Question

8．小明同學利用圖示實驗裝置“探究凸透鏡成像規(guī)律”．實驗室提供了三個相同材質的凸透鏡，其規(guī)格如下表所示．他先選用甲透鏡進行實驗．

序號	直徑/cm	焦距/cm
甲	5	10
乙	10	15
丙	15	10

（1）實驗前應將燭焰的焰心、透鏡的光心和光屏的中心位于凸透鏡的主光軸上 （同一高度的直線上）．
（2）將甲透鏡固定在圖示位置，把蠟燭移至15cm刻度處時，燭焰恰好在光屏上成清晰的像．這個像的成像原理與投影儀（選填“放大鏡”、“投影儀”或“照相機”）相同．
①若將蠟燭向右移動少許，則應將光屏向右（選填“左”或“右”）移動才能再次在光屏上成清晰的像，此時像的大小比剛才的像要大些．
②若用乙透鏡替換甲透鏡進行實驗，為了能在原位置處的光屏上依然成清晰的像，那么應將蠟燭向左（選填“左”或“右”）移動．
（3）將甲透鏡固定在圖示位置，把蠟燭移至5cm刻度處，移動光屏使燭焰在光屏中央成清晰的像，一段時間后，蠟燭變短，燭焰在光屏上的像將向上（選填“上”或“下”）移動，且移動的距離小于（選填“大于”、“小于”或“等于”）蠟燭減少的長度．
（4）分別選用甲和丙透鏡進行實驗時，選用丙透鏡在光屏上成的像較亮．
（5）小明還想知道光屏上所成燭焰的像與燭焰是否左右相反，請你在不增加和更換實驗器材的前提下，幫他設計一個簡要的實驗方案．
簡要做法：向左輕吹蠟燭的火焰，觀察光屏上像的擺動情況，
判斷方法：若像向右擺動，說明左右相反，反之，說明左右相同．

Answer 1

分析 （1）探究凸透鏡成像的實驗時，在桌面上依次放蠟燭、凸透鏡、光屏，三者在同一條直線上，燭焰、凸透鏡、光屏三者的中心大致在同一高度，像才能成在光屏的中心；
（2）凸透鏡成實像時，u＞v，成倒立、縮小的實像，應用于照相機和攝像機；u＜v，成倒立、放大的實像，應用于幻燈機和投影儀；
①根據凸透鏡成實像時物近像遠像變大、物遠像近像變小即可判斷；
②蠟燭燃燒，燭焰向下移動，根據光線過光心不改變方向，光屏中心在燭焰中心和凸透鏡光心連接上，可以判斷光屏的移動方向；
（3）蠟燭燃燒，燭焰向下移動，根據光線過光心不改變方向，光屏中心在燭焰中心和凸透鏡光心連接上，可以判斷像的移動方向；
利用三角形相似知識可比較像移動的距離與蠟燭減少的長度的關系；
（4）在焦距相同的情況下，凸透鏡的直徑越大，會聚的光越多，所成的像越亮；
（5）兩個蠟燭并排放置且燭焰高度不同．然后觀察光屏上兩個燭焰像的情況（或用嘴輕輕的吹燭焰使其左右擺動．然后觀察光屏上燭焰像的變化情況；
或用物體在燭焰前擋住左側或右側一部分火焰．然后觀察光屏上燭焰像的變化情況或找一個發(fā)光的F字母作為物體，觀察光屏上的成像情況）合理即可得分．

解答 解：（1）實驗前要調整蠟燭、凸透鏡、光屏的高度，三者的中心大致在同一高度，即在凸透鏡的主光軸上，這樣才能使像成在光屏中央；
（2）由圖示位置可知，物距u=15cm＞2f，像距v=30cm，即u＜v，成倒立、放大的實像，應用于幻燈機和投影儀．
①凸透鏡成實像時，物距越小，像距越大，像越大；因此當凸透鏡的位置不變時，只向右移動蠟燭，
要使光屏上再次出現(xiàn)一個明亮清晰的像，可以向右移動光屏，才能再一次成像，并且此時像的大小比剛才的像要大些．
②實驗一段時間蠟燭變短，凸透鏡位置不變，根據光線過光心不改變方向，燭焰在光屏上的像將向上移動．
將甲透鏡固定在圖示位置，把蠟燭移至5cm刻度處，此時的物距u=25cm＞2f，成倒立縮小的實像，像距f＜v＜2f，即v＜u，
根據三角形相似知識可知，$\frac{u}{v}$=$\frac{△{h}_{物}}{△{h}_{像}}$，
因為v＜u，所以△h_像＜△h_物，即像移動的距離小于蠟燭減少的長度．
（4）因為甲和丙透鏡的焦距一樣，而丙透鏡的直徑較大，會聚的光線較多，所以選用丙透鏡在光屏上成的像較亮．
（5）要知道凸透鏡成倒立的實像，像與物不僅左右相反，而且上下相反．在利用燭焰進行驗證時，上下相反可以直接看出．
左右相反可以通過使火焰左右不同或發(fā)生變化來進行驗證，所以我們可以通過改變燭焰的形狀，使其左右明顯不對稱．
所以可以用嘴輕輕地向左側或右側吹氣，觀察像的擺動情況．若像向右擺動，說明左右相反，反之，說明左右相同．
故答案為：（1）凸透鏡的主光軸上（同一高度的直線上）；
（2）投影儀； ①右；大； ②左；
（3）上；小于；
（4）丙；
（5）簡要做法：向左輕吹蠟燭的火焰，觀察光屏上像的擺動情況；
判斷方法：若像向右擺動，說明左右相反，反之，說明左右相同．

點評 此題是探究凸透鏡成像規(guī)律的實驗，凸透鏡成像的三種情況和應用是凸透鏡成像習題中重要依據，涉及到的知識點較多，并且拓展有深度，是一道不可多得的好題．