第三节 凸透镜成像的规律
【教学目标】
一、知识与技能
⑴理解凸透镜成像的规律。
⑵知道凸透镜所成像的正倒、大小、虚实与物距的关系。
⑶学会运用凸透镜成像规律解释一些简单的现象。
二、过程与方法
⑴通过分组实验体验科学探究的全过程。
⑵学习从物理现象、实验数据中归纳科学规律的方法。
三、情感态度与价值观
⑴通过探究性学习活动，获得成功的愉悦。
⑵养成学生积极主动地与他人交流、合作的学习习惯。
⑶养成对科学的求知欲，初步建立将科学技术应用于实际的意识。
【教学重点】
组织指导学生完成实验探究凸透镜成像的规律。
【教学难点】
⑴引导学生设计实验，分析数据，归纳总结，得出规律。
⑵利用凸透镜成像规律解释生活中的现象。
【教学准备】
教师用：凸透镜（焦距10cm、5cm各一个）、光屏、蜡烛、光具座、火柴、玻璃球、多媒体ppt课件。
学生用：凸透镜（焦距为10cm一个）、光屏、蜡烛、光具座、火柴。
【教学过程】
主要教学过程
教学内容
教师活动
学生活动
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一、创设情境
引入新课
通过观看“蝴蝶杯显影”的神奇现象，激趣设疑，引入新课。
【模拟实验】 蝴蝶杯显影过程
加酒
【设疑】蝴蝶杯，古代饮器之一，以杯中“酒满蝶显，酒干蝶隐”的奇特视觉效果而千古流传，被世人美誉为“千金之宝”。注入酒后的蝴蝶杯为什么会显示出蝴蝶栩栩如生的画面呢？
（设计意图：以“蝴蝶杯显影”这一神奇现象创设课堂情境，激发学生的学习兴趣和求知欲望）
【板书课题】§5--3 凸透镜成像的规律
观看模拟实验，感受蝴蝶杯的神奇,思考老师提出的问题。
二、合作探究，
建构知识
（一）提出问题
【复习提问】
1. 照相机、投影仪、放大镜成像各有何特点？
2. 它们成像时，物体到凸透镜的距离有何不同？
【引导分析】照相机、投影仪和放大镜都是凸透镜在生活中的应用，但在使用时条件不同，使得成像结果不同：照像机是拍摄远处物体，使远处物体成缩小的像在胶片上；投影仪是将物体放的较近，而在较远处的屏幕上成较大的像；放大镜是将物体放得最近，它可以成比物体更大的像。可见，凸透镜所成像的正倒、大小、虚实跟物体到凸透镜的距离有关系。
（设计意图：通过复习照相机、投影仪和放大镜的成像特点及各自物体到凸透镜距离关系，引导学生提出问题，并为学生的合理猜想提供依据）
【前置补偿】认识物距（u）和像距(v)
物距(u)：物体到凸透镜的距离。
像距(v)：像到凸透镜的距离。
思考后个别回答：
1.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。
2.照相机成像时离镜头较远，幻灯机成像时离镜头较近，放大镜成像时离凸透镜最近。
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（二）猜想与假设
（设计意图：前置补偿物距、像距，为提出问题时正确、简洁表述做铺垫）
【提出问题】凸透镜成像的正倒、大小、虚实跟物距有什么关系呢？
【猜想】聆听学生猜想，对学生的猜想做出评价。
认识物距和像距，并会计算物距和像距的大小。
【猜想】根据已有知识提出猜想：物距大，成倒立、缩小的实像；物距小，成倒立、放大的实像；物距更小，成正立、放大的虚像。
（三）设计实验
【过渡】猜想的正确与否需要实验进行证明，下面我们共同设计实验，证明猜想是否正确。
【实验器材】实验装置如下图所示，器材主要有光具座、蜡烛、凸透镜、光屏等。
【引导思考】如何利用所给器材探究凸透镜成像的正倒、大小、虚实跟物距的关系呢？请说出你的实验设计方案。
【引导点拨】本次探究，我们将要面临的问题都有哪些呢？请大家讨论并分析。
1.如何保证蜡烛的像成在光屏的中央？
【演示1】调节烛焰、凸透镜和光屏的中心大致在同一高度，并要求学生调节。2.如何找到像的位置？
【演示2】
熟悉器材，明确作用及放置顺序。
【交流讨论】光具座上有刻度，便于观察物距和像距；用蜡烛火焰作为发光的物体；光屏用来承接实像。
【实验方案】改变物距大小，观察不同物距所成像的大小、正倒、虚实。
【交流讨论并操作】
1.使烛焰、凸透镜、光屏的中心大致在同一高度。
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（1）点燃蜡烛，移动光屏找到蜡烛烛焰清晰的像确定像的位置，并要求学生找到像的位置。
（2）移近蜡烛，取下光屏，直接用眼透过凸透镜观察虚像，并要求学生观察虚像。
3. 如何能更加方便的测出物距和像距？
【演示3】将凸透镜固定在光具座标尺的50cm处，调节蜡烛和光屏改变物距和像距。引导学生口算出物距、像距的大小。
4.实验过程中应记录哪些现象和数据？请同学们设计一个表格记录实验数据？
【指导】针对学生设计的实验记录表格进行删减和补充，并强调设计实验记录表格的注意事项：
（1）实验记录表格应有表头，能体现出所有需要记录的数据、现象以及实验次数。
（2）实验记录表格中有关测量的数据应标明单位。
（设计意图：让学生明确实验注意事项以及需要记录的现象和数据，解决实验中会影响学生实验的难点或疑惑点，为学生分组实验的成功扫清障碍。）
2.点燃蜡烛，使蜡烛位于凸透镜前某一位置，左右移动光屏，直到光屏上出现清晰的像，此时光屏的位置就是像的位置。若无论怎样移动光屏都得不到像，可取下光屏，直接用眼透过凸透镜观察。
3. 固定凸透镜在光具座上，调节蜡烛和光屏的位置改变物距和像距。
4.需记录像的正倒、大小、虚实，物距和像距，像与物的位置关系。
表格见附件1
（四）进行实验与收集数据
【温馨提示】
1.改变物距时，可使蜡烛由远及近逐渐靠近凸透镜来改变物距。
2.为使实验结论更全面，更具普遍性，请同学们在规定的时间内，尽可能多的观察物距不同时的成像情况，且使蜡烛在凸透镜前的位置分布均匀一些。
3.观察u=10cm，u=20cm时的成像情况，并将物距、像距及成像性质记录在表格中。
明确实验过程中需要注意的问题及实验操作的小技巧，使实验能够顺利完成。
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（设计意图：为使实验结论能够顺利得出，给予学生实验适当的提示及要求）
【进行实验】下面请同学们使蜡烛位于凸透镜前的不同位置，调节光屏分别找到像，观察像的性质，并将对应的物距、像距及像的正倒、大小、虚实分别记录在实验数据记录表格内。
【成果展示】在学生实验结束后，实物投影展示部分小组的实验数据。
【收集数据】
1.在实验过程中，你都观察到了哪些不同正倒、大小、虚实的像？
2.当成像的正倒、大小、虚实不同时，所对应的物距、像距分别是多少？
将学生列出的成像的正倒、大小、虚实以及所对应的物距、像距的大小输入电脑，通过大屏幕展示。（收集数据表格见附件2）
（设计意图：通过分组实验，增强合作探究意识；多组实验总结成像性质并将对应的物距、像距通过多媒体展示，收集的数据更多，数据分析更具说服力）
学生2人一组，合作探究，观察并记录蜡烛在凸透镜前不同位置时的物距、像距以及成像的性质，填入表格。
【分析归纳】分析实验记录表格，归纳出成像性质的不同：
倒立、缩小的实像
倒立、等大的实像
倒立、放大的实像
圆形光斑
正立、放大的虚像
（五）分析和论证
【点拨引导】由收集的数据可知，物距大小在一定的范围内成像的性质相同，在不同范围内成像的性质不同，如何界定物距大小的范围呢？物理学中，通常以凸透镜的焦距（f）为参考标准，比较物距和焦距的大小关系，界定物距的范围。
（设计意图：诱导学生思考物距大小的界定，给出焦距作为标准，引导学生比较物距与焦距的大小关系）
【数据分析】同学们实验所用凸透镜的焦距为10cm(f=10cm)请同学分析收集的实验数据，比较物距（u）与焦距(f)的大小关系，回答下列问题：
1.分析实验数据10、11、12，物距（u）
明确物距的大小是以焦距的大小为标准来界定的。
【分析归纳】分析实验数据，归纳得出成像规律：
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与焦距(f)有怎样的大小关系，能得出怎样的规律？
2.分析实验数据13、14、15，物距（u）与焦距(f)有怎样的大小关系，能得出怎样的规律，像和物位于凸透镜同侧还是异侧？
3. 分析实验数据4、5、6，物距（u）与焦距(f)有怎样的大小关系，能得出怎样的规律，像和物位于凸透镜同侧还是异侧？
4. 分析实验数据1、2、3，物距（u）与焦距(f)有怎样的大小关系，能得出怎样的规律，像和物位于凸透镜同侧还是异侧？
5. 分析实验数据7、8、9，物距（u）与焦距(f)有怎样的大小关系，能得出怎样的规律，像和物位于凸透镜同侧还是异侧？
6.分析物距处于不同焦距范围内的像距（v）与焦距的大小有怎样的关系？
【板书】完成凸透镜成像的规律表格（表格见附件3）
（设计意图：引导学生由易到难分析物距与焦距的大小关系，全面分析凸透镜成像规律）
【设疑】焦距不同的凸透镜成像的规律都一样么？
【演示实验】取焦距为5cm的凸透镜，演示u＞2f、u=2f 、f＜u＜2f、u=f、u＜f时成像性质及像距与焦距的关系。
（设计意图：演示f=5cm时，物距处于不同焦距范围内的成像，与f=10cm时的现象对比，增强实验结论的可信度）
【想想议议】根据凸透镜成像规律分析归纳，交流讨论回答下列问题：
1.像的正倒：凸透镜在什么条件下成正立的像，在什么条件下成倒立的像？
1.u=f 不成像
2. u＜f 成正立、放大的虚像，像物同侧
3.u=2f 成倒立、等大的实像，像物异侧
4.u＞2f 成倒立、放大的实像，像物异侧
5. f＜u＜2f 成倒立、放大的实像，像物异侧
6. u=2f时, v=2f
f＜u＜2f时, v＞2f
u＞2f时，f＜v＜2f
u＜f时, v＞u
观察实验现象，与f=10cm时凸透镜成像对比，确定实验结论的正确性。
【成果展示】
1. u＞f时成倒立像，u＜f成正立像，所以焦点是正立像和倒立像的分界点。
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2.像的虚实：凸透镜在什么条件下成实像？在什么条件下成虚像？ 成实像时，实像有怎样的共同特点；成虚像时，虚像有什么共同特点？
3. 像的大小：凸透镜在什么条件下成放大的像？什么条件下成缩小的像？
4.变化规律：
（1）u＞f成实像时，物体逐渐靠近凸透镜，像的大小和像距的大小怎么变？
（2）u＜f成虚像时，物体逐渐靠近凸透镜，像的大小和像距的大小怎么变？
【实验演示】演示u＜f时，物体靠近凸透镜，像的大小及像距大小的变化。
5.应用：依据照相机、投影仪、放大镜各自成像的特点，分析它们各是根据怎样的原理工作的？
【板书】补充凸透镜成像规律表格（见板书）
【规律提升】
用PPT课件播放凸透镜成像的Flash 动画，模拟物距不同时的成像情况及凸透镜成像的动态变化规律。
【巧学妙记】
一倍焦距分虚实，二倍焦距分大小，实像总是异侧倒，虚像总是同侧正，物近像远像变大，焦点以内反变化。
2.u＞f时成实像，u＜f成虚像，所以焦点是实像和虚像的分界点，实像都是倒立的在异侧，虚像都是正立的在同侧。
3. u＞2f时成缩小像，u＜2f时成放大像，所以2f是成放大像与缩小像的分界点。
4.（1） u＞f成实像时，物距减小，像距变大，像变大；（2）u＜f成虚像时，物距减小，像距减小，像变小。
5. u＞2f，照相机
f＜u＜2f, 投影仪
u＜f， 放大镜
观看动画，进一步认识和理解凸透镜成像的规律。
记录凸透镜成像规律的口诀，并理解其含义。
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（设计意图：在已有实验结论的基础上深入分析凸透镜成像规律，利用Flash动画模拟实验现象，有利于增强学生对凸透镜成像规律的进一步理解，通过“巧学妙记”降低学生记忆难度）
（六）评估交流
在实验过程中，出现了哪些问题影响了实验的正常进行或影响了实验结论的正确得出，对该实验你还存在哪些疑问，请组内交流并反思自己的实验过程。
【想想做做】
1.当u=f时，凸透镜为什么不成像？有什么应用？
2.当u=2f时，成倒立、等大的实像，你能否利用这一规律测量一未知凸透镜的焦距？
【板书】补充凸透镜成像规律表格（见板书）
3.某同学实验时用白纸遮住了部分透镜，还能成完整的像吗？像有什么变化？
4.某同学实验时像成在了光屏的上方，要使像成在光屏中心，可以将蜡烛怎样移动？
（设计意图：提出学生可能存在的疑问，让学生通过分析或实验来解决，学会理论联系实际。）
【蝴蝶杯显影释疑】
1.结构
2.显影原理
组内反思实验过程，交流讨论实验过程中存在的问题，并改进。
【成果展示】交流讨论、实验：
1.物体在焦点上，发出的光经凸透镜平行于主光轴，故不成像，可获得平行光
2.求焦距：成等大实像时，f=u
3.通过实验观察知：仍能成完整的像，像变暗。
4. 通过实验观察可知：蜡烛向上移动。
认识蝴蝶杯的结构，了解蝴蝶杯“酒满蝶显，酒干蝶隐”的原因。
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（a）没酒水时，蝴蝶图片在凸透镜的焦点上。
（b）注入酒水后，酒水和凸透镜的共同作用相当于增大了凸透镜的焦距，使蝴蝶图片在凸透镜焦点以内，成正立、放大的虚像。
（c）蝴蝶杯显影光路图。
（设计意图：呼应创设情境，让学生了解蝴蝶杯显影的原因，增强学生对物理知识在生活中应用的认识）
【盘点收获】
引导回顾实验探究过程，盘点凸透镜成像的规律
学生盘点知识和技能方面的收获。
【课堂检测】
巡视学生完成检测题（见附件4），精当点评
完成检测题
【家庭作业】
分发作业题（见附件5）
课后完成
【板书设计】
§5-3 凸透镜成像的规律
物距u
像距v
像 的 特 征
应用
正倒
大小
虚实
位置
变化规律
u>2f
f
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