第三章 光的折射 透镜知识点 --2024-2025学年 苏科版八年级物理上学期

第三章 光的折射 透镜知识点 光的折射 【知识梳理】 一、光的折射 1．光从一种介质斜射入另一种介质时，传播方向发生偏折，称为光的折射。 2．有关光的折射的基本概念 （1）入射点：光线射到分界面上的点，通常用“O”表示； （2）法线：过光的入射点所作的与分界面垂直的直线，通常用“NN’ ”表示； （3）入射光线：射到分界面上的光线； （4）折射光线：被分界面折射后的光线； （5）入射角：入射光线与法线的夹角； （6）折射角：折射光线与法线间的夹角。 二、实验：探究光的折射规律 【实验目的】探究光的折射规律 【实验器材】可折叠的标有角度刻度的硬白纸板、水、水缸、激光笔 【实验步骤】 1．如图所示，将一块画有角度和中心虚线的硬纸板竖直插入盛有水的缸中，使虚线与水面垂直，角度刻度中心点恰与水面相平。虚线即为分界面的法线，中心点即为为入射点。 2．用激光笔将一束光贴着纸板沿着某一个角度射到入射点，经分界面的反射和折射，沿另一个方向射出，在纸板上出现了反射光线和折射光线的径迹。 3．改变入射角的大小，发现折射角会随着入射角的增大而增大，减小而减小。 增大入射角 减小入射角 入射角减小到0 4．把纸板右半边向前或向后折，反射光线的径迹消失。 【实验分析】 1．当纸板向前向后折时，折射光线从纸板上消失，纸板恢复平整后，折射光线重新出现，说明折射光线、入射光线、法线在同一平面内。 2．实验过程中发现，折射光线和入射光线始终在法线的两侧。 3．折射角会随着入射角的变化趋势而变化。 4．光从空气斜射入水时，折射角小于入射角；光从水斜射入空气时，折射角大于入射角。 5．当光垂直入射时，光不发生折射。 【实验结论】光的折射规律：当光从一种介质斜射入另一种介质时，折射光线、入射光线和法线在同一平面内；折射光线和入射光线分别位于法线两侧；入射角增大（或减小）时，折射角也随之增大（或减小）。光垂直于介质表面入射时，折射角等于零。 当光从空气斜射入水（或玻璃）中时，折射光线偏向法线方向，即折射角小于入射角；当光从水（或玻璃）斜射入空气中时，折射光线偏离法线方向，即折射角大于入射角。 【注意事项】 1．白纸板的作用：由于白纸表面粗糙，光沿纸板传播时，有部分光被反射到各个方向，从而显示光路。 2．让光从某次折射光线径迹逆着折射光线的方向射到纸板中心点，它被折射后逆着原来的入射光的方向射出。这表明，在折射现象中，光路是可逆的。 三、光的折射现象及解释 1．水中的鱼的位置看起来比实际位置高一些（鱼实际在看到位置的下方）； 2．池水看起来比实际的浅一些； 3．透过厚玻璃看钢笔，笔杆好像错位了； 4．水中的人看岸上的景物的位置比实际位置高些； 5．斜放在水中的筷子好像向上弯折了； 6．海市蜃楼：在学习光的直线传播的时候，我们知道光在非均匀介质中传播方向会发生变化，实质上就是光发生了折射，而由于温度的影响，空气的分布不均匀（特别是沙漠地区），所以光发生了折射，于是我们看到了远处物体的像。 7．当太阳光进入大气层后，由于大气不均匀，会向下弯曲，人们看到太阳的位置比实际太阳的位置要高，因此人们看到的日出比实际要提前一些。 由以上现象的光路图可知，光的折射形成的像是物体正立的虚像。 四，光的折射作图 已知人眼位置、空气和水的分界面、物体（点A）、像（点A’），作出人从空气中看到水中物体的光路图。 1．作图规则： 光线画实线，辅助连接线、光线的反向延长线画虚线，有垂直关系的线段交叉点要画出直角符号。 2．作图思路： ①由像在折射光线的反向延长线上及折射光线进入眼睛，可确定折射光线的方向； ②由折射光线与分界面可以确定入射点； ③由入射点和物体可确定入射光线； ④由人看到物体可确定光线的方向。 3．作图步骤： （1）像点在折射光线的反向延长线上，所以用虚线连接人眼和像点A’，与分界面相较于点O，O点即为入射点。 （2）用实线连线物点A与O点，人眼与O点，即为入射光线和折射光线 （3）人看到物体是光线进入人眼，画出光线的方向。 【易错点】 1．光的色散现象也属于光的折射现象。 2．在画光路图时，注意光线的方向，如果是人看到物体，光线方向是进入人眼的方向。如果是物体发出光线，光线方向是远离物体的。 3．在作图时，如果没有用到法线，就不要画出法线。 4．如图所示，在作光线穿过玻璃砖的光路时，根据光路可逆可知，入射光线AO和最终出射光线O’B是平行的。 5．如图所示，当光线从空气进入球形（弧形）表面时，如果光线的方向指向球心（圆心），相当于光线垂直于球面（弧面），那么光线不发生折射；根据光路可逆可知，当光线从球形（弧形）物体内部射出时，如果入射光线经过球心（圆心），那么光线也不发生折射。 透镜 【知识梳理】 一、透镜 由透明物质制成，至少有一个表面是球面的一部分，对光起折射作用的光学元件。 中间厚、边缘薄的透镜叫做凸透镜；中间薄、边缘厚的透镜叫做凹透镜。 凸透镜 凹透镜 二、透镜对光的作用 1．凸透镜相当于多个棱镜的组合，凸透镜对光线有会聚作用，所以凸透镜又称为会聚透镜。 2．凹透镜相当于多个棱镜的组合，凹透镜对光线有发散作用，所以凹透镜又称为发散透镜。 三、有关透镜的基本概念 1．光心：透镜的中心，用“O”表示。 2．主光轴：通过光心且垂直于透镜表面的直线（主光轴是通过球心的直线C1C2），用点划线“”表示。 3．焦点：凸透镜能使平行于主光轴的光会聚于一点，这个点叫作凸透镜的焦点，用“F”表示。凸透镜两侧均有焦点，且关于光心对称。 4．虚焦点：跟主光轴平行的光线经凹透镜后变得发散，发散光线的反向延长线相交在主光轴上一点，这一点不是实际光线的会聚点，所以叫虚焦点，用“F”表示。凹透镜两侧均有虚焦点，且关于光心对称。 5．焦距：焦点到光心的距离，用“f ”表示。凸透镜的焦距的大小表示其会聚能力的强弱，越小，对光的会聚能力越强；凹透镜焦距的大小表示其发散能力的强弱，越小，对光的发散能力越强。 四、透镜的特殊光线 1．凸透镜的特殊光线 （1）平行于主光轴的光线经过凸透镜折射后会经过焦点。 （2）根据光的折射现象中光路可逆可知，通过凸透镜焦点的光线经凸透镜折射后平行于主光轴。 （3）经过光心的光线经过凸透镜后传播方向不变。 2．凹透镜的特殊光线 （1）平行于主光轴的光线经过凹透镜折射后，折射光线的反向延长线会经过虚焦点。 （2）根据光的折射现象中光路可逆可知，射向凹透镜的光线如果其延长线通过虚焦点，则经凹透镜折射后平行于主光轴。 （3）经过光心的光线经过凹透镜后传播方向不变。 【易错点】 1．凸透镜对光线具有会聚作用，但并不是说通过凸透镜后的光束一定会聚在一点，或一定是一束会聚光束，因为会聚是相对于不发生折射时的光线来说的。也就是说，不经过光心的光线经过凸透镜后会向靠近主光轴的方向偏折。 发散光线经凸透镜后仍为发散光线，但发散程度会降低 2．凹透镜对光线具有发散作用，但并不是说通过凹透镜后的光束一定是发散的，或延长不相交，因为发散是相对于不发生折射时的光线来说的。也就是说，不经过光心的光线经过凹透镜后会向远离主光轴的方向偏折。 会聚光线经凹透镜后仍为会聚光线，但会聚程度会降低 【规律总结】 1．凡是透光性能优良的材料都能磨制成透镜，如冰、水晶、金刚石、高分子透明树脂、有机玻璃等。 2．透镜是一种模型，常见的物体如近视镜、远视镜、放大镜，甚至一滴水都可以看做是一个透镜。 3．透镜和面镜的对比 种类 示意图 原理 对光线的作用 凸透镜 光的折射，光穿过凸透镜向靠近主光轴的方向偏折。 会聚 凸面镜 光的反射，光不能穿过凸面镜，通过凸面镜可以观察到更大的范围。 发散 凹透镜 光的折射，光穿过凹透镜向远离主光轴的方向偏折。 发散 凹面镜 光的反射，光不能穿过凹面镜，可以把平行光会聚到一点上。 会聚 4．太阳光是平行光，当把透镜正对太阳，光屏（白纸）与凸透镜平行的置于透镜之后时，会有以下几种光斑 （1）凸透镜的光斑 ①当光屏与凸透镜之间的距离等于焦距时，有最小最亮的光斑，光斑周围由于到达的光线较少，形成了一圈暗影。 ②当光屏与凸透镜之间的距离小于焦距时，有非最小的，较亮的光斑，光斑周围也有一圈暗影。此时，光斑随光屏与凸透镜之间的距离增大而减小。 ③当光屏与凸透镜之间的距离大于焦距时，也有非最小的，较亮的光斑，光斑周围也有一圈暗影。此时，光斑随光屏与凸透镜之间的距离增大而增大。 （2）凹透镜的光斑 当光屏置于凹透镜后时，有较亮的环形光斑，环形中间区域由于到达的光线较少，形成暗影。光斑随光屏与凹透镜之间的距离增大而增大。 凸透镜成像规律 【知识梳理】 一、实验：探究凸透镜的成像规律 【实验目的】探究凸透镜的成像规律 【实验器材】标有长度的光具座，f＝10 cm（最好在10～20 cm之间）的凸透镜一个，蜡烛一支，用白色硬纸制成的光屏一个等。 【实验步骤】 1．将蜡烛、凸透镜、光屏依次安装在光具座上，点燃蜡烛，调整光屏和凸透镜的高度，使烛焰、凸透镜、光屏三者的中心在同一高度。 2．把蜡烛放在远处，使物距u>2f，调整光屏到凸透镜的距离，直到烛焰在屏上成清晰的像。 3．调节蜡烛位置，使物距u=2f，调整光屏到凸透镜的距离，直到烛焰在屏上成清晰的像。 4．调节蜡烛位置，使物距f <u<2f，调整光屏到凸透镜的距离，直到烛焰在屏上成清晰的像。 5．调节蜡烛位置，使物距u=f，发现无论怎样调节光屏的位置，都无法在光屏上看到像。 6．调节蜡烛位置，使物距u<f，发现无论怎样调节光屏的位置，都无法在光屏上看到像。 去掉光屏，从光屏这一侧向凸透镜望去，可以看到放大的蜡烛和烛焰。 【实验记录】（数据仅供参考） f=10.0cm 实验序号 物距（u） cm 像距（v） cm 像的性质 正倒 大小 是否被光屏承接 1 50.0 12.5 倒立 缩小 是 2 20.0 20.0 倒立 等大 是 3 15.0 30.0 倒立 放大 是 4 10.0 / 不成像 5 5.0 / 正立 放大 否 【实验分析】 1．当u>2f时，在光屏上可以看到倒立缩小的烛焰的像，此像为实像。 2．当u=2f时，在光屏上可以看到倒立等大的烛焰的像，此像为实像。 3．当2f>u>f时，在光屏上可以看到倒立放大的烛焰的像，此像为实像。 4．当u=f时，在光屏上不能看到烛焰的像。 5．当u<f时，在光屏上不能看到烛焰的像，但从光屏一侧向透镜看，可以在凸透镜中看到烛焰正立放大的像，此像为虚像。 【实验结论】凸透镜的成像规律（静态） 实验序号 物距（u） cm 像距（v） cm 像的性质 正倒 大小 虚实 1 u > 2f 2f > v > f 倒立 缩小 实 2 u = 2f v = 2f 倒立 等大 实 3 2f > u > f v > 2f 倒立 放大 实 4 u = f / 不成像 5 u < f / 正立 放大 虚 【注意事项】 1．光具座的长度要大于凸透镜焦距的4倍、否则无法完成实验。 2．可以用发光二极管代替蜡烛，这样成像稳定且容易比较像与物的大小关系。 3．调整光屏和凸透镜的高度，使蜡烛、凸透镜、光屏三者的中心在同一高度的目的是使像成在光屛的中央。 4．若在实验时，无论怎样移动光屏，在光屏都得不到像，可能的原因有： （1）烛焰在焦点以内； （2）烛焰在焦点上； （3）烛焰、凸透镜、光屏的中心不在同一高度； （4）蜡烛到凸透镜的距离稍大于焦距，成像在很远的地方，光屏无法移到该位置。 二、凸透镜成像的原理 在学习小孔成像、光的反射时，我们已经知道实像是实际光线会聚而成的，虚像是射入人眼的光线的反向延长线相交而成的。因此，我们可以利用凸透镜的特殊光线，可以确定折射光线的交点（实像点）或者折射光线反向延长线的交点（虚像点），我们选择物体端点发出的光线来确定像的端点的位置，从而确定像的位置。 说明：以下图中AB为物体，A’B’为凸透镜成的像，2f点为到光心距离为2倍焦距的点。 1．u > 2f，2f > v > f，成倒立缩小的实像，是照相机、摄像头的工作原理。 2．u = 2f，v = 2f，成倒立等大的实像，可以用来确定焦距。 3．2f > u > f，v > 2f，成倒立放大的实像，是投影仪、幻灯机的工作原理。 4．u = f，折射光线平行，不成像，可以用来从点光源获得平行光。 5．u < f，折射光线反向相交，成正立放大的虚像，是放大镜的工作原理。 三、透镜的两种应用 1．投影仪 （1）投影仪原理 投影仪是利用凸透镜能成放大实像的原理制成的。它下面的盒是聚光器，盒中光源发出的光线均匀地照射在置于盒面上的透明投影片上。盒面上方有一成像凸透镜，将投影片发出的光线折射后，经上方与水平面成45°角的平面镜改变光路后，成像在前面的屏幕上。 （2）投影仪的调节 由凸透镜成实像时遵循物近像远像变大，物远像近像变小的规律可知，当需要使成像变大时，应增大投影仪与屏幕的距离，减小成像凸透镜与投影片的距离；反之，当需要使成像变小时，应减小投影仪与屏幕的距离，增大成像凸透镜与投影片的距离。 2．放大镜 （1）放大镜的原理 放大镜是利用凸透镜能成放大虚像的原理制成的。 （2）放大镜的调节 由凸透镜成虚像时遵循物近像近像变小，物远像远像变大的规律可知，当需要使成像变大时，应增大放大镜与物体的距离；反之，当需要使成像变小时，应减小放大镜与物体的距离。 【易错点】 1．凸透镜成的实像，不仅上下颠倒，而且左右也颠倒；凸透镜成的虚像，上下左右都不颠倒。 2．用纸遮住凸透镜一部分(或凸透镜缺一小块)，光屏上仍会成完整的像点，但像会变暗一些。如下图所示，物体A点发出的若干条光线在A’点会聚形成像。 现用纸板遮住上半部分，如下图所示，A点发出的多条光线仍可在A’点会聚形成像点，但因为会聚的光线变少，所以像的亮度会降低。 同理，现用纸板遮住下半部分，如下图所示，A点发出的多条光线仍可在A’点会聚形成像点，但因为会聚的光线变少，所以像的亮度会降低。 3．凸透镜成的实像不仅可以用光屏承接，用眼睛直接观察也可以看得到。 4．从侧面透过装水的圆柱形玻璃杯看物体，只有水平方向物体的大小、正倒会发生变化，竖直方向的大小、正倒不发生变化。因为玻璃杯只左右方向中间厚，两边薄相当于凸透镜，上下方向无厚度变化，相当于厚玻璃。 铅笔离水杯很近时，成正立放大的虚像 铅笔离水杯较远时，成倒立放大的实像 铅笔离水杯更远时，成倒立缩小的实像， 【规律总结】 一、对凸透镜成像规律的进一步认识 1．成实像时，除u = v = 2f外，物距和像距不会在同一个范围内，当u > 2f时，2f > v > f；当2f > u > f，v > 2f。口诀：成实像时，物近像远像变大，物远像近像变小。 2．物距比像距大，物比像大；像距比物距大，像比物大；物距和像距一样大，物和像一样大。 3．u = f是成实像和虚像的分界点，u = 2f 是像放大和缩小的分界点。口诀：一倍焦距分虚实，二倍焦距分大小。 4．相对于凸透镜，实像和物体在两侧，虚像和物体在同侧。 5．由u = v = 2f可知，经过凸透镜一侧2f点的光线经过凸透镜后会经过另一侧2f点。 二、利用凸透镜成像规律，根据物距、像距判断焦距的范围 已知物距u和像距v，可以判断符合哪一条成像的规律，再把物距、像距值分别代入规律中的范围，联合求解，即可确定焦距范围。如下图，在光屛上已呈现清晰的烛焰的像（未画出），那么： 1．由u =30cm，v= 45cm，可以判断此时在光屛上成倒立、放大的实像； 2．根据成放大实像的条件，f < u < 2f，将u = 30cm带入得：f < 30 < 2f ① 3．此时像距范围v > 2f，将v = 45cm带入得：45cm > 2f ② 4．联合求解①②不等式组，可得焦距范围：15cm < f < 22.5cm。 照相机 眼球及视力矫正 【知识梳理】 一、照相机 1．照相机的成像原理 照相机是利用凸透镜能成缩小实像的原理制成的。它的镜头相当于一个凸透镜，来自物体的光通过镜头在胶片（感光元件）上成倒立、缩小的实像。 2．照相机镜头的调节 受照相机外形的限制，照相机胶片（感光元件）的位置不可调节，镜头的焦距也不可调节，为了使远、近的物体都能成像到胶片上，只能通过调节镜头到胶片的距离（像距）来实现。 由凸透镜成实像时遵循物近像远像变大的规律可知，当物体靠近照相机镜头时，物距缩小，需增大像距，但镜头位置可调节，故只能将镜头适当伸出，增大胶片（感光元件）到镜头的距离，此时像变大。反之，当物体远离照相机镜头时，应将镜头适当收缩，此时像缩小。 二、眼球 1．眼球的结构 角膜：主要起到屏障作用,保护眼球内的内容物,以及对光线具有折射的作用 瞳孔：人眼睛内虹膜中心的小圆孔，为光线进入眼睛的通道。 虹膜：用来调节瞳孔大小，控制进入眼睛光线的多少。 晶状体：透过光线并产生折射作用。 睫状肌：改变晶状体的形状，从而可以改变进入眼睛光线的折射方向。 玻璃体：玻璃体是一种透明的胶状物，它充满于眼球的内部 视网膜：上面分布着许多对光很敏感的视觉细胞，有感受光刺激的作用。 视觉神经：把视网膜上的视觉细胞获取的光线信息传入大脑。 巩膜：眼球的一层坚韧的保护外壳。 2．眼球的成像原理 眼球与照相机的成像原理类似，也是利用凸透镜能成缩小实像的原理成像的。光线经角膜和晶状体的折射，在视网膜上成像，通过视觉神经将信息传入大脑，于是人们就能看到物体了。 3．眼球的调节 受眼球结构的限制，晶状体与视网膜之间的距离不可调节，为了使远、近的物体都能成像到视网膜上，只能通过调节晶状体和角膜的形状来实现。 由凸透镜成实像时遵循物近像远像变大，物远像近像变小的规律可知，当看远处的物体时，像距很小，成像在了视网膜的前方，为了使像成在视网膜上，需要睫状肌放松，使晶状体变薄，减弱光的偏折能力，使像向远离晶状体的方向移动直至视网膜上；当看近处的物体时，像距变大，这是成像在视网膜的后方，为了使像成在视网膜上，需要睫状肌收缩，使晶状体变厚，增强光的偏折能力，使像向靠近晶状体的方向移动直至视网膜上。 4．视力的缺陷与矫正 （1）近视眼看不清远处的物体，是因为晶状体的弯曲度经调节后，物体的像仍落在视网膜的前方，利用凹透镜能使光发散的特点，在眼球前面放一个合适的凹透镜，就能使像向后移到视网膜上。因此，近视镜是凹透镜。 （2）远视眼（老花眼）看不清近处的物体，是因为晶状体的弯曲度经调节后，物体的像仍落在视网膜的后面，利用凸透镜能使光会聚的特点，在眼球前面放一个合适的凸透镜，就能使像向前移到视网膜上。因此，远视镜（老花镜）是凸透镜。 【易错点】 1．照相机可调节的是物距和焦距，焦距不可调节。 2．眼睛可调节的是透镜焦距和物距，像距不可调节。 【规律总结】 几种透镜应用的对比 照相机 投影仪 放大镜 原理 凸透镜成像(光的折射) u＞2f f＜u＜2f u＜f 像的性质 倒立、缩小的实像 倒立、放大的实像 正立、放大的虚像 透镜不动时的调节 使像 变大 物体靠近相机，镜头伸出 物体靠近镜头，投影仪远离屏幕 物体稍微远离透镜，适当调整眼睛位置 使像 变小 物体远离相机，镜头收缩 物体远离镜头，投影仪靠近屏幕 物体稍微靠近透镜，适当调整眼睛位置 物体不动时的调节 使像 变大 相机靠近物体，镜头伸出 镜头靠近物体（位置降低），投影仪远离屏幕 透镜稍远离物体，适当调整眼睛位置 使像 变小 相机远离物体，镜头收缩 镜头远离物体（位置提高），投影仪靠近屏幕 透镜稍靠近物体，适当调整眼睛位置 其他内容 镜头相当于一个凸透镜。 像越小，像中包含的内容越多。 镜头相当于一个凸透镜。 投影片要上下左右颠倒放置。 平面镜的作用：改变光的传播方向，使得射向天花板的光能够在屏幕上成像。 2 学科网（北京）股份有限公司 $$