跨学科实践：自制天文望远镜（培优教学课件）物理新教材苏科版八年级上册

该初中物理课件围绕“光的折射 透镜”中望远镜的构造、成像原理及视角放大展开，通过播放伽利略式望远镜视频导入，以“自制天文望远镜”任务为支架，衔接光的折射与透镜成像知识，引导学生从原理探究到实践操作。 其亮点在于以科学探究为主线，完整经历“提出问题—设计制作—调试观察”流程，结合中国探月工程史料渗透科学态度与责任，通过小组合作、废旧材料利用培养实践能力。学生能深化物理观念，教师可提升教学互动性与学科融合效果。

苏科版八年级上册 第三章 光的折射 透镜 远在古代，人类就渴望认识神秘的宇宙。 他们崇拜眼睛，想象把自己的眼睛延长…… 透镜使人类的夙愿成为现实。 眼镜，矫正人的视力； 显微镜、望远镜，延展人类的视觉空间； 照相机，捕捉美好瞬间。 ………… 这些形形色色的仪器，乃至我们的眼睛，都与透镜成像有关。 透镜为什么会成像？ 透镜成像有什么特点？ 苏科版八年级上册 导入新课 仰望星空，我们不禁浮想联翩。天文望远镜的发明和应用为人类揭开宇宙的神秘面纱提供了可能。利用我们所学的知识，设计并制作一架简易的天文望远镜，观察月球或木星、土星等， 相信一定会非常有趣！ 跨学科实践：自制天文望远镜 播放视频 学习目标 物理观念 了解望远镜的物镜、目镜组成及成像原理，理解“放大视角”原理；通过裸眼与自制望远镜观察月球，了解其升落及月相变化。 科学思维 建立望远镜成像的物理模型，用光路图表示物镜、目镜的成像过程，区分二者成像。解释“望远镜‘放大’的是视角而非物体本身”的原理，归纳透镜组合设计思路。 科学探究 经历“提出问题→设计方案→实验操作→收集证据→分析论证→交流评估”的完整探究流程。能利用生活材料替代专业透镜，设计可调焦距支架，改进装置稳定性，并尝试调节观察天体。 科学态度 与责任 结合天文知识，了解望远镜发展史，体会科学工具对人类探索宇宙的推动作用；通过小组协作完成制作，培养分工与沟通能力；倡导利用废旧材料，树立节约资源、环保实践的意识；了解中国探月工程，增强民族自豪感。 重点难点 重点 1．望远镜的基本构造与工作原理：物镜和目镜的作用及焦距关系。 2．通过实践理解“u>2f时物镜成缩小实像”“u<f时目镜成放大虚像”的具体过程。 难点 1．了解望远镜观测远物增大视角的原理，纠正认知误区。 2．透镜共轴调节、观察天体时成像的精确调节。 学习内容 1. 自制天文望远镜 2. 用天文望远镜观察月球 3. 了解中国探月工程 4. 交流与评估 探究新知 一、自制天文望远镜 1．天文望远镜成像原理 （一）理论基础和设计思路 （1）物镜相当于照相机的镜头，焦距较长，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，焦距较短，成正立、放大的虚像。两次成像，先缩小，后放大。 物镜：成倒立、缩小的实像 目镜：成正立、放大的虚像 极远处物体射来的光 物镜 目镜 F物 F物 【注意】第二次成放大的虚像，是相对于第一次的缩小实像有所放大了，实际上最终所成像的大小还是远远小于物体的大小的。 探究新知 一、自制天文望远镜 1．天文望远镜成像原理 （一）理论基础和设计思路 （2）视角是指从物体两端向眼的光心引出的两条光线的夹角。如图所示，当远处的物体移近时，视角增大，因此能更清楚地看到物体。 望远镜物镜和目镜两次成像，所成的像比远处物体要小，但由于目镜成的像比远处物体要近得多，所以视角增大，可以看得更清楚。 探究新知 一、自制天文望远镜 2．天文望远镜的设计思路 （一）理论基础和设计思路 取两个焦距不同的凸透镜，以焦距较大的为物镜、焦距较小的为目镜。通过两个凸透镜观察较远的物体，同时试着调节透镜之间的距离，直到看清楚为止，如图所示。你看到的像有什么特点？ 播放视频 探究新知 一、自制天文望远镜 （一）理论基础和设计思路 两个刚好可以套在一起的圆筒，分别把物镜和目镜固定在两个圆筒的一端，如图所示。再利用光的直线传播原理，制作一个辅助寻找待观测星球的寻星装置，装在望远镜套筒上，如图所示。将望远镜固定在三脚架上。观察时，首先通过寻星装置找到目标星球，再通过望远镜进行观察。 2．天文望远镜的设计思路 探究新知 一、自制天文望远镜 【例题1】如图所示用两只焦距不同的放大镜一前一后放在眼前观察远处的物体，下列说法中正确的是（ ） A. 两只放大镜对物体进行了两次放大 B．两只放大镜组合在一起相当于一台显微镜 C．两只放大镜组合在一起相当于一架望远镜 D．将两只放大镜的位置对换后，观察同一物体的大小是相同的 【详解】因为是看远处的物体，所以相当于望远镜，前面的透镜成倒立、缩小的实像，相当于照相机；后面的透镜成正立、放大的虚像，相当于放大镜。所以AB错误； 将两只放大镜的位置对换后，观察同一物体的大小是不同的：一次是放大的（焦距小的靠近眼睛作为目镜），一次是缩小的（焦距大的靠近眼睛作为目镜），所以D错误。 故选C。 D 探究新知 一、自制天文望远镜 （二）设计简易望远镜 步骤1．确定望远镜的放大倍率 望远镜的放大倍率= ； f物 是物镜的焦距，f目 是目镜的焦距。 【注意】如果望远镜放大倍率太大，看远处物体时，成像清晰度差，视野晃得厉害，不容易找准观察目标；为了让成像质量好一些，其放大倍率不宜过大，可取放大倍率为3~10倍。 探究新知 一、自制天文望远镜 望远镜的目镜和物镜可以选择放大镜的镜片，也可以使用老花镜的镜片。利用所学知识测出凸透镜的焦距，并根据放大倍率的要求，选择合适的凸透镜分别作为目镜和物镜。 步骤2．选择物镜和目镜 （二）设计简易望远镜 【注意】建议物镜选焦距20cm~50cm，直径4cm~5cm的凸透镜；目镜选焦距3cm~10cm，直径3cm~4cm的凸透镜；物镜焦距要比目镜焦距长，物镜的直径也要稍微大一些，直径大的物镜可以收集更多的光，有助于提高成像分辨率。 探究新知 一、自制天文望远镜 （二）设计简易望远镜 步骤3．设计镜筒 镜筒可以设计成两段，让物镜的镜筒比目镜的镜筒粗一些，使目镜的镜筒刚好能套进物镜的镜筒，方便调节目镜和物镜之间的距离。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：L ≈ f物 + f目；观察较近处的物体时，两块凸透镜间的距离要稍大一些。 一、自制天文望远镜 探究新知 （二）设计简易望远镜 步骤4．小组分工 小组成员分工合作，根据自身特长，安排好分工任务。有同学搭档组装物镜，有同学组装目镜，有同学调试镜片间距；全员一起测试成像效果，调整细节并整理制作报告。 【注意】选用合格的透镜材料，避免使用劣质镜片影响观测效果。操作中要注意工具使用安全，切割、组装时需佩戴手套等防护用具，防止受伤。组装完成后要仔细调试镜片间距，确保成像清晰，同时避免直视太阳等强光光源，保护眼睛。 探究新知 一、自制天文望远镜 【实验材料】两个焦距不同的凸透镜，以焦距较大的为物镜、焦距较小的为目镜；稍微硬点的PVC水管或卫生纸卷筒；胶水；胶布；剪刀等。 1．制作天文望远镜 （三）制作及调试望远镜 【制作步骤】（1）制作与安装物镜 用胶带把物镜镜片粘接在卷筒的前端，裁切的镜筒长度不能超过两透镜焦距之和。 探究新知 一、自制天文望远镜 1．制作天文望远镜 （三）制作及调试望远镜 【制作步骤】（2）制作与安装目镜 裁剪长宽合适的纸板，然后把目镜镜片卷在纸板当中，用透明胶把纸板外围全部缠绕；或者用直径稍小于物镜镜筒的薯片筒等圆筒固定好目镜。 （3）组装与调试 裁将装有目镜的圆筒插入物镜的圆筒中，注意镜片朝外。 播放视频 探究新知 一、自制天文望远镜 1．制作天文望远镜 （三）制作及调试望远镜 【制作步骤】（4）观察与调整 用组装好的望远镜观察远处的物体，并根据使用时出现的问题，及时作出调整与改进。 探究新知 【例题2】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        、       （分别填写“倒立”“正立”与“放大”“等大”“缩小”）的实 像，这个实像经过目镜成一个正立       像（选填“虚”或“实” ）。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。 【详解】[1][2][3][4]望远镜中物镜的作用是使远处的物体成倒立、缩小的实像，这个倒立、缩小的实像正好落在目镜焦距内的位置，目镜的作用相当于一个放大镜，这个实像经过目镜成一个正立、放大的虚像。因远视眼的镜片是凸透镜，所以想制作简易天文望远镜，没有现成的透镜，可以选用合适的远视镜片来代替。 二、用天文望远镜观察月球 缩小 虚 远视 倒立 探究新知 二、用天文望远镜观察月球 1．制作天文望远镜 （三）制作及调试望远镜 【制作步骤】（5）制作简易寻星装置 将望远镜固定在三脚架上，观察时，首先通过寻星装置找到目标星球，再通过望远镜进行观察。简易寻星装置利用了光的直线传播的原理。 物镜 套筒 目镜 探究新知 二、用天文望远镜观察月球 1. 直接用裸眼观察月球 选择周围没有灯光干扰的环境，可以在多个夜晚的多个时段进行观察，了解月球上升和下落，以及月相的变化情况。 月相的变化 探究新知 二、用天文望远镜观察月球 2. 用自制的天文望远镜观察月球和其他星球 以观察月球为例，调节天文望远镜直至通过它能清晰地看到月球表面的细节。多时段连续观察并描述月相。用自制的天文望远镜观察月球的重点在于发现肉眼看不清楚的细节之处。 月球 嫦娥二号探测的世界上最清晰的月球影像 播放视频 探究新知 【例题3】“超级月亮”比正常时的月亮要大百分之二十，亮度也有所增加，某天文爱好者为了研究这一现象，于是架设一台开普勒望远镜做进一步观察。关于该望远镜，下列说法正确的是（　 　） A．它的物镜和目镜都是凹透镜 B．它的物镜相当于投影仪，用来把物体放大 C．物镜的作用是使远处的物体在焦点附近成虚像 D．它由两个透镜组成，靠近眼睛的为目镜，靠近被观测物体的为物镜 【详解】A．望远镜的物镜和目镜都是凸透镜，故A错误； B．望远镜的物镜相当于照相机的镜头，使远处的物体成一个倒立缩小的实像，故B错误； C．望远镜的物镜的作用是使得无限远处的物体在焦点附近成一个倒立缩小的实像，目镜再把这个像放大，故C错误； D．望远镜由两组凸透镜组成，靠近眼镜的为目镜，靠近被观测物体的为物镜，故D正确。 D 二、用天文望远镜观察月球 探究新知 三、了解中国探月工程 3. 中国探月工程 2007年发射探月卫星嫦娥一号，对月球表面环境、地貌、地形、地质构造与物理场进行探测。 2010年10月1日18时59分57秒嫦娥二号顺利发射，也已圆满并超额完成各项既定任务。 2012年9月19日，探月工程已经完成嫦娥三号卫星和玉兔号月球车的月面勘测任务。嫦娥四号是嫦娥三号的备份星。 2020年11月24日4时30分，中国在中国文昌航天发射场，用长征五号遥五运载火箭成功发射探月工程嫦娥五号探测器，开启中国首次地外天体采样返回之旅。2020年 12月1日，嫦娥五号探测器成功在月球正面预选着陆区着陆。 2024年6月25日，嫦娥六号返回器准确着陆于内蒙古四子王 旗预定区域，标志着探月工程嫦娥六号任务取得圆满成功，实现 世界首次月球背面采样返回。 播放视频 探究新知 三、了解中国探月工程 3. 中国探月工程 （一）近期计划（2025-2030年） 1. 嫦娥七号任务发射（预计2026年）：完成月球南极综合探测，获取地形、地质、水冰分布等科学数据，验证飞跃探测等新技术，为后续着陆选址和科研站建设奠定基础。设提供基础数据。 2. 嫦娥八号任务实施（预计2028年前后）：开展月面原位资源利用技术试验，验证3D打印建造、月壤提取水等关键技术，并开展多平台联合探测，完成国际月球科研站基本型主要平台部署。 3. 完成国际月球科研站基本型建设（2030年前）：汇聚国内外合作载荷与探测设备，初步建成具备无人探测、科学实验、技术验证能力的科研站基本型，持续开展科学研究与技术试验。 4. 完成载人登月核心技术攻关与产品研制：中国已明确提出2030年前实现首次登陆月球目标，载人登月工程已全面启动，预计在2030年前完成长征十号运载火箭、新一代载人飞船、月面着陆器、载人月面车等核心产品研制及发射前准备工作。 探究新知 三、了解中国探月工程 3. 中国探月工程 （二）中期计划（2030-2040年） 1. 实现中国人首次登陆月球（2030年前后）：完成载人登月任务，航天员开展月面科学考察、样品采集、技术试验等工作，带回月球样品，实现中国载人深空探测零的突破。 2. 拓展国际月球科研站建设：在基本型基础上增加科学实验舱、探测平台，拓展功能，吸引更多国际合作伙伴，具备短期有人照料、长期无人运行能力，开展大规模月球科学研究与应用试验。 3. 开展月球资源开发利用技术验证：进一步验证原位资源利用技术， 包括利用月壤生产氧气、燃料、建筑材料，实现资源就地利用，降低补 给成本，为长期驻留提供支撑。 4. 完成多次载人月球探测任务：通过多次载人登月任务，验证可重 复性技术，积累月面活动经验，完善载人探测技术体系，为建立长期月 球基地积累经验。 探究新知 三、了解中国探月工程 3. 中国探月工程 （三）远期计划（2040年以后） 1. 建成完善的月球基地：完成由多个舱段、探测设备、运输系统组成的月球基地建设，具备长期有人驻留能力，成为人类开展月球科学研究、深空探测中转、资源开发利用的综合基地。 2. 开展常态化月球探测与科学活动：实现人员和物资定期往返，开展大规模月球科学研究，包括月球起源与演化、深空天文观测、生命科学实验等，推动空间科学发展。 3. 探索月球资源开发利用的产业化路径：在技术验证基础上，逐 步探索资源开发利用可行性，开展相关应用试验，为人类和平利用月 球资源探索可行模式。 4. 推动月球探测向更远深空拓展：以月球基地为基础，推动深空 探测向火星、小行星等更远天体拓展，提升中国深空探测整体能力， 为人类探索宇宙做出更大贡献。 探究新知 1. 展示自制的天文望远镜，说明制作过程与关键步骤。 2. 撰写观察报告，介绍相关背景资料，观察记录的月球或其他星球的信息，以及基于观察提出的问题和进一步探究的设想等。 四、交流与评估 探究新知 3. 对自制望远镜结构设计的合理性、外观和工艺水平、观察效果等进行评价。同学之间进行讨论和交流，对望远镜的设计和制作提出改进意见。 4. 对观察报告的科学性、规范性和问题与探究的价值等进行评价。 四、交流与评估 等级 优秀 良好 合格 不合格 内容 结构牢固，镜筒调节顺畅，能观察到清晰的远景 结构牢固，镜筒调节不够顺畅，能观察到清晰的远景 结构比较牢固，镜筒调节不够顺畅，只能观察到模糊的远景 结构不够牢固，镜筒调节不顺畅，不能观察到远景 自制天文望远镜评价量表 探究新知 一、自制天文望远镜 【例题4】“如图甲所示是福建的天文爱好者颜明哲通过纯手工打磨镜片自制的望远镜，该望远镜不仅可以看到8亿公里外的木星，甚至能清晰地看到木星表面的斑纹，图乙是该望远镜内部结构及光路示意图。下列关于该自制望远镜的说法正确的是（　　） A．颜明哲通过纯手工磨制的镜片是凹透镜 B．看到8亿公里外的木星只利用了光沿直线传播 C．清晰看到木星表面的斑纹时物镜的成像原理与照相机相同 D．木星到物镜的距离 u 满足 f < u < 2f（ f 为物镜的焦距） 【详解】A．望远镜的物镜和目镜都是凸透镜，故A错误； B．光线通过望远镜的凸透镜，发生了折射，故B错误； CD．望远镜的目镜相当于放大镜，成正立的放大的虚像，物镜相当于照相机，木星到物镜的距离u满足u＞2f，成倒立缩小的实像，故C正确，D错误。 C 课堂小结 课堂练习 1．如图所示，望远镜的物镜的直径比我们眼睛的瞳孔大得多，这样做的目的是（ ） A．这样可以会聚更多的光，使得所成的像更明亮 B．这样可以扩大视角，使我们看到更广阔的宇宙 C．这样做既美观又有气势 D．这样做可以使物镜焦距更长，从而使人看得更远 【详解】不同长度的竹管内空气柱长短不同，吹奏时空气柱的振动频率不同，发出声音的音调不同，因此竹管参差不齐的目的是改变声音的音调，故选A。 A 课堂练习 2. 用普通望远镜观察远处的物体时，突然有一只小飞虫飞到了物镜上，则视野中（ ） A．出现了一只大飞虫 B．不会出现飞虫或黑点 C．出现了一个大黑点 D．出现了一只小飞虫 【详解】小飞虫在物镜上，距离目镜的距离小于一倍焦距，无法成实像，进入物镜的光线会减少，视野只会整体变暗，不会出现小飞虫的像或者黑点，因此B正确，ACD错误。 B 课堂练习 3. 如图是2023年9月29日夜空出现的“超级月亮”.下列对“超级月亮”的解释，你认为比较合理的是（ ） A．月亮本身变大了 B．月亮距离我们很近时，视角变大了 C．月亮距离我们很远时，视角变小了 D．月亮变大且距离我们很近 【详解】超级月亮是月亮运行到近地点附近时发生的满月，此时月亮距离地球比平时更近，我们看到的月亮视角更大，看起来更大更亮，月亮本身大小并没有发生变化，因此B正确，ACD错误。 B 课堂练习 4. 如图是简易天文望远镜的内部结构，远处的物体经过物镜成一个倒立、缩小的实像，落在目镜 __________倍焦距以内的位置；这个实像经过目镜成一个正立、__________的虚像.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． 【详解】首先，简易天文望远镜的物镜成像原理和照相机相同，远处的物体经过物镜，会在焦点附近成一个倒立、缩小的实像，这个实像需要落在目镜的一倍焦距以内，才能被目镜放大；而目镜的成像原理和放大镜相同，会对这个实像成正立、放大的虚像。我们制作望远镜时需要用到凸透镜，近视镜片是凹透镜，远视也就是老花镜片是凸透镜，因此可以选用合适的远视镜片来代替。 放大 远视 一 课堂练习 5．小明用两个凸透镜自制了一个望远镜，其中物镜的焦距约为20 cm，直径约为5 cm，目镜的焦距约为10 cm，直径约为4 cm，则他制作的望远镜放大倍率为__________倍；若他想增大望远镜的放大倍率，应重新选择一个焦距更大的__________（选填“目镜”或“物镜”）． 【详解】根据望远镜放大倍率公式，放大倍率等于物镜焦距除以目镜焦距，已知物镜焦距为20cm，目镜焦距为10cm，因此可得放大倍率为$\frac{20\mathrm{cm}}{10\mathrm{cm}}=2$倍；由公式可知放大倍率和物镜焦距成正比，和目镜焦距成反比，因此想要增大放大倍率，需要选择焦距更大的物镜，或者选择焦距更小的目镜，因此此处应填物镜。 2 物镜 课堂练习 5．小明用两个凸透镜自制了一个望远镜，其中物镜的焦距约为20 cm，直径约为5 cm，目镜的焦距约为10 cm，直径约为4 cm，则他制作的望远镜放大倍率为__________倍；若他想增大望远镜的放大倍率，应重新选择一个焦距更大的__________（选填“目镜”或“物镜”）． 【详解】根据望远镜放大倍率公式，放大倍率等于物镜焦距除以目镜焦距，已知物镜焦距为20cm，目镜焦距为10cm，因此可得放大倍率为$\frac{20\mathrm{cm}}{10\mathrm{cm}}=2$倍；由公式可知放大倍率和物镜焦距成正比，和目镜焦距成反比，因此想要增大放大倍率，需要选择焦距更大的物镜，或者选择焦距更小的目镜，因此此处应填物镜。 2 物镜 课堂练习 6．跨学科实践：制作望远镜。 小明用厚纸板、胶带、剪刀、凸透镜M（焦距10 cm，直径4 cm）、凸透镜N（焦距20 cm，直径5 cm）等材料制成了如图甲所示的望远镜。 （1）制作望远镜时，应选用凸透镜________（选填“M”或“N”）作为物镜，另一凸透镜作为目镜。 （2）该望远镜结构如图乙所示，通过所制望远镜观察远处物体时，物体经物镜折射后成倒立、_________的实像，该作用相当于一个___________（选填“照相机”“投影仪”或“放大镜”）。 （3）观察近处的物体时，两块凸透镜间的距离要___________（选填“增大”或“减小”）一些。 N 缩小 照相机 增大 【详解】（1）望远镜的物镜需要选用焦距更大的凸透镜，目镜选用焦距更小的凸透镜，题目中N焦距20cm大于M的10cm，因此选N作为物镜。 （2）使用望远镜时，物体在物镜的二倍焦距之外，因此成倒立、缩小的实像，这和照相机的成像特点一致，相当于照相机。 （3）当观察近处物体时，物距减小，像距会增大。为了使物镜所成的像仍然位于目镜的焦点以内，靠近焦点，需要增大两镜之间的距离。因此，两块凸透镜之间的距离要变大一些。 谢谢大家！ Lavf57.83.100 $