4.5 科学探究：凸透镜成像 教案 教科版（2024）八年级上册

《科学探究：凸透镜成像》教学设计
一、教学背景分析
（一）教材分析
“科学探究： 凸透镜成像 ”是本章的核心内容 ，是“跨学科实践： 眼 睛 ”和“通过透镜看世界 ”的理论基础和知识准备 。本节内容遵循初中学 生身心发展规律 ，通过“透过露珠可以看到倒立的花朵 ”这种贴近学生生 活、关注学习生长点的具体事例 ，引导学生进行理性思考 ，给学生创设提 出问题的空间和方法 。之后 ，又通过“ 用冰取火 ”的情境进行补充 ，将我 国古代科技融入物理问题 ，既让学生感受我国古代劳动人民的聪明智慧 ， 增强民族自豪感 ，又让学生对什么是透镜、哪些物体可以看成透镜、透镜 有什么特点、透镜成像有什么规律等更加好奇 ， 自然而然地开启本节内容 的学习。
（二）学情分析
透镜在学生生活中是比较常见的 ， 比如露珠、装水的玻璃杯等 ，但绝 大部分学生对生活中透镜的认识仅仅停留在表面 ，缺乏深入思考 ，对其中 的道理不是很清楚 。另外 ，八年级学生的求知欲强 ，动手心情很迫切 ，对 新事物有很浓厚的兴趣 ，渴望探究新知识 ，但他们的理性思维较弱 ，对概 念的深入理解、规律的分析归纳等有欠缺 。本节利用探究凸透镜成像规律 的实验创设一个平台 ，充分发挥学生的主观能动性 ， 引导学生发现问题、 解决问题、找出规律，轻松愉快地掌握知识，形成技能并锻炼能力。
(
u
>2
f
,
倒
立
缩小的像
u
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f
,倒立
等大的像
)二、教学设计思路
认识透镜
生活中凸透镜成像现象
(
u
<
f
,
正
立
放
大的像
) (
凸透镜成像规律
)
(
虚像
) (
实像
)
(
f
<
u
<2
f
,倒立
放大的像
) (
凸透镜成像规律的应用
)
三、教学目标
【物理观念】认识凸透镜和凹透镜，了解透镜的焦点、焦距。通过实验观察 凸透镜对光的会聚作用和凹透镜对光的发散作用，正确作出光经过透镜的光路图。 经历凸透镜的成像规律的探究过程，理解物距、像距等概念。通过对物距和焦距 的区间的比较，归纳出凸透镜成像的规律。了解凸透镜成像规律的应用。
【科学思维】应用光线模型追踪凸透镜成像的光线，知道实像和虚像分别是 怎样形成的。通过对现象和数据的分析处理，感悟分析处理数据的方法。
【科学探究】探究并了解凸透镜成像的规律。通过探究活动，体验科学探究 过程和基本研究方法。
【科学态度与责任】体会实验探究活动在认识事物过程中的重要意义。进一 步建立生活与物理知识的联系，培养乐于从日常生活中探索自然现象的科学态度。
四、教学重难点
（一）教学重点
探究凸透镜成像的规律，收集实验证据。
（二）教学难点
根据实验证据归纳凸透镜成像的规律。
五、教学过程
（一）新课引入
1700 多年前，古书《博物志》中记载了用冰取火的方法：“削冰令圆，举以 向日，以艾于后承其影，则得火。”这是我国古人创造的神奇。你知道这样取火
的原理是什么吗？
（二）新课教学
问题一：认识透镜
活动 1 ：分发给学生多个圆形镜片，让学生仔细观察镜片。展示凸透镜和凹 透镜侧视图，请学生参考图片区分哪些是凸透镜哪些是凹透镜，并说出区分的依
据。
设计意图：让学生通过触摸镜片的动作 ，切实感受一下“ 中间厚 、边缘薄 ” “ 中间薄 、边缘厚 ”的手感，这样学生能更形象地认识凸透镜 、 凹透镜的特点。
问题二：透镜的相关概念 展示图片。
一般的透镜，两个面中至少有一个表面是球面的一部分。如果透镜的厚度远 小于球面的半径，我们就叫这种透镜为薄透镜。
设计意图：利用数学图形描述透镜 ，使“ 至少有一个表面是球面 ”更生动， 也为接下来引出主光轴 、 光 心 等概念打下基础。
通过透镜两个球面球心的直线叫作主光轴，每个透镜都有一条主光轴。透镜 主光轴上有个特殊的点，通过这个点的光传播方向不变，这个点叫作透镜的光心。
问题三：透镜对光的作用
活动 2 ：取一个大烧杯，里面充满烟雾，倒扣在桌上，在杯底放一个凸透镜
或凹透镜。用手电筒通过杯底自上而下照射，适当调节手电筒和透镜的距离，请 学生观察烧杯中的光束。
设计意图：让学生观察透镜对光的作用。
总结：凸透镜对光有会聚作用，凹透镜对光有发散作用。
教师强调：“会聚 ”“发散 ”都是指折射光线与入射光线的比较。 活动 3 ：透镜对平行光线作用的演示和分析。
设计意图：把光的传播路径表现出来，更有利于学生对“ 凸透镜对光的会聚 作用 ”和“ 凹透镜对光的发散作用 ”的理解， 同时引出焦点 、 焦距的概念。
（1）凸透镜对平行于主光轴的入射光的作用。
凸透镜将平行于主光轴的入射光会聚到一个点上，这个点叫作凸透镜的焦点， 因为是实际光线会聚的，所以凸透镜的焦点是实焦点。焦点通常用字母“F ”表 示。焦点到光心的距离叫透镜的焦距，用字母“f”表示。
（2）凹透镜对平行于主光轴的入射光的作用。
平行于主光轴的光线通过凹透镜后偏离主光轴散开。通过凹透镜的光的反向 延长线可以交在主光轴上一点，这点是凹透镜的焦点，因为不是实际光线会聚，
因此是虚焦点。
（3）教师强调：
①凸透镜对光有会聚作用，指的是折射光的方向比入射光的方向更偏向主光 轴。
②凹透镜对光有发散作用，指的是折射光的方向比入射光的方向更偏离主光 轴。
设计意图： 强化学生对“ 会聚 ”和“ 发散” 的理解。
活动 4 ：薄厚不同的透镜对光线的作用。
学生观察：凸透镜表面越凸，会聚作用越强，焦距越短，折光本领越强；凹 透镜表面越凹，焦距越短，发散本领越强。
设计意图：通过演示（或图片）让学生直观地看到不同焦距的透镜对光的偏 折能力是不同的， 为探究凸透镜成像的规律做好准备。
问题四：透镜的三条特殊的光线
图片展示透镜的三条特殊光线：通过光心的光、平行于主光轴的光、通过焦 点的光分别经凸透镜和凹透镜折射后的情况。
教师特别强调凹透镜的三条特殊光线：
①通过光心的光经凹透镜后，传播方向不变。
②平行于主光轴的光经凹透镜后，折射光的反向延长线过凹透镜的焦点。
③斜射向凹透镜的光，如果其延长线通过凹透镜的焦点，则经凹透镜折射后 平行于主光轴射出。
学生自行观察并演示凸透镜的三条特殊光线：①通过光心的光经凸透镜后， 传播方向不变。②平行于主光轴的光经凸透镜后，折射光通过焦点。③通过焦点 的光经凸透镜后，折射光平行于主光轴。
问题五：透镜对光的作用的理论分析
如果将凸透镜和凹透镜按如图所示的方式分割，两种透镜都可以看成是由一 些形状相似的棱镜组成的，只是它们组合的方式不同而已。据此，关于透镜对光 线的作用，你有怎样的认识？
活动 5 ：学生画出光线在凸透镜内发生两次折射的图示。
设计意图：学生已经学习 了光的折射，对光通过三棱镜的传播情况比较清楚。 通过建立分割后的透镜模型 ，形象地将透镜对光的作用演变为棱镜对光的作用， 促进学生抽象思维能力的进一步提升。
问题六：探究凸透镜成像的规律 活动 6 ：认识物距和像距。
物距：物体到透镜光心的距离，用字母 u 表示。 像距：像到透镜光心的距离，用字母 v 表示。
教师说明：初中阶段我们研究的透镜均为薄透镜，其厚度可忽略不计，我们 可以将物距认为是物体到透镜的距离，像距认为是像到透镜的距离。
设计意图：让学生先了解探究凸透镜成像的规律实验中的两个概念。 活动 7 ：探究凸透镜成像的规律。
提出问题：凸透镜所成像的虚实、大小、正倒跟什么因素有关？ 猜想：①可能与物距有关；②可能与透镜焦距有关。
设计实验：先把物体放在距凸透镜较远的地方，然后逐渐向凸透镜移近，同 时用光屏在凸透镜的另一侧寻找清晰的像，并记录成像的位置。研究凸透镜的成 像与物距的关系（保持焦距不变，即使用同一个凸透镜），物距的变化以焦距为 参考，即观察物距大于 2 倍焦距时、处于 1 倍焦距与 2 倍焦距之间时、小于 1 倍焦距时的凸透镜成像情况。
实验步骤：
①如果凸透镜的焦距未知，可以利用太阳光（平行光）粗测凸透镜的焦距。
②将 F 光源、凸透镜、光屏依次安装在光具座上，调整它们的高度，使 F 光源的中心、凸透镜的光心和光屏的中心大致在同一高度。
③把点亮的 F 光源放在较远处（u>2f），调整光屏到凸透镜的距离，直到光 屏上出现清晰的像，观察并记录像的大小和正倒，记录物距 u 和像距 v 。适当改 变物距，重做这一步。
④把 F 光源移向凸透镜（u=2f），移动光屏，直到光屏上出现清晰的像，观 察并记录像的大小和正倒，记录物距 u 和像距 v。
⑤把 F 光源移向凸透镜（f＜u＜2f），移动光屏，直到光屏上出现清晰的像， 观察并记录像的大小和正倒，记录物距 u 和像距 v。适当改变物距，重做这一步。
⑥把 F 光源继续靠近凸透镜（u=f），移动光屏，观察是否能够成像。
⑦把 F 光源继续靠近凸透镜（u对实验数据进行分析论证：
①焦点是成实像和虚像的分界点。u＞f时，成实像；u②二倍焦距处是成放大像和缩小像的分界点。u＞2f 时，成缩小的实像；u=2f 时，成等大的实像；f＜u＜2f 时，成放大的实像。
③凸透镜成的实像都是倒立的，且像、物位于凸透镜的两侧；凸透镜成的虚 像是正立的，且像、物位于凸透镜的同侧。
④凸透镜成实像时，随着物距的变小，像和像距都变大；成虚像时，随着物 距的变小，像和像距都变小。
活动 8 ：研讨。
研讨 1 ：实验中，无论如何移动光屏都找不到像的原因可能有哪些？
学生根据实验过程中出现的现象结合一定的理论推理回答：（1）可能是光源、 凸透镜、光屏三者的中心不在同一高度。（2）当光源在凸透镜的 1 倍焦距以外但 非常靠近焦点时，所成的像很大，像距也很大，而光具座长度有限，所以光屏不 能承接到像。（3）成虚像时光屏上也承接不到像。
研讨 2 ：若把凸透镜遮挡一部分，像会发生什么变化？
学生根据实验过程中出现的现象结合一定的理论推理回答：若把凸透镜遮挡 一部分，成像性质不变，只是像暗了一些。
活动 9 ：提炼凸透镜成像规律。
一倍焦距分虚实，二倍焦距分大小； 实像总是异侧倒，物近像远像变大； 虚像总是同侧正，物近像近像变小； 像的大小像距定，像儿跟着物体跑。 问题七：凸透镜成像规律的光路分析
利用凸透镜三条特殊光线中的任意两条就可以画出相应的光路图，从而判断 出像距的大小和成像的具体情况。
1. 当 u>2f 时，成倒立、缩小的实像，此时f2. 当 u=2f 时，成倒立、等大的实像，此时 v=2f。此点为成放大像与缩小像 的分界点（焦点位置除外）。
3. 当f2f。
4. 当 u=f 时，不成像。此点为成实像与虚像的分界点。
5. 当 u问题八：凸透镜成像规律的应用
1. 照相机。
照相机的镜头相当于一个凸透镜，能使被拍物体成像在相机内感光元件上，
成的是物体倒立、缩小的实像。
2. 投影仪。
投影仪有一个相当于凸透镜的镜头，能使来自投影片或数码装置的图像在远 处银幕上成倒立、放大的实像。
3. 放大镜。
放大镜就是凸透镜，它可以将较小的物体“放大 ”，放大镜成的是物体正立、 放大的虚像。
设计意图：将所学知识应用于生活实践，充分落实“ 从生活走向物理，从物 理走向社会” 的新课程理念。
问题九：实像和虚像的区别 凸透镜成实像的情况：
实像：是由实际光线会聚而成的，有光能聚集，能成在光屏上，此时物、像 分别位于凸透镜的两侧，像是倒立的。
凸透镜成虚像的情况：
虚像：不是由实际光线会聚而成的，而是由折射光线的反向延长线相交而成
的，没有光能聚集，不能用光屏来承接。人眼看到的虚像是人眼逆着凸透镜出射 光线看到的。
（三）课堂小结
1.（1）透镜的分类：凸透镜——对光有会聚作用；凹透镜——对光有发散 作用。（2）透镜的相关概念：主光轴、光心、焦点（F）、焦距（f）。（3）三条特 殊光线：①通过光心的光经透镜传播方向不变；②平行于主光轴的光经透镜后折 射光通过焦点；③通过焦点的光经透镜后折射光平行于主光轴。
2. 凸透镜成像规律及其应用。
成实像时，物远像近像变小。照相机：倒立、缩小、实像；投影仪：倒立、 放大、实像。
成虚像时，物远像远像变大。放大镜：正立、放大、虚像。
六、板书设计
科学探究：凸透镜成像
1. 认识透镜
（1）凸透镜对光有会聚作用；凹透镜对光有发散作用。
（2）主光轴、光心、焦点（F）、焦距（f）。
2. 三条特殊光线
（1）通过光心的光经透镜传播方向不变。
（2）平行于主光轴的光经透镜后折射光通过焦点。
（3）通过焦点的光经透镜后折射光平行于主光轴。
3. 凸透镜成像规律
（1）u>2f 倒立、缩小的实像 照相机
（2）u=2f 倒立、等大的实像
（3）f（4）u=f 不成像
（5）u