凸透鏡成像規(guī)律探究

趙虹

探究凸透鏡成像規(guī)律是光學(xué)學(xué)習(xí)的重點(diǎn)探究實(shí)驗(yàn)之一，重點(diǎn)探究物距u、像距v和焦距f之間的關(guān)系，利用凸透鏡成像規(guī)律解決生活中遇到的問(wèn)題是探究實(shí)驗(yàn)的難點(diǎn)，為此本文就上述問(wèn)題進(jìn)行逐一探究。

[實(shí)驗(yàn)要點(diǎn)]

探究凸透鏡成像規(guī)律的實(shí)驗(yàn)需要注意以下幾點(diǎn)。（1）在光具座上從左到右依次放置蠟燭、凸透鏡、光屏，點(diǎn)燃蠟燭前須調(diào)節(jié)凸透鏡中心、燭焰中心、光屏中心大致在同一高度，目的是使像呈現(xiàn)在光屏的中心。（2）探究實(shí)驗(yàn)時(shí)一般將凸透鏡固定，讓蠟燭由遠(yuǎn)及近靠近凸透鏡，光屏不斷遠(yuǎn)離凸透鏡，直到光屏上呈現(xiàn)清晰的像。（3）成實(shí)像時(shí)，物距變大，像距變小，像變小;物距變小，像距變大，像變大。（4）成虛像時(shí)，物距變小，像距變小，像變小;物距變大，像距變大，像變大。（5）光屏上成清晰的像時(shí)，對(duì)調(diào)蠟燭與光屏的位置，光屏上還能成清晰的像，說(shuō)明光路是可逆的。（6）用紙板遮住透鏡的一部分，成像性質(zhì)不變，光屏上成一個(gè)完整的像，只是變暗些。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)歸納出凸透鏡成像規(guī)律如下表所示，通過(guò)探究實(shí)驗(yàn)也可以得出不同條件下凸透鏡成像規(guī)律的應(yīng)用。

[凸透鏡成像規(guī)律]

[實(shí)驗(yàn)拓展]

在探究實(shí)驗(yàn)過(guò)程中有時(shí)會(huì)找不到像，原因可能如下：（1）蠟燭的燭焰、凸透鏡、光屏三者的中心不在同一高度上;（2）蠟燭放在了焦點(diǎn)上;（3）蠟燭放在了焦點(diǎn)以?xún)?nèi);（4）蠟燭放在一倍焦距和兩倍焦距之間，但離焦點(diǎn)過(guò)近，成像較遠(yuǎn)，光具座又不夠長(zhǎng)，光屏接收不到像;（5）凸透鏡焦距太長(zhǎng)，光具座太短，蠟燭成像在光具座以外，光屏接收不到清晰的像。注意：要使光屏上成實(shí)像，應(yīng)滿(mǎn)足L ≥ 4f（L為光具座長(zhǎng)度、f為凸透鏡焦距）。

通過(guò)探究實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步總結(jié)出凸透鏡成像的動(dòng)態(tài)規(guī)律，即：（1）一焦分虛實(shí)、二焦分大小;（2）實(shí)像異側(cè)倒、物遠(yuǎn)像變小;（3）虛像同側(cè)立、物遠(yuǎn)像變大;（4）像大像距大、像小像距小;（5）焦距大則像距大，焦距小則像距小。

[典型例題]

例（2020·山東·濱州）某實(shí)驗(yàn)小組同學(xué)在做“探究凸透鏡成像的規(guī)律”實(shí)驗(yàn)，請(qǐng)你完成下列問(wèn)題。

（1）實(shí)驗(yàn)前，要調(diào)整燭焰、凸透鏡、光屏三者的中心在____________________。

（2）通過(guò)調(diào)整，恰好在光屏上得到燭焰等大的像，如圖所示，則所用凸透鏡的焦距是________________cm。

（3）在圖中，把蠟燭向左移動(dòng)15 cm，凸透鏡的位置不變，應(yīng)把光屏向________________（選填“左”或“右”）適當(dāng)調(diào)節(jié)，才能在光屏上得到燭焰清晰倒立、________________（選填“放大”“縮小”或 “不變”）的實(shí)像。接下來(lái)改用焦距為15 cm的凸透鏡繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，如果不改變蠟燭和凸透鏡的位置，要在光屏上成清晰的像，應(yīng)把光屏向________________（選填“左”或“右”）適當(dāng)調(diào)節(jié)。

（4）在探究凸透鏡成實(shí)像的過(guò)程中，他們又嘗試用白紙遮擋住凸透鏡的一半，發(fā)現(xiàn)在光屏上________________（選填“仍能”或“不能”）成燭焰完整的像。

解析：如圖是探究凸透鏡成像規(guī)律的基本方法，涉及實(shí)驗(yàn)前器材調(diào)節(jié)、實(shí)驗(yàn)時(shí)焦距測(cè)量、像的性質(zhì)判斷、實(shí)驗(yàn)規(guī)律歸納、實(shí)驗(yàn)后規(guī)律應(yīng)用等。

（1）為了使像清晰地成在光屏中間，實(shí)驗(yàn)前應(yīng)調(diào)整燭焰、凸透鏡、光屏三者的中心在同一高度。

（2）如圖所示是實(shí)驗(yàn)的某一過(guò)程，即恰好在光屏上得到燭焰等大的像，此時(shí)u = 2f、v = 2f，光屏上成倒立、等大的實(shí)像，則所用凸透鏡的焦距f = 10 cm。

（3）如圖所示，將蠟燭向左移動(dòng)15 cm，即u = 20 cm + 15 cm = 35 cm，根據(jù)凸透鏡成像動(dòng)態(tài)規(guī)律可知，應(yīng)把光屏向左適當(dāng)調(diào)節(jié)，才能在光屏上得到燭焰清晰倒立、縮小的實(shí)像。如果改用焦距f = 15 cm的凸透鏡繼續(xù)實(shí)驗(yàn)，在保持物距u不變時(shí)，根據(jù)凸透鏡成像的動(dòng)態(tài)規(guī)律可知，應(yīng)把光屏向右適當(dāng)調(diào)節(jié)可成清晰的像。

（4）實(shí)驗(yàn)中如果擋住凸透鏡一半，在光屏上仍能有完整的像。

答案：（1）同一高度 （2）10 （3）左 縮小 右 （4）仍能

（作者單位：江蘇省鹽城市初級(jí)中學(xué)）