小实验，说出视角的变化； 4.用视角解释“缩小却变大”； 5.记住放大倍率的算法。 两级成像分两步画，学生才不会把物镜的像和最终的像混成一个。 “视角”是本节唯一的新概念，用一支笔就能做出来的小实验最直观， 比任何讲解都省时间。
环节二 设计方案 ——测焦距、选透镜、定镜筒 【第一步　测焦距】 1.复习 5.1 的阳光法：正对太阳光，白纸前后移动到光斑最小最亮，量光心到白纸的距离。 2.每组测出两块镜片的焦距并记录，同时用刻度尺量出直径。 【第二步　选透镜】 3.按 放大倍率 ＝ f物 ∶ f目 算一算：要 2~3 倍，两块镜片该怎么分工？ 　（焦距长的作物镜、焦距短的作目镜；例如 20 cm 配 10 cm 就是 2 倍） 4.追问：为什么物镜的直径还要大一些？ 　（收集更多的光，像更亮、更清楚） 5.提醒：倍率不要贪大——倍率越大，视野越窄、像越暗、也越难调。 【第三步　定镜筒】（教材图5.5-4） 6.镜筒做成两段：物镜筒粗、目镜筒细，套在一起才能前后调节。 7.关键数据：观察最远处的物体时，两透镜之间的距离约等于两透镜的焦距之和（f物＋f目）； 　观察较近的物体时，这个距离要再大一些（把筒拉长）。 8.每组画出设计草图，标上：两筒的粗细、初始长度、可调节的余量、透镜怎样固定。 1.用阳光法测出两块镜片的焦距与直径并记录； 2.算出放大倍率，定下谁作物镜、谁作目镜； 3.说明物镜直径大的理由； 4.画出镜筒设计草图并标注关键尺寸。 把 5.1 学过的测焦距用在真正需要它的地方，学生才体会到“量这个有什么用”。 镜筒的初始长度直接给出 f物＋f目，能省掉大量盲目试错的时间。
环节三 制作与调试 ——把方案做成作品 【做】 1.按设计裁纸板卷筒（或用现成的圆筒），筒的内径比镜片直径略大； 2.把两块镜片分别固定在两筒的一端：可用硬纸圈压住、再用胶带固定，保证镜片正对筒口、不歪斜； 3.把细筒插进粗筒，检查能否顺畅地前后滑动又不太松。 【调】 4.把目镜贴近眼睛，对着远处的物体，边推拉镜筒边看，直到像最清晰； 5.提醒：这种望远镜看到的像是倒立的——看地面景物会觉得上下颠倒，这是正常的。 【诊断：看不清怎么办】（把三条常见问题写在黑板上） 6.视野太窄 → 目镜焦距太短（倍率过大），换焦距长一点的目镜； 7.像不清晰 → 镜筒长度没调到位，或两块透镜不同轴（歪了）； 8.像太暗 → 物镜口径太小，或筒内壁反光——内壁糊一层黑纸就好很多。 安全提示：任何时候都不能用望远镜看太阳。 1.分工制作镜筒、固定镜片； 2.到窗边或操场调试，记录调好时的镜筒长度； 3.对照三条诊断逐一排查并改进； 4.记录遇到的问题和解决办法。 把“看不清”的三种原因提前给出来，学生就从“反复拆装”变成“按图索骥”， 这也是工程实践里调试这一环最该学到的思维方式。
环节四 展示交流与评价 ——比一比谁的更完善 【展示】 1.各组用自己的望远镜观察同一个目标（如操场对面的标语牌、远处的树），说说看到了什么； 2.介绍方案：用了什么镜片、倍率多少、镜筒怎么做的、遇到过什么问题、怎么改的。 【评价】按量表打分（自评＋互评） 3.原理理解——能否说清两级成像，能否用视角解释“为什么看着变大”； 4.测量与选材——焦距测得准不准，分工是否合理，倍率是否在 2~3 倍； 5.设计的合理性——两段可调、粗细搭配、初始长度取焦距之和； 6.制作与调试——能不能真的看清远处的物体，问题解决得怎么样； 7.交流与表达——讲得清不清楚，评价他人有没有依据。 【收口】 8.回到开课那句话：望远镜让远处的物体对眼睛的视角变大了，所以“近”了。 9.介绍科学世界：伽利略、海王星的发现、哈勃空间望远镜、郭守敬望远镜与“中国天眼”。 1.展示作品并介绍方案； 2.按量表给自己和同伴打分，写出两条评价； 3.听取他人的改进办法，记下可以借鉴的一条。 评价量表提前公布，学生在制作时就知道往哪些方向努力。 用“科学世界”收尾，把一次动手活动接到人类认识宇宙的历程上。
课堂练习 分层练习“知识准备”第 1、3、4 题（当堂完成，其余课后）： 第 1 题——物镜、目镜的分工与焦距、口径的关系； 第 3 题——测焦距的读数、物镜成倒立缩小的实像、目镜相当于放大镜； 第 4 题——按焦距挑物镜，并说明物镜直径大是为了让像更亮。 讲评时统一追一句：这一步对应我们做望远镜的哪个环节？ 独立完成 3 题； 把每道题对应到自己刚做的那一步上。 练习与制作过程一一对应，学生不会觉得“做完了还要另外做题”。
课堂小结 一、结构——物镜（靠近物体）＋目镜（靠近眼睛），都是凸透镜； 二、原理——物镜成倒立、缩小的实像（像在焦点附近，像照相机）； 　　　　　　这个像落在目镜的一倍焦距以内，目镜像放大镜一样把它放大； 三、为什么变大——视角变大了：像虽小，但离眼睛很近，再经目镜放大； 四、选透镜——放大倍率 ＝ f物 ∶ f目；物镜焦距长、直径大，目镜焦距短、直径小； 五、镜筒——两段套接可调；观察最远处时，两透镜间距 ≈ f物 ＋ f目。 ★ 一句话收口：望远镜没有把物体变大，它只是把物体对眼睛的视角变大了。 按五条复述； 互相提问：“倍率 3 倍，目镜 5 cm，物镜该用多少？”（15 cm） 小结按“结构—原理—视角—选材—镜筒”排成一条线，正好是学生做作品走过的顺序。
板书 第5节　跨学科实践：制作望远镜 一、结构　物镜（远物一侧）＋ 目镜（眼睛一侧）　都是凸透镜 二、原理　物镜：u > 2f → 倒立、缩小的实像（在焦点附近）——像照相机 　　　　　目镜：像落在 u < f 处 → 正立、放大的虚像——像放大镜 三、视角　物体大小 + 到眼睛的距离　→　像小但很近 + 目镜放大 = 视角大 四、选材　放大倍率 ＝ f物 ∶ f目　　物镜：f 长、口径大　目镜：f 短、口径小 五、镜筒　两段套接　观察最远处：间距 ≈ f物 ＋ f目　看近处：再拉长 随堂记录，重点抄第三条和第四条。 板书把两级成像上下并排，“视角”单独一行，学生一眼看出哪句是解释、哪句是算法。
课外拓展 /课外阅读内容 一、望远镜与宇宙探索（教材“科学世界”） 　1609 年，伽利略第一个把望远镜指向天空，观察到木星的卫星、太阳黑子和月球上的环形山， 　为哥白尼的日心说提供了确凿证据；1846 年，人们根据万有引力定律的预言， 　用望远镜在算出的位置上找到了海王星；1990 年，哈勃空间望远镜送入太空。 　我国2009 年建成郭守敬望远镜（2011 年启动光谱巡天，是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，是目前全球单口径最大的射电望远镜。 二、把像“正”过来 　两块凸透镜的望远镜看到的是倒立的像。想看正立的像，可以在光路中加一套平面反射装置 　（把像上下左右各颠倒一次），这就是双筒望远镜里“棱镜”的作用。 三、再往前一步 　① 把镜筒内壁涂黑或糊黑纸，比较改进前后像的清晰程度； 　② 换一块焦距更长的物镜，重新算倍率、重新定镜筒长度，看看视野和亮度怎么变； 　③ 用手机贴着目镜拍一张照片，试试能不能把看到的像记录下来。 课后完成项目任务单与评价量表； 有兴趣的同学做“再往前一步”里的任一项，下节课带来交流。 “科学世界”把一次手工活动接到人类观测宇宙的历程上，是本节最好的价值落点。 三个进阶任务都只改一个变量，学生容易做，也容易说清结果。
特色资源分析和技术手段说明 1.两级成像光路、视角对比图、镜筒结构图全部自绘（`draw_telescope.py`）： 　目镜那一级的虚像位置是用薄透镜公式算出来的（并断言 u < f、v < 0），不是照着感觉摆的。 2.视角建议做成动画：同一个物体由远及近，两条视线的夹角随之张开，比静态图更能说明问题。 3.实景照片：黄昏草地上的天文望远镜（项目提出页）。 4.器材准备的两个窍门：老花镜片（凸透镜）比成品透镜便宜得多，废旧眼镜就能拆； 　羽毛球筒的内径和常见镜片正好接近，省去卷筒的功夫。 5.中国天眼、郭守敬望远镜的实景图请用官方发布的照片，不要用 AI 生成的—— 　这类特定建筑生成出来的样子往往是错的（试过两版都不像）。 —— 光路自绘保证“物镜的像落在目镜焦点以内”这个关键关系在图上一眼可见。 器材准备直接影响这节课能不能真做起来，提前写清楚比课上临时凑更有用。
教学反思 1.这节课的成败在器材：镜片焦距要一长一短且相差明显（如 20 cm 与 10 cm）， 　纸筒要能套牢又能滑动。器材凑合，后面的调试就会耗掉整节课。 2.“视角”一定要用实物做一次（一支笔的远近），只讲定义学生不会有感觉。 3.两级成像分两步画，不要一次画完；先让学生把物镜的像画出来，再把它当作物体。 4.把“看不清”的三条诊断提前写在黑板上，学生就从反复拆装变成有据可查。 5.提醒像是倒立的，否则每节课都会有小组以为自己做坏了。 6.展示环节留足时间——学生最想讲的是“我遇到了什么问题、后来怎么解决的”， 　这正是工程实践最该被看见的部分。 —— ——
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