神奇的“眼睛”

第七节 神奇的“眼睛”
一、教学目标
【知识与技能】
1.知道放大镜，照相机和投影仪结构、原理及使用方法
2.了解显微镜、望远镜的简单组成和用途
3.认识科技对人类生活和社会发展的重要性，了解科技的持续发展将加深人类对自然的认识。
【过程与方法】
1.经历制作模型照相机的过程，了解照相机的成像原理
2.通过对放大镜、照相机、投影仪所成的像的分析，逐步培养学生运用所学基础知识解决实际问题的能力．
3.通过观察与实验，有意识地培养学生分析与综合的思维方法
【情感、态度与价值观】
1.通过模拟相机的制作和使用，使学生获得成功的喜悦．
2.通过学习放大镜、照相机、投影仪、显微镜、望远镜激发学生对科学的求知欲，使学生乐于探索自然现象和日常生活中的物理学道理，初步建立将科学技术应用于实际的意识．
二、教学重点难点
重点：照相机、投影仪、放大镜的原理,显微镜和望远镜的基本结构．
难点：凸透镜成实像和虚像的主要特征,利用两组凸透镜成像规律理解显微镜和望远镜的原理．
三、课时安排
1课时
四、教与学互动设计
（一）创设情境，导入新课
【导语一】复习：凸透镜成像规律
【导语二】眼睛是人体最重要的器官之一，我们的眼珠（晶状体）是一个凸透镜，它使我们看到了身外的世界，近视眼和远视眼可以通过眼镜像正常人眼一样看东西，但仅凭我们的肉眼还很不够，我们能否看到很小的物体？能否看到很远的物体？能否将所看到的物体保存下来？
【导语三】让学生回答上述问题并指出必须借助哪些更精密的仪器，说明这些仪器就像特殊而神奇的“眼镜”，拓展了我们肉眼的功能。
（二）合作交流，解读探究
1.放大镜
【做一做】我们桌子上放有放大镜，放大镜是凸透镜，是常用的光学仪器之一，现在用它看书上的字，看到什么现象？
【点拨】放大镜能使书上的字放大，字是正立的．放大镜能成正立、放大的像．它可以将较小的、眼睛不易辨清的物体“放大”以便人们能看得更清，如图。
【想一想】物体应放在离放大镜多远的位置才合适呢？
【点拨】让学生用放大镜看书上的字，并改变放大镜到字的距离，透过透镜观察字的放大情况。刚开始移动放大镜，离书越远，字越大，到了一定距离以后，字变模糊．放大镜是一个短焦距的凸透镜，必须把物体放在凸透镜的一倍焦距以内.
【说明】利用凸透镜能使物体成正立放大的像，但它是虚像，放大镜成的像不能显示在屏幕上．放大镜成的像与物在凸透镜同一侧。人眼观察物体的细微结构时，分辨本领是有限的，把物体移近些，可以看得清楚些，借用放大镜可以看得更清楚些，但对于太细微的结构，如生物的细胞，移得再近，用放大镜也是看不清楚的．利用显微镜可以解决此问题。
2. 显微镜
【议一议】观察显微镜的构造，它有哪些部分组成？
【点拨】显微镜是用来观察微小物体的光学仪器，它的放大率比放大镜的大的多。（如左下图）显微镜镜筒的两端各有一组透镜，每组透镜的作用都相当于一个凸透镜．靠近眼睛的凸透镜叫做目镜，它的焦距比物镜稍大，靠近被观察物体的凸透镜叫做物镜，它的焦距很短，显微镜一般是由两组透镜组成，每组的作用相当于一个凸透镜。两镜间的距离可以调节。
显微镜的原理 （物镜：f反光镜可旋转，能使反射光线从下方照射到被观察的物体上，增大物体的亮度．载物台用来放置被观察的物体，要观察的样本放置在玻璃或塑料片上(称载坡片)，盖上覆片。载物台中央有一圆孔，反射镜反射的光线从下方穿过圆孔，照射在被观察物体上．
【想一想】显微镜的原理是什么
【点拨】（如右上图）物体通过物镜成放大的实像．这个实像作为目镜的“物体”，通过目镜成放大的虚像．物镜使物体成放大、实像，物距在二倍焦距和焦距之间；目镜使物体成放大、虚像，物距在焦距之内．显微镜使物体经过两次放大，使肉眼看不到的小物体能看到．显微镜的放大倍数等于物镜的放大倍数乘以目镜的放大倍数．
人的眼睛只能识别大小为0.1 ㎜的物体。显微镜是精密的放大仪器，是生物学研究不可缺少的工具。我们用它可以观察肉眼看不见的微小生物的结构（如右图）。显微镜配备有不同倍数的物镜和目镜。一般显微镜最多能放大2000倍，可以观察到细胞的构造。近代的电子显微镜可以观察到分子和原子的结构。
3. 望远镜
【想一想】望远镜和显微镜的原理是一样的吗
【点拨】显微镜和望远镜都是由两组凸透镜组成，都叫物镜和目镜，但有不同的地方，显微镜的物镜，物距在二倍焦距和一倍焦距之间，成倒立放大的像．作用是使物体进行一次放大．望远镜的物镜，物距在二倍焦距以外，成倒立缩小的像，作用是把远处的物体与眼睛的距离拉近．目镜都起放大镜的作用．望远镜的物镜所成的像虽然比原来的物体小，但它离我们的眼睛很近，再加上目镜的放大作用．视角就可以变得很大．
【议一议】望远镜的种类有哪些
【点拨】望远镜因构造的不同，有如下几种。用透镜构成的望远镜由两组透镜组成，一为物镜，一为目镜。物镜的焦距较长，目镜的焦距较短，且物镜的第二焦点与目镜的第一焦点重合。开普勒望远镜的目镜和物镜都是凸透镜，伽利略望远镜的物镜是凸透镜，目镜是凹透镜。另外，还有反射式望远镜，它的物镜是用口径很大的凹镜做的，目镜是凸透镜。光线由物镜到目镜是由其中间的平面镜反射来的。?
图a为开普勒望远镜成像原理 图a
图b为伽利略望远镜成像原理
图c为牛顿式反射望远镜成像原理
伽利略望远镜、开普勒望远镜、牛顿式反射望远镜，还有有普通望远镜、军事望远镜、红外线望远镜、哈勃太空望远镜．一些难以用光学望远镜观察的天体，可以用射电望远镜，它可以接收到来自宇宙的无线电波。?
约400年前在荷兰的一个小镇上，一个磨眼镜片的手艺人不经意地透过一前一后放置的两个镜片去看远处的景物时，发现这些景物近了许多，大约1609年，意大利的科学家伽利略知道了这件事，他在研究之后，用两个凸透镜做成了一台望远镜．他后来不断改进，用自己的望远镜第一次发现了天上的银河并不是一片连续发光的云．而是由许多的星星组成的．他发现月亮表面并不是平坦的．而是有许多高低不同的环形山；发现了太阳黑子，看到了土星周围有一圈光环．更重要的是，他发现了有四颗卫星绕着木星转。
望远镜是用以观察远方物体及天体的光学仪器．我们见到的普通望远镜和军事望远镜都是双筒的，是双筒望远镜，它的两个镜简都是拐了弯的．在拐弯处分别安装了两个“全反射棱镜”．这种设计一方面缩短了镜筒的长度，再者经过那两块棱镜的两次反射也能使本来倒立的像正立过来．
望远镜观看的对象在远处，无法移近，要看清楚就要尽可能多地收集远处物体发来的光，观察宇宙中的星体时更是要这样．因此望远镜的物镜总是做得尽可能大，望远镜的物镜直径比我们眼睛的瞳孔大得多，这样它可以会聚更多的光使得所成的像更加明亮．这一点在观测天空中的暗星时非常重要．现代天文望远镜都是力求把物镜口径加大，以求观测到更暗的星．
用玻璃不可能制成直径很大的透镜．因为大块玻璃质地不均匀，会导致透镜折光不好，使看到的像有扭曲，为了消除凸透镜成像的缺点，牛顿发明了反射望远镜．它的物镜不用凸透镜而用凹面反射镜，也使光在目镜焦点处成实像．
望远镜通常有折射式望远镜和反射式望远镜，如图所示。折射式望远镜由两个透镜组成。这两个透镜分别放置在镜筒的两端。大的是物镜，收集来自物体的光线并聚焦形成一个实像。靠近眼睛的是目镜，目镜放大形成的像以便你能清楚地看到。通过折射式望远镜看到的像是倒立的。折射式望远镜的物镜和目镜都是透镜．一种目镜和物镜都是凸透镜的叫做开普勒式望远镜；另一种物镜是凸透镜，目镜是凹透镜的称作伽利略式望远镜．反射式望远镜的物镜是凹面镜，目镜是凸透镜．
反射式望远镜用一个大的凹面镜收集光线，如图所示。凹面镜收集来自远方物体的光线并聚焦形成一个实像。望远镜里面的小平面镜把像反射到目镜上。用照相机代替目镜可以拍下图像。通过反射式望远镜看到的像也是倒立的。
（3）如右图所示，分别是伽利略望远镜和哈勃太空望远镜。
（4）望远镜主要是通过物镜使远处的物体成一个倒立、缩小的实像，而这个实像又在目镜中形成一个正立、放大的虚像，如图所示。
在地面上用望远镜观察星空时，星体发来的光在穿过大气层的时候，要被吸收一些，还要受到不规则折射的影响，因此大大影响像的质量，为改进对星体的观察，1990年美国向太空发射了一台望远镜，叫哈勃太空望远镜．
4. 照相机和投影仪
（1）照相机
【想一想】照相机的原理是什么？
【点拨】用照相机实物与挂图对照讲解：照像机的标准镜头焦距大约50—75mm，而镜头伸缩的范围很小，在1cm左右，就是说，像距很短．因此，被摄物体一般都在距离镜头很远的地方，最近也在1m左右．这一距离也远远大于二倍焦距．当物体在很远很远的地方时(一般大于20m时)，我们就称物距为无穷远，照像机的距离环上有“”的符号，就表示无穷远．这时，镜头距底片最近，等于镜头的焦距．
当用照像机给一个同学照像时，人距镜头越近，照出像片中人越大．但是一定要调整镜头加大像距，即向前推出镜头．出示真实的照相机，镜头相当于凸透镜，胶卷相当于光屏，机壳相当于暗室，被拍照物体到镜头的距离要大于2倍焦距，来自物体的光线经过照相机镜头后，在胶卷上形成一个倒立、缩小的实像，如图所示。照相机的构造（和人的眼睛相似）。
胶片上涂着一层对光敏感的物质，通过镜头的光在胶片上曝光后发生化学变化，物体的像就被记录在胶片上，经过显影、定影后成为底片，再用底片冲印就可以得到相片．
【讨论交流】照相机的光圈和快门的作用是什么？如何才能把相片照好？
【点拨】照相机的对焦（使成像清晰），照相机的光圈和曝光时间的配合使用。“傻瓜相机”也有光圈和快门，只不过它们都安装在机身里面，傻瓜相机内部增加了一些电子、机械设备，可以根据光线的明暗程度自动调整光圈、快门，不需要人工调节，傻瓜相机也能自动聚焦，不需要手动调焦。
【想一想】为了使照片上人像大一些，人应该靠近还是离开照相机一些
【点拨】人应该靠近些，使物距减小，像距增大（暗箱拉长），像变大。如下图所示。
【注意】有些同学很喜欢摄影，也经常进行摄影实践活动．通常把调距离叫调焦．这里有个误会，实际上，不是在调焦距，而是在调整像距．因为照像机的镜头焦距是固定的不能调(除变焦镜头以外)．
【做一做】制作模型照相机
方案一：用两个粗细相近的长方形纸简，使一个纸筒刚好能套入另一个，在大的纸筒前面固定一个凸透镜，在小的纸简前面．固定一个半透明塑料薄膜作为屏幕．把纸筒有屏幕的一端朝里，套人较大的圆筒，就制成了模拟照相机．
方案二：用硬纸板圈成两个直径大小相近的，长约15 cm的圆纸筒，使一个纸筒刚好能够套入另一个，在直径较大的纸筒前面，固定一个凸透镜，在直径较小的纸筒前面,固定一个屏幕,屏幕可以用半透明塑料薄膜(或蜡纸、毛玻璃)制作,把较小的圆筒有屏幕的一端朝里，套入较大的圆筒内，这样模拟照相机就做成了．
把模拟照相机对准某个人或物体，拉动纸筒改变透镜和屏幕之间的距离，就能使物体在屏幕上形成一个清晰倒立的缩小的像,通过获得清晰像，让学生感受照相的过程。
【小结】照相机成像时景物离镜头远，像离镜头近，成的是倒立缩小的实像。
（2）投影仪
【观察】投影仪的构造：主要有镜头、投影片、聚光镜、光源和反光镜等部分，如图所示。光源是用来照亮投影片的；聚光镜为一组凸透镜，其作用是聚光，增加投影片的亮度；反光镜是平面镜，其作用是把射向投影片的光反射到屏幕上。
【演示】投影仪的工作原理：教师取下平面镜，把如图所示的投影片放在载物台上放上，接通电源，调节镜头，在天花板上得到投影片图案清晰的放大倒立的实像，让学生仔细观察像的大小、正倒。
根据凸透镜成像规律讲述投影仪的原理，应指明投影片相当于物体，天花板相当于光屏，镜头起凸透镜的作用。投影片到镜头的距离稍大于焦距，所以在幕上能成放大的实像。
【想一想】（1）若要使像前移，投影片应如何移动？
（2）若要使像左移，投影片应如何移动？
（3）镜头上的平面镜有何用处？
【点拨】（让学生提出观点后可上台实际操作看是否正确）教师装好平面镜，用平面镜使像反射到屏幕上，在屏幕上成投影片图案清晰的像。演示验证。
【讨论交流】如要使屏幕上的像变大，镜头应如何调节，投影仪与屏幕间的距离要如何改变？
【点拨】镜头向下调，使物距减小，同时像距增大，使投影仪与屏幕间的距离增大。这样屏幕上才会出现投影片图案清晰的像。投影仪可以把文字直接书写在透明胶片上，使用方便，实物投影仪能直接投影实物．
【小结】投影仪成像时投影片离镜头较近，像离镜头较远，成的是倒立放大的实像。
（三）应用迁移，巩固提高
类型之一：放大镜
【例1】（ 05 年湖北省十堰市）如图在鉴定文物时，常用放大镜观察文物的细微部分，这时他看到的像是 。如果在文物上有两条裂纹，其夹角是5度．要想使看到的像更大些，应该将放大镜离裂纹 。放大镜的放大倍数是6倍，则他看到的角是 度。
解析：放大镜是利用物体放在凸透镜的一倍焦距以内，凸透镜能使物体成正立放大的虚像原理工作的，要想使看到的虚像更大些，应该将放大镜离裂纹远一些，这样物距增大，像距增大，像变大，放大镜所成的虚像与物体相似，则他看到的角是5度。
答案：正立放大的虚像 远一些 5
类型之二：显微镜
【例2】在用显微镜观察切片时，由低倍镜换用高倍镜后，所观察到的物象与低倍镜相比是（ ）
A 视野亮，细胞数目多 B 视野暗，细胞数目多
C 视野亮，细胞数目少 D 视野暗，细胞数目少
解析：在换上高倍物镜观察时，所观察到的物象与低倍镜相比，视野变小变暗，要重新调节视野亮度，可升高聚光器或利用凹面反光镜。答案：D
类型之三：望远镜
【例3】（05年湖北省黄冈市）如图是简易天文望远镜内部结构.远处的物体经过物镜成一个__________的实像，落在目镜_________ _____ 的位置；这个实像经过目镜成一个_________ 虚像.如果你想制作简易天文望远镜，没有现成的透镜，可以选用合适的（选填“近视”或“远视”）镜片来代替.
解析：望远镜的物镜，物距在二倍焦距以外，成倒立缩小的像，作用是把远处的物体与眼睛的距离拉近．目镜都起放大镜的作用．
答案：倒立缩小 一倍焦距以内 正立 、放大的 远视
类型之四：照相机和投影仪
【例4】（05年泰州市）在练习调节教学投影仪（参见图）的实践活动中，小明通过调节，使屏幕上出现了清晰画面. 这时，教室后排同学要求他将屏幕上的画面再调得大一些. 为此，小明的操作应当是：适当________（填“增大”或“减小”）投影仪与屏幕的距离，并将凸透镜适当向______（填“上”或“下”）移动.
解析：图所示的投影仪中，由悬臂支撑伸出在载物台正上方的框架中的小圆圈代表投影仪的镜头，它是一块凸透镜．投影仪的作用就是把载物台上的物体通过镜头而生成放大的实像，成像的光路是穿过镜头的光线由镜头上方的平面镜反射而投到前方的屏幕上，通过调节，使像就刚好生成在屏幕上．对于凸透镜成像来说，载物台上的物体到镜头的距离即为成像的物距，而镜头到反射平面镜再到屏幕的距离则为像距．
根据凸透镜成像规律：成实象时，物近像远像变大，应将物距调小，像距调大，既增大投影仪与屏幕间的距离，下调凸透镜，减小凸透镜到物体间的距离。
答案：增大 下
变式题：当他再把两块条形磁铁放在投影仪上，在磁铁上面铺好玻璃板，用铁粉演示磁感线的分布时，屏幕上磁感线的像却不清晰，这时应该向______移动投影仪的镜头。
解析：本题的使用情况是由原来的使透明胶片上的字画成像变成为使演示磁感线的铁粉成像，两者比较，铁粉比透明胶片靠镜头的距离近了一些，如不调节投影仪，则此时通过投影仪所得铁粉的像将比原来胶片上字画的像离镜头更远，这就需要增大投影仪与屏幕间的距离．为了不移动投影仪和屏幕，可调节需成像的物体(此处即为铁粉)与镜头之间的距离，使之等于原来成像物体(即透明胶片上的字画)与镜头之间的距离，这样，新情况下成像的像距就和原来情况下的像距相等，因而就可以不移动投影仪和屏幕而在屏幕上得到清晰的像．由上所述，显然只需适当向上移动投影仪的镜头即可．
答案：上
【点评】本题是凸透镜成像规律的一个应用，凸透镜成像规律还应用在照相机、放大镜等问题上，理解和掌握凸透镜成像规律是解决此类问题的关键。值得注意的是不能仅调物距或像距，对某个凸透镜成像时，物距和像距是一一对应的，否则将得不到清晰的像。
（四）总结反思，拓展延伸
【总结】本节课我们学习了以下内容：（引导学生自己总结，教师予以点评）
1．放大镜是凸透镜，能成正立、放大的像．并且物体距离放大镜要在一定范围内，即焦点以内。
2. 显微镜构造： ①物镜f3.望远镜构造： ①物镜 u>2f使物体成倒立缩小的像 ②目镜使物体成u4．投影仪的镜头相当于一个凸透镜，投影仪成像时投影片离镜头较近，像离镜头较远，投影片到镜头的距离稍大于焦距，能成倒立、放大的实像．
5．照相机的镜头相当于一个凸透镜，照相机成像时景物离镜头远，像离镜头近，能成倒立、缩小的实像．被拍照的物体到镜头的距离要远远大于2倍焦距才能在胶卷上得到倒立、缩小的实像。
【拓展】小明在听讲座时，想把银幕上用投影仪投影的彩色幻灯片图像用照相机拍摄下来，由于会场比较暗，他使用了闪光灯，这样拍出来的照片 ( )
A.反而看不清投影到银幕上的图像，倒是把银幕上的一些污渍拍出来了
B.色彩鲜艳，比不用闪光灯清楚多了
C.色彩被“闪”掉了，拍到的仅有黑色的字和线条
D.与不用闪光灯时效果一样，因为拍摄的是银幕上的像，而不是实际景物
解析：由投影仪原理可知，银幕上所成的像是由幻灯片通过凸透镜放大而成的，要增加像的亮度，只能通过增加幻灯片的亮度，即增加投影仪内的聚光灯的亮度才行。如果用闪光灯照在银幕上，反而使银幕上像变淡，而银幕上的一些污渍却能暴露无遗。
答案： A。
（五）当堂检测反馈
1. 关于四种光学仪器的成像情况，以下说法中正确的是………( )
A．放大镜成正立放大的像 B．照相机成正立缩小的像
C．投影仪成倒立缩小的像 D．幻灯机成正立缩小的像
解析：放大镜能成一个正立、放大的像；照相机能成倒立、缩小的像；投影仪能成倒立放大的像；幻灯机能成倒立、放大的像．答案：A
2．显微镜由_____、_____、_____、_____构成．物镜是_____成_____、_____的像．目镜使“物体”成_____、_____的像．
答案：目镜、物镜、反光镜、载物台 倒立、放大；正立、放大
3．望远镜是由_____和_____两组凸透镜组成．物镜是_____成_____、_____像．目镜使“物体”成_____、_____像．
答案：目镜、物镜、u>2f；倒立、缩小；正立、放大
4．关于放大镜，如下说法不正确的是………………………………………………( )
A．放大镜就是凸透镜
B．用放大镜可得到物体倒立的像
C．物体放在任何位置都可以得到放大的像
D．只有把物体放在凸透镜焦点以内，才能得到正立、放大的像
解析：放大镜是凸透镜，能成一个正立放大的像，不过必须在焦点以内．手持放大镜伸直胳膊看窗外的景物，可以成倒立、缩小的像．所以不是用放大镜在任何位置都可以得到放大的像。答案： C
5．照相机的镜头相当于一个______镜，被拍摄的物体应在距镜头______的位置．在相当于______的胶片上得到_______的______的像．
答案：凸透 大于2倍焦距 光屏 倒立 缩小
6.幻灯机的幻灯片要______，在______透镜的后面比焦点略远些的地方，这时银幕上的像的性质是______、______的像．
解析：使用幻灯机时，应当在屏上出现倒立、放大的实像．这就需要将幻灯片倒置，还需要调节屏幕位置，镜头位置，使屏上的像清晰．答案：倒插 凸 倒立 放大
五、资料链接
能看见原子的眼睛
说起扫描隧道显微镜，有这样一个比喻：假如人类站在月球上，观察自己的家园地球，用肉眼看去，地球不过是一个蓝色的球体。如果用放大2000倍的光学显微镜，就可以看到太湖那样大小的区域。如果用放大几百倍的电子显微镜，地球上的一幢幢楼房就会出现在眼前。而如果用扫描隧道显微镜，那么，进入你视野的将是地球上的一粒粒砂子。
当然，这只是一个比喻。扫描隧道显微镜不是望远镜。它的重要性在于，它为人类打开了通向微观世界的又一扇大门。有了它，我们就有了一双能直接看到物质表面原子排列状况的眼睛。
扫描隧道显微镜能看见如此微小的原子，其原因在于它与普通光学和电子显微镜完全不同的工作原理。扫描隧道显微镜的探头带有一根探针，它的针尖细到只有原子大小。探针的针尖接近所要观测的样品的表面并进行扫描。根据量子物理学原理，当针尖上的原子与样品表面原子的距离小于lnm时，它们之间会产生隧道电流。通过记录隧道电流的变化就可以获得样品表面原子排列的情况，并把它转化为图像。这个过程很像我们用手指去触摸一个物体的表面，触觉神经把信号传到大脑，使我们产生对该物体表面形状和性质的认识。不过，扫描隧道显微镜比我们的手指要精确得多。它平行于物体表面的分辨率可达到0．1nm，而垂直于物体表面方向上的分辨率可达到0．01nm。
扫描隧道显微镜不仅可以直接观察物质表面的原子结构，还可以通过探针对物质表面的原子和分子进行搬移。可以搬动原子，人类就可以按自己的意愿对各种物质表面进行原子级的重构，像搭积木一样，把一个个分子组建在一起，制造新的材料。
扫描隧道显微镜还能对物质表面进行刻蚀。中国科学家用自制的扫描隧道显微镜在石墨表面刻蚀了线宽仅为10nm的字符和图案。按尺寸计算，一部<红楼梦)只需一根大头针针尖大小的地方就能记录下来。这就为制作高密度的信息存储元件和纳米尺度的电子元件提供了新途径。想象一下，这种技术一旦投人应用，我们的计算机容量该有多大，而体积又该有多小。
扫描隧道显微镜所观察到的原子，是目前人类所能直接观察到的微观世界的最小尺度。很显然，这项技术直接促进纳米科技的发展。对于表面科学、材料科学、生命科学和微电子技术的研究有着重要的意义。有了这项技术，人类把自己的意志施加于微观世界的时代就开始了。
O2
O1
A’
B’
B’’
A’’
目镜
B
F2
A
物镜
F1
图c
图b
B
C
常见的照相机
A