跨学科实践：制作望远镜-【跨学科实践】2024-2025学年初中物理项目化课程案例

八年级上册（2024） 人教版 第5节 跨学科实践：制作望远镜 第五章 透镜及其应用 制作望远镜 知识导图： 了解望远镜的基本原理 设计望远镜 制作及调试望远镜 反思与拓展 望远镜的构造及工作原理 确定望远镜的放大倍率 选择物镜和目镜 设计镜筒 制作 试用与调整 项目提出 一 一、项目提出 项目分析 二 二、项目分析 要自己制作望远镜，你需要完成以下任务。 1.了解望远镜的基本原理。 2.设计一个望远镜，能够用它观察校园内远处的物体。 3.根据你的设计方案，选用合适的器材，制作。 个望远镜并进行调试。 项目实施 三 任务一：了解望远镜的基本原理 三、项目实施 1.望远镜的类型： 伽利略望远镜 开普勒望远镜 牛顿式反射望远镜 三、项目实施 哈勃太空望远镜 郭守敬望远镜 思考：望远镜的主要结构是什么？如何使用？ 三、项目实施 2.望远镜的基本构造： 望远镜有不同的类型，其中有一种望远镜是由两组凸透镜组成的。 靠近眼睛的凸透镜叫做目镜。靠近被观察物体的凸透镜叫物镜。 三、项目实施 3.望远镜的成像原理： 物镜：相当于照相机的镜头，使远处的物体在焦点附近成 、 的实像。 目镜：相当于一个放大镜，成 、 的虚像。 两次成像，先缩小，后放大。 倒立 缩小 正立 放大 望远镜的成像光路图 ？ 三、项目实施 物体距离物镜很远，它的像却离物镜很近，根据前面探究的结果，这样所成的像应该是缩小的，为什么使用望远镜观察物体时会感到物体被放大了？ 三、项目实施 4.视角： 从眼睛的中心向物体两端所引的两条直线的夹角。 思考：视角和什么有关呢？ 三、项目实施 （2）视角的大小还和物体到眼睛的距离有关。 （1）视角大小和物体本身的大小有关 视角小 视角大 视角小 视角大 三、项目实施 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。 望远镜对视角的放大： 三、项目实施 望远镜的放大倍率： 进一步的分析表明： 如图所示的望远镜的放大倍率为物镜的焦距与目镜的焦距之比。 任务二：设计简易望远镜 三、项目实施 1.确定望远镜的放大倍率： 自制的望远镜可以采用单片的凸透镜作为目镜和物镜。为了让成像质量好一些，其放大倍率不宜过大，取放大倍率为2~3倍即可。 三、项目实施 2.选择物镜和目镜： 望远镜的物镜和目镜可以选择老人阅读用放大镜的镜片，也可以使用老花镜的镜片，还可以直接购买凸透镜。 三、项目实施 利用本章所学知识测量凸透镜的焦距，并根据放大倍率的要求，选择适当焦距的凸透镜分别作为物镜和目镜。 利用太阳光测量凸透镜的焦距 利用平行光测量凸透镜的焦距 三、项目实施 选择焦距较长、直径较大的凸透镜作为物镜；选择焦距较短、直径较小的凸透镜作为目镜。 在选择两块凸透镜时，除了需要满足焦距的要求，物镜的直径还要比目镜的直径大一些。测量凸透镜的直径，以便制作直径合适的镜筒。 目镜和物镜的选择标准： 三、项目实施 3.设计镜筒： 在用望远镜对不同远近的物体进行观察时，需要调节两块凸透镜间的距离。如图所示，镜筒可以设计成两段，让物镜的镜筒较目镜的镜筒粗一些，这样套在一起，便于在使用时调节。 观察最远处的物体时，两块凸透镜间的距离约等于两块凸透镜的焦距之和； 观察较近处的物体时，两块凸透镜间的距离要稍大一些。 任务三：制作及调试望远镜 三、项目实施 1.制作： 根据所选凸透镜的焦距和直径制作镜筒。尝试使用凸透镜、瓦楞纸、剪刀、胶带等材料，通过小组合作，自制一个望远镜，实现望远功能。 凸透镜 利用瓦楞纸板制作镜筒 三、项目实施 精确设计：确保两镜筒直径相近，预留调节空间以便调试。 缝隙处理：使用软质填充物（泡沫、橡胶条）减小缝隙，或粘贴装饰条 美化并遮盖缝隙，确保不影响观测且风格协调。 减小望远镜两个镜筒间的缝隙： 三、项目实施 物镜镜筒长度：考虑到物镜焦距约20 cm及调节空间，设计长度为约25 cm。 目镜镜筒长度：为确保观察舒适与轻便，设计长度为10-15 cm。 每段镜筒的长度： 物镜的焦距约为20cm，直径约为5cm；目镜的焦距约为10cm，直径约为4cm。 三、项目实施 镜筒的制作： 利用瓦楞纸板制作镜筒 制作时，根据凸透镜的焦距、直径等数据，以及对镜筒长度的要求，我们可以利用现成的圆筒状物品（如装羽毛球的筒），也可以通过截取适当尺寸的长方形纸板（如瓦楞纸板或其他材料），并把它卷起来制成镜筒。 利用装羽毛球的桶制作镜筒 三、项目实施 物镜和目镜的固定： 用双面胶或者胶枪等将目镜和物镜固定在镜筒上。 三、项目实施 2.试用与调整： 把目镜镜筒插入物镜镜筒内，把目镜放到眼前，通过望远镜观察远处的物体。在观察时要通过对镜筒长度的调节，改变物镜与目镜间的距离，直到在望远镜中看到远处物体清晰的像为止。 组装：确保目镜和物镜正确安装在镜筒内，连接稳固。 初步观察：对准远处物体，初步查看成像。 调节距离：通过调整镜筒长度（或目镜位置），改变物镜与目镜间的距离。 寻找最佳成像：持续调整，直到看到最清晰的像。 固定：将镜筒固定在最佳成像位置。 进一步优化（如需要）：调整瞳距、清洁透镜等，以提升成像质量。 展示交流 四 四、展示交流 四、展示交流 改进方法： 增大物镜口径：可以增大物镜的口径，以提高收集光线的能力。 使用增光镜：在物镜前安装增光镜，以增加进入望远镜的光线量。 调整观测时间：选择在光线更好的时段进行观测，如黄昏或清晨。 问题1：为什么通过简易望远镜看到的像偏暗？ 原因：透镜透光率不足、望远镜口径较小、观测环境光线暗或大气条件差等。 四、展示交流 原因：主要是透镜组合导致的。物镜形成倒立实像，目镜放大此实像但保持其倒立状态。 问题2：为什么通过简易望远镜看到的像是倒立的？ 改进方法： 第一种：使用两个相互垂直的平面反射装置把所成的像先上下颠倒一次，再左右颠倒一次，军用望远镜就采用的这种方法； 四、展示交流 第二种：物镜使用凸透镜，目镜使用凹透镜，望远镜所成的像就是正立的了，伽利略望远镜就采用的这种方法。 结合上述的问题，改进你制作的望远镜，也可以针对你发现的望远镜的其它问题，设计改进的办法，让你的望远镜更加完善！ 科学世界 五 五、科学世界 在人类历史的早期，人们利用肉眼观测象。后来人们通过测量天体的运动、制定历法，指导人们的生产生活。例如，战国时期的文献中记载：“斗柄东指，天下皆春；斗柄南指，天下皆夏；斗柄西指，天下皆秋；斗柄北指，天下皆冬。”这说明人们很早就发现了北斗七星一年中的周回运转在昭示四季、节气变迁方面的重要作用。 五、科学世界 望远镜的发明大大扩展了人类观测天空的视野。第一位把望远镜指向天空的是意大利物理学家伽利略。1609年，伽利略用自制的望远镜观察天体，以确凿的证据支持了哥白尼的“日心说”。他还第一个观察到了木星的卫星、太阳黑子和月球上的环形山。 五、科学世界 1846年，科学家根据牛顿发现的万有引力定律，猜想天王星外还存在一颗未知的行星，并计算出这颗行星的运动轨道。不久，人们用望远镜在预测的位置发现了这颗行星，它被命名为“海王星”。这一发现为万有引力定律提供了有力的支持。 五、科学世界 1990年，科学家把哈勃空间望远镜送入太空，使人类观测宇宙的能力空前提高。除光学天文望远镜外，人们还发明了其他观测太空的仪器，如射电天文望远镜，这使人类对宇宙的了解越来越深入。 五、科学世界 我国不仅古代在天文观测上取得了丰硕的成果，在现代也对宇宙探索作出了很大贡献。2009 年，郭守敬望远镜建成，并 于2011年启动光谱巡天任务，成为世界上第一个获取光谱数突破千万量级的望远镜。2020年，中国天眼正式开放运行，它是目前全球单口径最大、灵敏度最高的射电天文望远镜。 五、科学世界 通过对宇宙的不懈探索，我们现在知道，宇宙中拥有上千亿个星系，银河系只是这上千亿个星系中的一个。银河系异常巨大，一束光穿越银河系需要约10万年的时间。太阳不过是银河系中几千亿颗恒星中的一员。太阳周围有水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星等行星绕它运行，地球在离太阳比较近的第三条轨道上。此外，还有若干其他天体绕太阳转动（太阳系）。 五、科学世界 随着技术的进步，更多的大型望远镜和空间望远镜将提供更高的分辨率和更广的观测范围，继续挑战和超越我们对宇宙的现有认识，帮助我们揭示更多宇宙的奥秘。 课堂总结 六 五、课堂总结 作用：作用相当于一个______，将物镜成的实像再一次_____。 物镜 放大镜 放大 定义：靠近___________的透镜叫作物镜。 被观测物体 作用：使远处的物体在焦点附近成_____、_____的___像。 倒立 缩小 实 目镜 定义：靠近_____的透镜叫作目镜。 眼睛 制作望远镜 结构 工作原理 Lavf57.83.100 $$nullnull 第五章 透镜及其应用 第5节跨学科实践：制作望远镜 讲义 【知识导图】 一、项目提出 科学家利用巨大的天文望远镜接收来自遥远星系的信息。通过分析这些信息，人们对宇宙了解得越来越深入了。根据透镜成像的知识，你也可以自己制作一个如图所示的望远镜。或许你能用它获得新的发现呢！ 二、项目分析 要自己制作望远镜，你需要完成以下任务。 1.了解望远镜的基本原理。 2.设计一个望远镜，能够用它观察校园内远处的物体。 3.根据你的设计方案，选用合适的器材，制作。 个望远镜并进行调试。 三、项目实施 任务一：了解望远镜的基本原理 1.望远镜的类型： 思考：望远镜的主要结构是什么？如何使用？ 2.望远镜的基本构造： 望远镜有不同的类型，其中有一种望远镜是由两组凸透镜组成的。 靠近眼睛的凸透镜叫做目镜。靠近被观察物体的凸透镜叫物镜。 3.望远镜的成像原理： 物镜：相当于照相机的镜头，使远处的物体在焦点附近成倒立、缩小的实像。 目镜：相当于一个放大镜，成正立、放大的虚像。 两次成像，先缩小，后放大。 物体距离物镜很远，它的像却离物镜很近，根据前面探究的结果，这样所成的像应该是缩小的，为什么使用望远镜观察物体时会感到物体被放大了？ 4.视角： 从眼睛的中心向物体两端所引的两条直线的夹角。 思考：视角和什么有关呢？ （1）视角大小和物体本身的大小有关 （2）视角的大小还和物体到眼睛的距离有关。 · 望远镜对视角的放大： 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。 · 望远镜的放大倍率： 进一步的分析表明：如图所示的望远镜的放大倍率为物镜的焦距与目镜的焦距之比。 任务二：设计简易望远镜 1.确定望远镜的放大倍率： 自制的望远镜可以采用单片的凸透镜作为目镜和物镜。为了让成像质量好一些，其放大倍率不宜过大，取放大倍率为2~3倍即可。 2.选择物镜和目镜： 望远镜的物镜和目镜可以选择老人阅读用放大镜的镜片，也可以使用老花镜的镜片，还可以直接购买凸透镜。 利用本章所学知识测量凸透镜的焦距，并根据放大倍率的要求，选择适当焦距的凸透镜分别作为物镜和目镜。 · 目镜和物镜的选择标准： 在选择两块凸透镜时，除了需要满足焦距的要求，物镜的直径还要比目镜的直径大一些。测量凸透镜的直径，以便制作直径合适的镜筒。 选择焦距较长、直径较大的凸透镜作为物镜；选择焦距较短、直径较小的凸透镜作为目镜。 3.设计镜筒： 在用望远镜对不同远近的物体进行观察时，需要调节两块凸透镜间的距离。如图所示，镜筒可以设计成两段，让物镜的镜筒较目镜的镜筒粗一些，这样套在一起，便于在使用时调节。 观察最远处的物体时，两块凸透镜间的距离约等于两块凸透镜的焦距之和； 观察较近处的物体时，两块凸透镜间的距离要稍大一些。 任务三：制作及调试望远镜 1.制作： 根据所选凸透镜的焦距和直径制作镜筒。尝试使用凸透镜、瓦楞纸、剪刀、胶带等材料，通过小组合作，自制一个望远镜，实现望远功能。 · 减小望远镜两个镜筒间的缝隙： 精确设计：确保两镜筒直径相近，预留调节空间以便调试。 缝隙处理：使用软质填充物（泡沫、橡胶条）减小缝隙，或粘贴装饰条美化并遮盖缝隙，确保不影响观测且风格协调。 · 每段镜筒的长度： 物镜的焦距约为20cm，直径约为5cm；目镜的焦距约为10cm，直径约为4cm。 物镜镜筒长度：考虑到物镜焦距约20 cm及调节空间，设计长度为约25 cm。 目镜镜筒长度：为确保观察舒适与轻便，设计长度为10-15 cm。 · 镜筒的制作： 制作时，根据凸透镜的焦距、直径等数据，以及对镜筒长度的要求，我们可以利用现成的圆筒状物品（如装羽毛球的筒），也可以通过截取适当尺寸的长方形纸板（如瓦楞纸板或其他材料），并把它卷起来制成镜筒。 · 物镜和目镜的固定： 用双面胶或者胶枪等将目镜和物镜固定在镜筒上。 2.试用与调整： 把目镜镜筒插入物镜镜筒内，把目镜放到眼前，通过望远镜观察远处的物体。在观察时要通过对镜筒长度的调节，改变物镜与目镜间的距离，直到在望远镜中看到远处物体清晰的像为止。 · 组装：确保目镜和物镜正确安装在镜筒内，连接稳固。 · 初步观察：对准远处物体，初步查看成像。 · 调节距离：通过调整镜筒长度（或目镜位置），改变物镜与目镜间的距离。 · 寻找最佳成像：持续调整，直到看到最清晰的像。 · 固定：将镜筒固定在最佳成像位置。 · 进一步优化（如需要）：调整瞳距、清洁透镜等，以提升成像质量。 四、展示交流 向其他同学展示你的成果，介绍你的制作方案，分享你的收获。例如，在制作望远镜的过程中，你发现了哪些问题？你是如何改进的？还要倾听其他同学的讲解，看看对你有什么启发。同学之间相互评价，比一比谁的望远镜更完善。 问题1：为什么通过简易望远镜看到的像偏暗？ 原因：透镜透光率不足、望远镜口径较小、观测环境光线暗或大气条件差等。 改进方法： 1 增大物镜口径：可以增大物镜的口径，以提高收集光线的能力。 2 使用增光镜：在物镜前安装增光镜，以增加进入望远镜的光线量。 3 调整观测时间：选择在光线更好的时段进行观测，如黄昏或清晨。 问题2：为什么通过简易望远镜看到的像是倒立的？ 原因：主要是透镜组合导致的。物镜形成倒立实像，目镜放大此实像但保持其倒立状态。 改进方法： 第一种：使用两个相互垂直的平面反射装置把所成的像先上下颠倒一次，再左右颠倒一次，军用望远镜就采用的这种方法； 第二种：物镜使用凸透镜，目镜使用凹透镜，望远镜所成的像就是正立的了，伽利略望远镜就采用的这种方法。 结合上述的问题，改进你制作的望远镜，也可以针对你发现的望远镜的其它问题，设计改进的办法，让你的望远镜更加完善！ 五、科学世界 望远镜与宇宙探索 在人类历史的早期，人们利用肉眼观测象。后来人们通过测量天体的运动、制定历法，指导人们的生产生活。例如，战国时期的文献中记载：“斗柄东指，天下皆春；斗柄南指，天下皆夏；斗柄西指，天下皆秋；斗柄北指，天下皆冬。”这说明人们很早就发现了北斗七星一年中的周回运转在昭示四季、节气变迁方面的重要作用。 望远镜的发明大大扩展了人类观测天空的视野。第一位把望远镜指向天空的是意大利物理学家伽利略。1609年，伽利略用自制的望远镜观察天体，以确凿的证据支持了哥白尼的“日心说”。他还第一个观察到了木星的卫星、太阳黑子和月球上的环形山。 1846年，科学家根据牛顿发现的万有引力定律，猜想天王星外还存在一颗未知的行星，并计算出这颗行星的运动轨道。不久，人们用望远镜在预测的位置发现了这颗行星，它被命名为“海王星”。这一发现为万有引力定律提供了有力的支持。 1990年，科学家把哈勃空间望远镜送入太空，使人类观测宇宙的能力空前提高。除光学天文望远镜外，人们还发明了其他观测太空的仪器，如射电天文望远镜，这使人类对宇宙的了解越来越深入。 我国不仅古代在天文观测上取得了丰硕的成果，在现代也对宇宙探索作出了很大贡献。2009 年，郭守敬望远镜建成，并 于2011年启动光谱巡天任务，成为世界上第一个获取光谱数突破千万量级的望远镜。2020年，中国天眼正式开放运行，它是目前全球单口径最大、灵敏度最高的射电天文望远镜。 通过对宇宙的不懈探索，我们现在知道，宇宙中拥有上千亿个星系，银河系只是这上千亿个星系中的一个。银河系异常巨大，一束光穿越银河系需要约10万年的时间。太阳不过是银河系中几千亿颗恒星中的一员。太阳周围有水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星等行星绕它运行，地球在离太阳比较近的第三条轨道上。此外，还有若干其他天体绕太阳转动（太阳系）。 随着技术的进步，更多的大型望远镜和空间望远镜将提供更高的分辨率和更广的观测范围，继续挑战和超越我们对宇宙的现有认识，帮助我们揭示更多宇宙的奥秘。 六、课堂总结 学科网（北京）股份有限公司 $$