资源简介

3.6 凸透镜成像规律
教学背景
一、课标分析
该内容位于初中物理教材第三章第六节。依据《义务教育物理课程标准（2022）》“运动和相互作用”主题，本节作为必做实验，通过窗外景物成像引入，借助光具座探究，落实“科学探究”素养：学生需调节烛焰、透镜、光屏中心同高，测量物距像距，归纳 、 、 时的成像规律，理解 不成像、 成虚像。教材将生活现象转化为实验模型，体现“物理联系社会”理念；通过放大镜应用强化物理观念，为光学学习奠基。实验突出归纳法和合作探究，符合课标对探究能力进阶的要求。
二、教材分析
本节是光学核心内容，承上启下衔接光的折射与后续眼睛、照相机等应用，以 、 、 定量关系构建凸透镜成像逻辑主线，发展科学探究与模型建构素养。知识体系围绕物距 与焦距 的三区间关系展开： 、 、 ，对应倒立缩小/放大实像及正立放大虚像；教材采用生活情境导入→实验探究→归纳规律→应用迁移的呈现路径，突出“问题—猜想—实验—结论”科学范式。教学重点是理解成像性质与 、 的定量关系，难点在于虚像观察与 、 边界现象的理解。需通过光具座分步实验、动态物距调节、光路图辅助，引导学生在操作中建立物像对应关系，达成“能描述、会判断、可应用”的目标。
三、学情分析
学生此前已了解凸透镜的基本概念和对光线的作用，具备初步的实验操作经验。初中阶段学生逻辑思维逐步发展，对实验探究充满兴趣，但归纳总结规律的能力仍有待提升，对抽象的物距、像距与成像的关联易产生混淆。本节课重难点是通过实验归纳凸透镜成像规律，理解不同物距下成像的特点及虚实、正倒、大小的变化，要求学生能规范完成实验操作，准确记录数据，并从实验现象中提炼出清晰的成像规律，为后续理解凸透镜的应用奠定基础。
教学目标
物理观念：
知道物距、像距、焦距的概念；掌握凸透镜成像的规律，了解放大镜的成像原理。
科学思维：
通过分析实验数据归纳成像规律，培养归纳推理能力；能利用成像规律分析简单的成像问题。
科学探究：
经历凸透镜成像规律的实验探究，学会设计实验、收集数据；能规范操作光具座，提升实验操作和数据处理能力。
科学态度与责任：
养成严谨的实验态度，认识到凸透镜成像规律在生活中的应用价值，增强对光学知识的探究兴趣。
重点难点
教学重点
通过实验探究，归纳凸透镜成像的规律。
结合生活实例，掌握凸透镜成像规律的应用（如放大镜）。
教学难点
理解物距、像距和焦距之间的关系对成像性质的影响。
正确理解虚像的形成条件及用眼睛透过透镜观察的方法。
课前任务
一、预习任务
阅读教材，理解物距 、像距 、焦距 的含义，知道它们分别指哪段距离。
了解探究凸透镜成像规律实验的器材和操作步骤，知道实验中应如何调节烛焰、凸透镜和光屏的中心。
初步认识凸透镜成像规律：当 、 、 时，分别成什么性质的像。
结合放大镜的使用，理解物距小于焦距时凸透镜成虚像的应用。
二、课前小测
物体到透镜光心的距离叫____，用字母____表示。
像到透镜光心的距离叫____，用字母____表示。
当 时，凸透镜成倒立、____的实像。
当 时，凸透镜成____、放大的____像。
答案
物距；
像距；
缩小
正立；虚
教学过程
一、课堂导入
清晨妈妈用老花镜对着阳光点燃火柴，小明蹲在旁边惊讶地发现：镜片离纸越近，光斑越亮却点不着；慢慢抬高镜片，光斑变大变暗，可纸却突然“噗”地冒烟了！他赶紧拿过自己的近视眼镜试，怎么晃都点不着火。中午爷爷修收音机时，把放大镜凑近电路板，密密麻麻的焊点一下子变大变清楚了；可一不小心手抖，镜片离得稍远，字反而模糊还上下颠倒。为什么同一块凸透镜，有时能把阳光聚成灼热的小亮点，有时又能把细小的字放大看清，有时看到的像还头朝下？这背后藏着什么秘密规律呢？
二、探究新知
（一）探究凸透镜成像的规律
实验思路
实验目的：探究凸透镜成像的正倒、大小、虚实与物距 和焦距 的关系。
实验原理：凸透镜对光有会聚作用，物体发出的光经凸透镜折射后可会聚成像，如图3-6-1所示；物距 、像距 与焦距 的含义如图3-6-2所示。实验中保持凸透镜焦距不变，改变物距 ，移动光屏寻找清晰的像，观察并记录像的性质。
图3-6-1 使景物成像在屏上
图3-6-2 物距、像距和焦距
实验器材：光具座（标尺最小分度1 mm）一套、凸透镜（焦距 cm）一个、光屏一个、蜡烛（或发光二极管光源）一支、火柴（或电源）。
图3-6-3 光具座
进行实验
安装与调节：将蜡烛、凸透镜、光屏依次安装在光具座上，点燃蜡烛，调节凸透镜和光屏的高度，使它们的中心与烛焰的中心大致在同一高度。
探究 ：固定凸透镜，将蜡烛放在离透镜较远处，使 cm（ ），移动光屏，直到光屏上出现清晰的倒立、缩小的实像，记录物距 和像的性质。
探究 ：将蜡烛移到 cm处，移动光屏，观察并记录像的特点。
探究 ：将蜡烛移到 cm处，移动光屏，得到倒立、放大的实像，记录物距和像的性质。如图3-6-4(a)(b)所示。
图3-6-4 研究不同物距时的成像情况
探究 ：将蜡烛移到 cm处，移动光屏，光屏上没有像；透过透镜观察，也没有看到像，记录“不成像”。
探究 ：将蜡烛移到 cm处，移动光屏找不到像；移去光屏，从光屏一侧透过透镜观察烛焰，看到正立、放大的虚像，记录物距和像的性质。
数据分析
收集数据
将实验结果记录在下表中（ cm不变，改变物距 ）：
实验序号 物距 /cm 物距与焦距关系 像的性质 像距 /cm
1
2
3
4
5
参考数据
实验序号 物距 /cm 物距与焦距关系 像的性质 像距 /cm
1 30 倒立、缩小、实像 15
2 20 倒立、等大、实像 20
3 15 倒立、放大、实像 30
4 10 不成像 —
5 8 正立、放大、虚像 —
处理分析
对比实验1、2、3可知：当 时，均成倒立的实像；当 时成缩小的实像，当 时成放大的实像，当 时成等大的实像。
对比实验4、5可知： 是不成像的临界点；当 时，成正立、放大的虚像，且像与物在凸透镜同侧。
实验结论
通过实验可知：当 时，成倒立、缩小的实像；当 时，成倒立、等大的实像；当 时，成倒立、放大的实像；当 时不成像；当 时，成正立、放大的虚像。
误差分析及注意事项
注意事项
必须使烛焰中心、凸透镜中心、光屏中心在同一高度，否则像不能在光屏中央。
移动光屏时需缓慢调节，找到最清晰的像的位置。
观察虚像时，要移去光屏，用眼睛透过透镜观察。
误差分析
判断“清晰像”带有主观性，导致物距和像距读数存在误差。
蜡烛燃烧变短，烛焰中心高度改变，影响成像位置。
透过透镜观察虚像时，像的位置只能粗略判断。
（二）凸透镜的应用——放大镜
情境导入
爷爷看报时，把放大镜贴近报纸，字迹正立、清晰；他慢慢将放大镜拿远，字迹逐渐模糊，再远一些竟看到倒立的字迹。
引导提问：放大镜为什么能让字正立、放大？在什么位置才能看到这种现象？
探讨分析
案例分析
回顾凸透镜成像规律：物体在二倍焦距之外成倒立、缩小的实像；在一倍焦距与二倍焦距之间成倒立、放大的实像；在焦点以内则成正立、放大的虚像。放大镜与字的距离改变时，物距发生变化，成像特点也随之改变。
推理引导
当物距小于焦距时，物体位于焦点以内，人眼逆着折射光线看去，能看到正立、放大的虚像。因此，放大镜应选用焦距较小的凸透镜，观察时物体必须放在焦点以内。
小组讨论
讨论：放大镜远离字后，为什么物距增大到大于焦距时，像会变成倒立的？这回答了情境导入中的问题——只有物距小于焦距时，凸透镜才成正立、放大的虚像；物距改变，成像规律随之改变。
归纳总结
核心知识
当物体位于凸透镜焦点以内，即物距小于焦距时，对着凸透镜观察，可以看到物体正立、放大的虚像。
放大镜：焦距较小的凸透镜。
生活联系
用放大镜观察邮票、指纹时，要把物体放在焦点以内，才能看到正立、放大的像。
实践思考
用放大镜观察窗外远处的景物，会看到什么样的像？为什么？
答案：看到倒立、缩小的实像。因为景物距离凸透镜很远，物距大于二倍焦距，凸透镜成倒立、缩小的实像。
三、课堂练习
【题1】探究凸透镜成像的规律时，将蜡烛、凸透镜和光屏置于如图所示的光具座上，凸透镜的焦距为10.0cm,此时光屏上呈现烛焰的像，将凸透镜匀速移动至位置A的过程中，下列说法正确的是（　　）
A．光屏上将再次呈现烛焰缩小的像
B．烛焰的实像将先向右移动再向左移动
C．烛焰实像左移时的平均速度比凸透镜小
D．若光屏以1cm/s速度向右运动，则光屏上无法呈现烛焰的像
【答案】C
【题2】在“探究凸透镜成像规律”实验中，某小组做了四次实验，并将实验数据记录如表所示（没有记录第4次实验的像距），根据表格中数据，小聪同学做了如下推测，其中正确的是（ ）
次数 1 2 3 4
物距/cm 30 20 15 13
像距/cm 15 20 30
A．该小组使用的凸透镜的焦距为20cm
B．做完第1次实验后，保持光源和光屏不变，只移动凸透镜就可以得到第3次的数据
C．放大镜就是根据第4次成像情况工作的
D．从第1次到第3次的过程中，光屏上所成的像逐渐变小
【答案】B
课堂总结
探究凸透镜成像规律：实验时调节烛焰、凸透镜、光屏中心大致在同一高度。物距u>2f时，成倒立、缩小实像；f教学反思
本节课以探究凸透镜成像规律为核心，通过光具座实验系统探究物距u与焦距f关系对成像性质（实/虚、倒/正、放大/缩小）的影响，并联系放大镜应用。教学基本达成课标“通过实验探究凸透镜成像规律”要求，学生能归纳出三类成像区间及特点，实验操作能力有所提升；成功之处在于结构清晰、现象直观、结论由学生自主建构；不足在于对u=f、u=2f等临界状态的动态演示不足，虚像观察指导不够细致，且未充分引导学生用光路图解释成因，导致部分学生对成像原理理解停留在记忆层面，需强化作图训练与临界现象深度剖析。
拓展迁移
手机摄像头本质上是一枚焦距很短的凸透镜，成倒立、缩小的实像。拍照时，镜头会轻微伸缩——拍近处物体时镜头向外伸出，拍远处风景时镜头自动回缩。这并非“变焦”，而是通过改变像距 来使像清晰。根据成像公式 ，当焦距 不变、物距 减小时，像距 会增大。所以镜头伸长的目的是让光屏（传感器）位置恰好落在实像所在处。
问题：用手机拍摄很近的物体时，镜头为什么明显向外伸出？请结合凸透镜成像规律说明。
答案：拍摄近处物体时物距 变小，由公式 可知，在焦距 不变时，像距 会增大。镜头向外伸出相当于增大像距，使像能清晰地呈现在传感器上，符合凸透镜成实像时“物近像远像变大”的特点。
板书设计
物距u、像距v、焦距f
实验：烛焰、凸透镜、光屏中心同一高度
成像规律：
u＞2f → 倒立、缩小、实像
f＜u＜2f→ 倒立、放大、实像
u＜f→ 正立、放大、虚像（与物同侧）
应用：放大镜（物距小于焦距）
课后任务
学生用不同焦距的凸透镜作为放大镜，观察家中植物的叶片纹路、花瓣纹理或蚂蚁的肢体结构，记录不同焦距下观察到的成像效果（放大倍数、清晰度），结合凸透镜成像规律，分析为何显微镜的目镜和物镜都采用凸透镜，从物理成像原理和生物微观观察需求的角度撰写观察报告。

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