资源简介

1.5 透镜和视觉
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01 本节导航·目标清单
目标导航
1. 会区分凸透镜和凹透镜，知道凸透镜和凹透镜对光的作用，理解焦点和焦距，掌握凸透镜的三条特殊光线；掌握凸透镜所成像的性质，了解放大镜、投影仪、照相机、显微镜、望远镜等应用实例。
2. 通过两类透镜特征的对比，理解它们对光折射能力的不同；利用凸透镜成像实验归纳成像规律，并能用规律解释实际问题；通过凸透镜成像与人眼球成像原理的学习，掌握类比的方法。
3. 认识眼球的结构及各部分的其功能，理解视觉的形成过程，了解近视、远视的成因及相应的矫正措施，树立爱护眼睛、保护视力的意识。
方法指导
知识推进链：透镜分类（凸透镜与凹透镜）→ 对光作用（会聚与发散）→ 焦点与焦距 → 凸透镜成像（实像与虚像、物距与像距、成像规律）→ 应用（放大镜、投影仪、照相机、显微镜、望远镜）→ 眼睛与视觉 → 视力缺陷与矫正 → 保护视力。
研究方法：实验归纳法——通过探究凸透镜成像规律总结 u、v、f 的关系；类比法——把眼球成像类比照相机的成像；模型法——用带箭头的直线表示光线，用光路图分析成像。
02 教材精研·内容全解
考点01 透镜的分类
1. 凸透镜与凹透镜
中间厚、边缘薄的透镜叫作凸透镜（convex lens）；中间薄、边缘厚的透镜叫作凹透镜（concave lens）。远视眼镜的镜片是凸透镜，近视眼镜的镜片是凹透镜。放大镜、显微镜、望远镜等光学仪器中都用到透镜。
凸透镜（左）和凹透镜（右） 凸透镜（左）和凹透镜（右）
2. 薄透镜与主光轴、光心
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。通过两个球面球心的直线叫作主光轴，简称主轴；主轴上有一点 O，通过这一点的光传播方向不变，这个点叫作光心。对于薄透镜，其光心就在透镜的中心。
透镜的主光轴和光心
考点02 透镜对光的作用
1. 会聚作用与发散作用
凸透镜对光有会聚作用，凹透镜对光有发散作用。凸透镜能使跟主轴平行的光会聚在主轴上的一点；凹透镜能使跟主轴平行的光变得发散，这些发散光线的反向延长线相交在主轴上的一点。可通过让透镜正对太阳光、在另一侧用白纸找最小最亮光斑的实验来体验。
考点03 焦点与焦距
1. 焦点与焦距
凸透镜能使跟主轴平行的光会聚在主轴上的一点，这个点叫作凸透镜的焦点，用 F 表示。焦点到凸透镜光心的距离叫作焦距，用 f 表示。凸透镜两侧各有一个焦点，焦距越小的凸透镜对光的会聚作用越强。凹透镜也有焦点，但其焦点是光线的反向延长线相交形成的虚焦点。
凸透镜会聚光
考点04 凸透镜成像·实像与虚像
1. 实像
在光屏上得到的像，是来自物体的光通过凸透镜会聚而形成的，这样的像叫作实像（real image）。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。
凸透镜成像
2. 虚像
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，只是人眼逆着射出的光看去能看到像，这样的像叫作虚像。虚像不是实际光线会聚而成，不能用光屏承接。
凸透镜成像光路
考点05 物距与像距
1. 物距与像距
物体到凸透镜的距离叫作物距，用字母 u 表示；像到凸透镜的距离叫作像距，用字母 v 表示。研究凸透镜成像规律时，通常改变物距 u，观察像的大小、正倒、虚实以及像距 v 的变化。
考点06 探究凸透镜成像规律
1. 探究实验
把蜡烛、凸透镜和光屏依次放在光具座上，调节它们的高度使中心大致在同一高度。把蜡烛放在离凸透镜较远的位置，调整光屏到凸透镜的距离，使光屏上成清晰的像，记录物距 u 和像距 v，观察像的大小、正倒；将蜡烛逐次移近凸透镜重复操作。当在光屏上看不到像时，撤去光屏从光屏一侧向透镜方向观察，可看到正立、放大的虚像。
探究凸透镜成像
表1.5-1 像的性质记录表
像的性质 实验序号 物距/cm 像距/cm
倒立、缩小的像 1
2
倒立、等大的像 1
倒立、放大的像 1
2
正立、放大的像 1 — —
2 — —
2. 凸透镜成像规律
当 u ＞ 2f 时，成倒立、缩小的实像；当 u ＝ 2f 时，成倒立、等大的实像；当 f ＜ u ＜ 2f 时，成倒立、放大的实像；当 u ＜ f 时，成正立、放大的虚像。凸透镜成像的核心关系可用透镜成像公式表示：。成放大的实像时像距大于物距；成缩小的实像时像距小于物距。
考点07 凸透镜成像规律的应用
1. 放大镜
放大镜是一种焦距较小的凸透镜，利用 u＜f 时物体经凸透镜成正立、放大的虚像制成。使用时放大镜位于被观察物体上方，使物体位于凸透镜 1 倍焦距以内，通过调节放大镜与物体的距离来改变放大倍数。
放大镜成像
2. 投影仪
投影仪的镜头相当于一个凸透镜。把投影片放在 1 倍焦距与 2 倍焦距之间并距镜头较近的位置时，来自投影片的光通过凸透镜后会聚在屏幕上，形成放大、倒立的实像。
投影仪 便携式投影仪
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。将景物放在离镜头 2 倍焦距以外时，能在影像传感器上成清晰的倒立、缩小的实像；光信号经转换、处理形成图像文件保存。也可用两个纸筒和一枚凸透镜制作照相机模型来观察室外景物倒立的像。
照相机的成像 照相机模型
考点08 显微镜和望远镜
1. 显微镜
显微镜镜筒两端各有一组透镜，每组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。来自物体的光经物镜成放大的实像，再经目镜（相当于放大镜）放大一次，从而看见肉眼看不见的微小物体。
显微镜的结构
2. 望远镜
折射望远镜由两组凸透镜（目镜和物镜）组成。物镜使远处物体在焦点附近成实像，目镜再把实像放大。物镜口径比瞳孔大得多，可会聚更多光，便于观测暗弱天体。望远镜的发明极大拓展了对宇宙的探索。
折射望远镜的结构 望远镜的发展 望远镜的发展 望远镜的发展 望远镜的发展
考点09 眼睛的结构
1. 眼球的结构与功能
眼睛是人体重要的感觉器官，大脑中约 80% 的信息来自眼睛。眼球的大部分藏在眼眶内，前有眼睑保护。眼球的主要结构包括：角膜（光进入眼里的透明窗口）、瞳孔（虹膜中央的小孔，随光线强弱调节大小）、晶状体（相当于凸透镜）、玻璃体（透明胶状物质）、视网膜（分布感光细胞，成倒立缩小实像处）、视神经（把信息传入大脑）。
眼睛 眼球的结构
考点10 视觉的形成与眼睛的调节
1. 视觉的形成
来自物体的光经过角膜、晶状体和玻璃体，到达视网膜。晶状体和角膜的共同作用相当于一个凸透镜，把来自物体的光会聚在视网膜上，形成倒立、缩小的实像。视网膜上的感光细胞受光刺激后发出信息，沿视神经传到大脑形成视觉。
视觉的形成
2. 眼睛的调节
眼睛通过睫状肌改变晶状体的形状来看清远近不同的物体：看近处物体时，睫状肌收缩，晶状体变厚，对光的会聚能力变强；看远处物体时，睫状肌放松，晶状体变薄，对光的会聚能力变弱。
看近处的物体和看远处的物体
3. 颜色的分辨
视网膜上有视杆细胞和视锥细胞两类感光细胞。在较亮环境下视锥细胞起主要作用，能分辨物体色彩（对红、绿、蓝较敏感，大脑综合后产生彩色图像）；在较暗环境下视杆细胞起主要作用，主要感受外形和运动，形成黑白图像。
考点11 近视的成因与矫正
1. 近视
近视的原因主要是眼球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。可借助凹透镜使来自远处物体的光发散后再会聚在视网膜上，从而矫正近视。高度近视往往不可逆，应避免长时间看手机、在黑暗处看手机等不良习惯。
近视患者所见物像类似于近景清晰远景模糊的照片 近视与矫正 近视与矫正
考点12 远视的成因与矫正
1. 远视
患远视的人能看清远处物体却看不清近处物体（老年人所患“老花眼”即远视症状）。远视的原因主要是眼球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后。矫正远视可戴相应的凸透镜，使来自近处物体的光偏折后会聚在视网膜上。
远视患者所见物像类似于远景清晰近景模糊的照片 远视与矫正 远视与矫正
考点13 爱护眼睛，保护视力
1. 保护视力的方法
保持良好的视力需要：读书写字姿势正确，书与眼睛距离约 33 cm，在光强度适宜处阅读；连续看书或写字 1 h 左右休息片刻或向远处眺望；使用电脑时眼睛与屏幕相距 50~70 cm，不长时间使用；定期接受眼睛检查，不适时及时治疗或矫正；异物入眼不要揉搓，可用眼药水冲洗；不躺着或在坐车、走路时看书。
爱护眼睛 爱护眼睛 爱护眼睛 爱护眼睛 爱护眼睛 爱护眼睛
03 避坑指南·易错辨析
易错警示 1. 易错点1：凸透镜对光起会聚作用、凹透镜起发散作用，是相对于入射光而言的“靠近主轴”或“远离主轴”，并非只有平行光才成立，会聚或发散与入射光方向无关。 2. 易错点2：实像是实际光线会聚而成，能用光屏承接；虚像是光线的反向延长线相交而成，不能用光屏承接。放大镜、近视眼透过晶状体看到的均是虚像。 3. 易错点3：凸透镜成像规律的分界点。u＝f 是实像与虚像的分界（u＜f 成虚像，u＞f 成实像），u＝2f 是放大与缩小实像的分界（f＜u＜2f 放大，u＞2f 缩小）。 4. 易错点4：成放大的实像时像距大于物距，成缩小的实像时像距小于物距；物距减小（向透镜靠近）时，实像变大且像距变大。 5. 易错点5：近视眼成因是晶状体太厚或眼球前后径过长，像成在视网膜前，用凹透镜矫正；远视眼成因是晶状体太薄或眼球前后径过短，像成在视网膜后，用凸透镜矫正。二者不可混淆。 6. 易错点6：人眼相当于照相机，但“像成在视网膜上”是倒立、缩小的实像；大脑将信息处理后我们才“感觉”到正立的物，不要误以为视网膜上成的是正立像。
04 实战演练·随堂检测
【实战演练】
1. 如图画出了光线通过透镜（图中未画出）的情形，其中通过凸透镜的是（ ）
A. a
B. b、d
C. c
D. a、c
2. 如图所示，空中有一竖直放置的大凸透镜，F 为其焦点，P 为二倍焦距点，在主光轴位置上拉一根钢丝，一个小杂技演员从很远的地方沿着钢丝向焦点处匀速行走。关于此情景有以下描述：①小演员每走一步，像也走一步；②像的脚步始终比小演员脚步大；③像大时脚步大，像小时脚步小，即“大像”走大步，“小像”走小步；④像总朝远离小演员的方向运动，好像在逃离。以上描述正确的是（ ）
A. ①②
B. ①④
C. ③④
D. ①③④
3. （杭州期中）如图所示是小华同学制作的模型照相机。通过调整内外纸筒的相对距离，可以在半透明膜上看到远处景物倒立的像。使用此模型照相机，下列说法正确的是（ ）
A. 看到远处景物的像是虚像
B. 看近景时，她应把内纸筒向右拉一些
C. 使用时，应把内纸筒朝向明亮的室外，凸透镜朝向较暗的室内
D. 凸透镜与半透明膜之间的距离相当于凸透镜的焦距
4. （台州亭旁中学期末）如图为正常人眼看远近不同物体时眼睛的自动调节，以下分析正确的是（ ）
A. 这不可能是同一个人的眼睛
B. 这说明眼睛是一个自动变焦（距）系统
C. 看近处的物体晶状体应扁平一些
D. 看远处的物体常常需要眯起眼睛看
5. 小科近来总是看不清楚黑板上的字，医生检查后说是因为来自远处物体的光进入小科眼睛的晶状体后，折射形成了如图所示的情况。则下列说法中正确的是（ ）
A. 小科眼睛的晶状体变厚，折光能力变弱
B. 小科眼睛的晶状体变薄，折光能力变强
C. 小科的眼睛是远视眼，应用凸透镜矫正
D. 小科的眼睛是近视眼，应用凹透镜矫正
05 巩固拓展·课后提升
【巩固拓展】
1. 在下面的各光路图中画上合适的透镜。
2. 根据下图中所给出的入射光线或折射光线，画出相应的折射光线或入射光线。
3. 如图所示的电子监控器主要由两部分组成，一部分为光学系统，另一部分为光电转换系统。光学系统收集监控区域内的景物信息。说说光学系统的工作原理。
4. 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？
5. 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？
6. 人眼中的晶状体相当于凸透镜。下图为来自远方的光经某同学眼球折光系统折射后的情况示意图，则该同学矫正视力时应戴由何种镜片制成的眼镜？
7. 取两块焦距不同的凸透镜，一手拿一块。通过两块凸透镜看前面的物体，如图所示，调整两块凸透镜之间的距离，直到看清楚为止。这时你看到的物体是变大了还是变小了？把两块凸透镜的位置前后对调，再看前面的物体，你有什么新的发现？
参考答案
【实战演练】
第1题： C
解析：a、b、d 中折射光线相比入射光线更远离主光轴，透镜对光有发散作用，a、b、d 为凹透镜；c 中折射光线相比入射光线更靠近主光轴，透镜对光有会聚作用，c 为凸透镜。
第2题： D
解析：小演员从较远处靠近凸透镜焦点的过程中，小演员每走一步，像也走一步，但小演员与像的脚步长度不同。当 时，，成缩小的像，小演员运动范围比像大，故小演员的移动速度比像的大，即“小像”走小步；当 时，，成放大的像，小演员运动范围比像的小，对小演员的移动速度比像的小，可得“大像”走大步。故②错误，①③正确。当小演员从很远的地方靠近凸透镜焦点时，物距变小，则像距变大，实像也变大，即像总朝着远离凸透镜的方向运动，好像在逃离，故④正确。
第3题： B
解析：A（×）远处景物的像能成在半透明膜上，是实像；B（√）看近景时，物体靠近镜头，即物距减小，则像距变大，所以要把内纸筒向右拉；C（×）要使室外远处或者近处的物体通过凸透镜成像在半透明膜上，使用时应使凸透镜朝向明亮的室外；D（×）凸透镜与半透明膜之间的距离是像距，不是凸透镜的焦距。
第4题： B
解析：正常人眼看远处和一定距离的近处的物体都清晰，就是根据晶状体自动调节的原理，故说明眼睛是一个自动变焦（距）系统，所以图中可能是同一个人的眼睛观察远近不同物体时的情况，故 A 错误，B 正确；看近处的物体，要使得像成在视网膜上，应该让晶状体折光能力变大，所以晶状体应该变厚一些，C 错误；对于正常眼睛，看远处和近处的物体都是正常看就行，D 错误。
第5题： D
解析：由题图可知，远方物体的像成在小科眼睛的视网膜前面，所以小科是近视眼，近视的原因是晶状体太厚，折光能力强。为了使像正好成在视网膜上，应使光线延迟会聚，使所成的像相对于晶状体后移，所以小科应配戴发散透镜即凹透镜，故 D 正确。
【巩固拓展】
第1题：
解析：根据光线通过透镜后的偏折判断：使光线会聚的是凸透镜，使光线发散的是凹透镜，在相应位置画上凸透镜或凹透镜即可。
第2题：
解析：根据光的折射规律（空气中光线与法线夹角较大）补画：入射光线从空气斜射入透镜，折射光线向主轴偏折；反之从透镜射出到空气则偏离主轴。
第3题：
解析：电子监控器的光学系统相当于一个凸透镜（镜头），来自监控区域景物的光经凸透镜折射后会聚，在光电转换系统的感光器件上成一个倒立、缩小的实像，再由光电转换系统把光信号转变为电信号进行处理。
第4题：
解析：根据光路可逆，当蜡烛放在原来光屏的位置（即原来像的位置）时，物距等于原来的像距，此时像成在原来蜡烛的位置，成倒立、放大的实像。
第5题：
解析：眼睛的晶状体曲度可以调节（睫状肌改变晶状体的形状、厚薄），使远近不同的物体都能在视网膜上成清晰的像。
第6题：
解析：题图中来自远方的光经折光系统后会聚在视网膜前，说明该同学是近视眼，应戴凹透镜制成的眼镜矫正。
第7题：
解析：两个凸透镜组合相当于一个简易显微镜或望远镜；调整两镜距离可看到放大的像。把两块凸透镜前后对调后，组合焦距改变，看到的效果不同（放大或缩小的程度变化），可观察到“物体被放大或缩小”的不同现象。

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