4.4 凸透镜成像（教学设计）物理新教材沪科版（五四学制）八年级上册

该初中物理教学设计聚焦“凸透镜成像”核心知识，通过水滴成像场景提问导入，引导学生观察近视与远视眼镜区分凸透镜和凹透镜，再经实验探究透镜对光的会聚与发散作用，最终通过光具座实验归纳成像规律，构建递进式学习支架。 资料亮点在于以科学探究为主线，设计“观察分类—实验验证—数据归纳”教学流程，结合5个配套视频辅助理解，通过冰透镜取火等生活实例渗透物理观念，培养学生模型建构与科学推理能力，既提升学生实验操作与分析能力，也为教师提供结构化教学资源与清晰实施路径。

第4节 凸透镜成像（教学设计） 年级 八年级 学科 物理 教师 课题 第4节 凸透镜成像 教学 目标 1. 了解凸透镜对光的会聚作用和凹透镜对光的发散作用。 2. 了解凸透镜成像的规律。 3. 经历探究凸透镜成像规律的活动，逐步学会提出问题、搜集证据、作出解释、交流反思的科学探究方法，感受交流与评价的重要作用。 教材 分析 本节的主要内容和行文逻辑是: 1. 通过节首图呈现的水滴成像场景，引出透镜成像特点的相关问题。 2. 通过对实例的分析，了解透镜，体会分类归纳的方法。 3. 经历观察透镜对光的作用活动，了解凸透镜对光的会聚作用和凹透镜对光的发散作用，体会“光线”模型的作用。 4. 通过探究凸透镜成像规律的实验过程，学会记录和分析数据、能归纳和表述实验结论。 学情分析 凸透镜成像性质随物距动态多变，正倒、大小、虚实的分界点和变化规律抽象，学生缺乏几何光路图绘制技能、虚像概念理解支撑，容易混淆不同区间的成像特点。对于物距、像距与焦距的不等式推导、动态成像的“物近像远像变大”规律应用，很容易出现逻辑推导偏差。 学生容易把“倒立”仅理解为上下颠倒，忽略左右也颠倒；混淆实像和虚像的承接条件，在焦距范围计算时容易出现不等式取值错误。 教学重点 1. 凸透镜和凹透镜对光的作用。2. 探究凸透镜成像的规律。 教学难点 凸透镜成像规律的动态分析。 教学 器材 不同形状的凸透镜和凹透镜，演示用光学器件组一套，老花镜、近视眼镜。光具座、光具座附件、蜡烛、火柴、焦距不同的凸透镜两个、光屏等。 课件。包含视频资料：①欣赏视频——《透镜》；②视频讲解——《透镜对光的作用》；③视频讲解——《透镜的焦点和焦距》；④视频演示——《探究凸透镜成像的规律》；⑤视频总结——《凸透镜成像规律》。 教学过程 导入新课 【提问】图中有一水滴挂在枝头。透过水滴，我们看到一朵黄瓜花，它是上下倒置且缩小的。能否透过水滴看到放大的黄瓜花？ 学习新课 一、透镜 1. 透镜 本环节主要是让学生通过外形区分凸透镜和凹透镜，教师可以准备不同形状的透镜，让学 生通过直接观察去分类，效果更好。 【学生活动】观察近视眼镜和远视眼镜的镜片有什么不同并回答。 （1）什么是凸透镜？ （2）什么是凹透镜？ 【师生归纳】 （1）透镜：把两侧表面都是球面的一部分或一侧表面是球面的一部分而另一侧表面是平面的透明体叫做透镜。厚度远小于球面半径的透镜叫做薄透镜。 透镜通常可以分为凸透镜和凹透镜，如图所示。 （2）凸透镜：中间比边缘厚的透镜叫做凸透镜。 （3）凹透镜：中间比边缘薄的透镜叫做凹透镜。 2. 透镜的主光轴和光心 【讲解】 （1）主光轴：通过透镜两个球面球心的直线C1C2叫做主光轴（简称主轴）。 （2）光心：主光轴上有一个特殊的点，通过这个点的光传播方向不发生改变，这个点叫作透镜的光心。薄透镜的光心可被视作透镜的中心。 学习新课 二、透镜对光的作用 【教师引入】 俗话说“冰火两重天”，但我国古代很早就掌握了用冰取火的巧妙方法。据公元前2世纪成书的《淮南万毕术》记载：“削冰令圆，举以向日，以艾承其影，则火生。” 如图所示，将冰做成凸透镜，然后对着太阳，使太阳光会聚为一个很小的光斑，放在光斑处的易燃物就会燃烧起来。看来凸透镜对光有会聚作用。凹透镜也能使光会聚吗? 下面我们通过实验研究这两种透镜对光的作用。 【学生活动】探究透镜对光的作用。 （1）拿出一张白纸，在纸上画出一条表示主光轴的虚线。在虚线两侧平行于主光轴的对称位置，任意画两条光线代表入射光。在光线前端放置一个凸透镜。学生用激光笔分别沿着两条光线照射凸透镜，用笔画出折射光的径迹，如图所示。然后移走凸透镜，换成凹透镜，再做一次实验。 （2）观察两束入射光分别通过凸透镜和凹透镜后的出射路径。组内同学讨论，并进行组间交流：凸透镜和凹透镜对光的作用各有什么特点？ （3）当入射光不再平行于主光轴，观察凸透镜和凹透镜对光的作用。 （4）改变入射光的位置，描出光路，展示、讨论、归纳总结，得出结论。 以上设计通过从特殊光线到一般光线的探究过程，引导学生总结出凸透镜和凹透镜对光的作用。 【师生总结】 1. 凸透镜对光有会聚作用 （1）凸透镜对光有会聚作用（也叫会聚透镜）。 （2）凸透镜的焦点和焦距 ①焦点：平行于主轴的光经凸透镜折射后，会聚于主轴上的一点，该点叫做凸透镜的焦点，用F表示。 ②焦距：焦点到凸透镜光心的距离叫做焦距，用f 表示。 ③凸透镜有两个焦点，并且关于光心对称。 ④凸透镜焦距的意义：焦距的长短反映了凸透镜会聚作用的强弱，焦距越短会聚作用越强，即光通过凸透镜后偏折得更明显。每个凸透镜的焦距是一定的。 ⑤焦点处光源发出的光经凸透镜后，平行于主轴射出。 如图所示，位于凸透镜焦点处光源发出的光经凸透镜折射后，平行于主轴射出。有些强光手电筒巧妙地运用了这一特点，将光源置于凸透镜的焦点处，光源发出的光经凸透镜折射后成为平行光束射出，这样就能在夜晚照亮前方较长的一段距离。 2. 凹透镜对光有发散作用 （1）凹透镜对光有发散作用（也叫发散透镜）。 （2）凹透镜的虚焦点和焦距 ①虚焦点：平行于主光轴的光线通过凹透镜后发散，发散光线的反向延长线交于主光轴上一点，它不是实际光线的会聚点，叫做虚焦点F。 ②焦距：虚焦点到透镜光心的距离叫做凹透镜的焦距，用f 表示。 ③凹透镜的两个虚焦点：凹透镜有两个虚焦点，关于光心对称。 ④凹透镜焦距的意义 凹透镜焦距 f 的大小表示其光发散能力的强弱，f 越小，对光的发散能力越强。 3. 理解凸透镜对光的会聚作用 【学生活动】思考：入射到凸透镜的光如果不是平行光，还能会聚吗？你能根据前面的探究实验理解凸透镜对光会聚的含义吗？引导学生通过作图的方法分析。 【师生归纳】 凸透镜使光会聚，是相对入射光而言的。如果入射光不是平行光，经凸透镜折射后的光线可能交于一点，也可能不交于一点（如图所示），但相对于入射光线都是会聚的。 甲 平行光束 乙 会聚光束 丙 发散光束 结论：凸透镜对光的会聚作用是指折射光比入射光更靠近主光轴。 4. 理解凹透镜对光的发散作用 【学生活动】思考：入射到凹透镜的光如果不是平行光，还能发散吗？你能根据前面的探究实验（3）理解凹透镜对光发散的含义吗？引导学生通过作图的方法分析。 【师生归纳】 凹透镜使光发散，是相对入射光而言的。如果入射光不是平行光，经凹透镜折射后的光线可能交于一点，也可能不交于一点（如图所示），但相对于入射光线都是发散的。 甲 平行光束 乙 发散光束 丙 会聚光束 结论：凹透镜对光的发散作用是指折射光比入射光更远离主光轴。 【例题1】一束跟主光轴平行的光通过凸透镜的光路如图所示。下列说法中正确的是（　A　） A．OF的距离越短，说明透镜的折光能力越强 B．任意一束平行光经过凸透镜后都会聚于F点 C．O点为该凸透镜的焦点 D．若把图中凸透镜的上半部分用手遮住，该透镜对光不具有会聚作用 【详解】A．凸透镜的焦点F到光心O的距离叫焦距，凸透镜的折光能力越强，焦点到光心的距离也就是焦距OF越短，故A正确； B．只有与凸透镜主光轴平行的光束经凸透镜折射后才会会聚于焦点，故B错误； C．O点是凸透镜的中心，叫光心，不是焦点，故C错误； D．把图中凸透镜的上半部分用手遮住，并不改变凸透镜的形状，不影响凸透镜的会聚光线的性质，只是穿过凸透镜的光线变少，故D错误。 故选A。 【例题2】夏天的中午，不宜往阳光下的花草上洒水。如果这时候洒水，待水蒸发后，原来叶片上附着水珠的地方，会出现枯黄色的烫伤斑点。下列分析正确的是（   A  ） A．水珠相当于凸透镜，对光有会聚作用 B．水珠相当于凸透镜，对光有发散作用 C．水珠相当于凹透镜，对光有会聚作用 D．水珠相当于凹透镜，对光有发散作用 【详解】夏天中午阳光下叶片上的水珠，形状为中间厚、边缘薄，相当于凸透镜；根据透镜的光学性质，凸透镜对光有会聚作用，太阳光经水珠会聚后，局部温度会大幅升高，因此会烫伤叶片，留下枯黄色烫伤斑点。故A正确，BCD错误。故选A。 学习新课 三、凸透镜成像规律 【师生引入】 放大镜是一个凸透镜，可以用它来研究凸透镜的成像情况。我们将物体到凸透镜的距离称为物距，用符号u表示，像到凸透镜的距离称为像距，用符号v表示。 如图所示，把放大镜置于书本上方，然后将放大镜渐渐远离书本，增大物距，看到的像先是正立、放大的，然后变成倒立、放大的，最后变成倒立、缩小的像。想一想：凸透镜成像有什么规律？ 1. 学生实验——探究凸透镜成像的规律 【提出问题】 我们看到随着放大镜与物体之间距离的改变，所成像的大小、正倒会发生变化。看来成像情况与物距密切相关。猜想它们之间的关系，并简述你的依据。 为探究凸透镜成像的规律，我们可以把物体放在距凸透镜较远的地方，然后逐渐移近，把每次观察到的物距以及像的虚实、大小、正倒等情况都记录在表格中，比较实验数据，看看像的虚实、大小、正倒与物距有什么关系，寻找其中的规律。 【搜集证据】 （1）器材：焦距已知的凸透镜、发光物、光屏、带刻度的光具座等。 （2）方案 ① 如图所示，把发光物、凸透镜和光屏放置在光具座上，将它们的中心位置调节到高度一致，保持凸透镜位置不变。 ② 把发光物放在距离凸透镜较远的位置，在光具座上慢慢移动光屏找像。如果能在光屏上找到像，即为实像，确定其最清晰的位置，记录物距、像距、像的正倒、大小等情况。 ③ 逐渐减小物距，重复上述实验操作，做好记录。 ④ 如果无法用光屏找到实像，尝试移除光屏，用眼睛透过凸透镜观察虚像。 （3）记录 凸透镜焦距f 为____cm，发光物高度h为____ cm，并将其他实验数据填入表中。 【作出解释】 （1）分析 如图所示，汇总使用焦距相同的凸透镜进行实验的相关数据，用数字1～6 标出物体在主轴上的位置，用1'～6'标出与之对应的像的位置。用带箭头的线段表示物体、像的大小与正倒情况，可以得到凸透镜成实像时的物、像关系。 某一焦距凸透镜的物、像关系 （2）实验结论：由上述实验可得： 当物距u>2f 时，凸透镜成一个倒立、缩小的实像； 当物距f< u< 2f 时，凸透镜成一个倒立、放大的实像； 当物距u<f 时，凸透镜成一个正立、放大的虚像。 2. 凸透镜成像规律 大量实验证明： 当u>2f 时，物体在凸透镜另一侧 f<v<2f 的范围内成一个倒立、缩小的实像。 当 u=2f时，物体在凸透镜另一侧v=2f 处成一个倒立、等大的实像。 当f< u< 2f 时，物体在凸透镜另一侧v>2f 范围内成一个倒立、放大的实像。 当u<f 时，在物体同侧成一个正立、放大的虚像。 物距u和焦距 f的关系 像的性质 像的位置 像距v和焦距f的关系 虚实 大小 正倒 与物同（异）侧 u > 2f 实像 缩小 倒立 异侧 2f >v >f u = 2f 实像 等大 倒立 异侧 v = 2f 2f >u >f 实像 放大 倒立 异侧 v>2f u =f 不成像  u <f 虚像 放大 正立 同侧 【例题3】在“探究凸透镜成像规律”的实验中，调节蜡烛和光屏的位置，使光屏上得到清晰的像，如图所示。下列说法正确的是（　D　） A．此时光屏上成倒立、缩小的实像 B．若将蜡烛向左移动，要想在光屏上再次得到清晰的像，光屏应向右移动 C．凸透镜的焦距可能为10cm D．将光屏和蜡烛位置对调，光屏上能得到清晰的缩小的像 【详解】A．由图可知，此时的物距小于像距，成倒立放大的实像，故A错误； B．根据凸透镜成实像时，物远像近像变小，将蜡烛向左移动，要想在光屏上再次得到清晰的像，光屏应向左移动，故B错误； C．由题图可知，物距小于像距，且成实像，说明2f＞u=30cm＞f，v=45cm＞2f，由此可得焦距的范围15cm<f<22.5cm ，故C错误； D．将光屏和蜡烛位置对调，根据光路可逆，物距大于像距，光屏上能得到倒立、缩小的清晰的实像，故D正确。故选D。 【例题4】小明利用焦距为10cm的凸透镜探究“凸透镜成像规律”，装置如图甲所示，请回答下列问题： （1）实验中将平面F型光源、凸透镜、光屏依次摆放在光具座上，调节它们的高度，让三者的中心在________。采用平面光源的好处是：方便测量物距和__________； （2）如图甲小明调整了光源和光屏的位置，在不透光的光屏上观察到清晰的像，则小明看到的像应是乙图的______（选填字母），日常生活中这次成像性质的应用是_________； （3）如图甲，保持凸透镜位置不变，将F形光源移动到光具座的45cm刻度处，然后移动光屏，则光屏上会________________。 A．得到倒立放大的像 B．得到倒立等大的像 C．得到倒立缩小的像 D．得不到像 【答案】（1）同一高度；像距；（2）B；照相机；（3）D 【详解】（1）为了使像成在光屏的中央，便于观察像的性质，实验时需要调节平面F型光源、凸透镜、光屏三者的中心在同一高度。 采用平面光源，其大小和形状规则，方便测量物距和像距。 （2）由图甲可知，物距u=50.0cm-20.0cm=30.0cm 凸透镜焦距f=10cm，则u>2f，根据凸透镜成像规律，当u>2f时，成倒立、缩小的实像，且倒立意味着上下左右都相反，所以小明看到的像应是乙图的B。 根据上述分析可知，日常生活中照相机就是利用这一成像性质工作的。 （3）当F形光源移动到光具座的45cm刻度处时，物距u'=50.0cm-45.0cm=5.0cm 此时u'<f，根据凸透镜成像规律，当u'<f时，成正立、放大的虚像，虚像不能呈现在光屏上，所以光屏上得不到像，故ABC错误，D正确。故选D。 课堂练习 1. 如图所示虚线方框内各放置一个透镜，发光点S发出的两束光通过透镜前后的方向如图所示，若甲、乙透镜的焦距分别为f甲、f乙，且S点距甲、乙两透镜的距离相等，下列说法正确的是（　　） A．甲为凹透镜，乙为凸透镜 B．甲为凸透镜，乙为凹透镜 C．f甲大于f乙 D．甲透镜的折光能力比乙透镜的强 【答案】C 【详解】AB．发光点S发出的两束光通过甲、乙透镜后折射光线变得会聚了，因此甲、乙都应是凸透镜，故AB错误； CD．凸透镜对光线的折射能力在于它的焦距的大小，焦距越小的折射能力越强，反之，折射能力越强焦距越小，由图可知，乙透镜的折射能力较强，所以乙透镜的焦距较小，即f甲大于f乙，故C正确，D错误。 故选C。 2．如图所示，甲乙两个凸透镜的焦距分别是10cm和15cm，与主光轴平行的光束分别射向甲、乙两个凸透镜，下列说法中正确的是（　　） A．甲、乙凸透镜对非平行光线也均有会聚作用 B．甲、乙凸透镜各有两个虚焦点 C．甲凸透镜焦点到光心的距离大于乙凸透镜焦点到光心的距离 D．乙凸透镜折光能力比甲凸透镜折光能力强 【答案】A 【详解】A．凸透镜又称会聚透镜，对光线有会聚作用。无论是平行光还是非平行光，经过凸透镜后都会发生会聚。故A正确； B．凸透镜的焦点是平行于主光轴的光线经透镜折射后实际会聚的点，因此是实焦点。凹透镜的焦点才是虚焦点。故B错误； C．焦点到光心的距离叫做焦距。甲乙两个凸透镜的焦距分别是10cm和15cm，因为10cm<15cm，所以甲凸透镜焦点到光心的距离小于乙凸透镜焦点到光心的距离。故C错误； D．凸透镜的焦距越短，对光线的会聚作用（折光能力）就越强。因为甲凸透镜的焦距小于乙凸透镜的焦距，所以甲凸透镜的折光能力比乙凸透镜强。故D错误。 故选A。 3. 2025年1月20日，第九届亚冬会火种在哈尔滨成功采集。采火装置是一块直径达60cm的“冰透镜”，用冰透镜可以点燃火种是利用了凸透镜对光线有_________作用。在点燃火种时，需要把火种放在凸透镜的_________（选填“光心”“焦点”或“二倍焦距”）处。 【答案】 会聚 焦点 【详解】凸透镜对光线有会聚作用，能使平行于主光轴的光会聚在一点，这个点叫焦点；焦点处温度最高，因此为了快速点燃火种，应将燃料放在凸透镜的焦点位置。 4．请在图中画出凸透镜上的光线a、b对应的出射光线和入射光线。 【答案】见右图。 【详解】光线a过光心，沿原方向传播；光线b的出射光线指向焦点，所以对应的入射光线是平行于主光轴的。据此作图。 5．在“探究凸透镜成像的规律”实验中，先将蜡烛和凸透镜放在如图所示位置（光屏未画出），移动光屏，在光屏上得到一个清晰的像；继续移动蜡烛、光屏，当蜡烛在30cm刻度处时，光屏上恰好呈现烛焰清晰、等大的像。关于该透镜成像下列说法正确的是（     ） A．凸透镜的焦距是20cm B．照相机的原理与第一次的成像规律相同 C．蜡烛放在35cm刻度处，移动光屏，在光屏上得到正立的像 D．蜡烛放在42cm刻度处，移动光屏，在光屏上得到放大的像 【答案】B 【详解】A．蜡烛在30cm刻度处时，光屏上恰好呈现烛焰清晰、等大的像。所以物距 u=50.0cm-30.0cm=20.0cm 根据凸透镜成像规律可知此时u=v=2f=20.0cm 故f=10.0cm，故A错误； B．第一次成像时，蜡烛在15cm刻度处，物距u=50cm-15cm=35cm>2f 此时成倒立、缩小的实像，和照相机成像原理相同，故B正确； C．将蜡烛移动到35cm刻度处，物距u=50.0cm-35.0cm=15.0cm f<u<2f，成倒立、放大的实像，故C错误； D．将蜡烛移动到42cm刻度处，物距u=50.0cm-42.0cm=8.0cm 此时u<f，成正立、放大的虚像，故光屏上接收不到像，故D错误。 故选B。 6. 在“探究凸透镜成像特点”的实验中，将凸透镜固定在光具座上50cm刻度线处不动，移动蜡烛和光屏至如图所示位置时，光屏上承接到清晰的像。 （1）该凸透镜的焦距为__________cm； （2）将蜡烛向左移动一段距离后，应将光屏移至_________（选填序号）范围内才能承接到清晰的像。 A．50~65cm B．65~80cm C．80~95cm 【答案】（1）15.0 （2）B 【详解】（1）由图可知，光具座刻度尺分度值为1cm，凸透镜固定在50.0cm刻度线处。蜡烛放置在20.0cm刻度线处，光屏放置在80.0cm刻度线处。所以物距 u=50.0cm-20.0cm=30.0cm，像距v=80.0cm-50.0cm=30.0cm 此时光屏上承接到清晰的像，根据凸透镜成像规律可知，当物距等于像距（即u=v=2f）时，成的是倒立、等大的实像，所以该凸透镜的焦距 f=30.0cm /2=15.0cm。 （2）将蜡烛向左移动一段距离后，物距u>2f，根据凸透镜成像规律可知，当物距大于二倍焦距时，凸透镜成倒立、缩小的实像。此时，像距的范围应该在一倍焦距和二倍焦距之间，即f<v<2f 凸透镜固定在50.0cm 刻度线处，光屏在凸透镜的右侧。因此，光屏在光具座上的刻度位置应该是 50.0cm+15.0cm=65.0cm 到50.0cm+30.0cm=80.0cm之间，故AC不符合题意，B符合题意。故选B。 板书设计 第4节 凸透镜成像 一、透镜 1. 透镜：把两侧表面都是球面的一部分或一侧表面是球面的一部分而另一侧表面是平面的透明体叫做透镜。厚度远小于球面半径的透镜叫做薄透镜。 中间比边缘厚的透镜叫做凸透镜。中间比边缘薄的透镜叫做凹透镜。 2. 透镜的主光轴和光心 （1）主光轴：通过透镜两个球面球心的直线C1C2叫做主光轴（简称主轴）。 （2）光心：主光轴上有一个特殊的点，通过这个点的光传播方向不发生改变，这个点叫作透镜的光心。薄透镜的光心可被视作透镜的中心。 3. 凸透镜的焦点和焦距 （1）焦点：凸透镜对光有会聚作用。平行于主轴的光经凸透镜折射后，会聚于主轴上的一点，该点叫做凸透镜的焦点，用F 表示。 （2）焦距：焦点到凸透镜光心的距离叫做焦距，用f 表示。 4. 凹透镜的虚焦点和焦距 （1）虚焦点：凹透镜对光有发散作用。平行于主光轴的光线通过凹透镜后发散，发散光线的反向延长线交于主光轴上一点，它不是实际光线的会聚点，叫做虚焦点F。 （2）焦距：虚焦点到透镜光心的距离叫做凹透镜的焦距，用f 表示。 二、凸透镜成像规律 当u>2f 时，物体在凸透镜另一侧 f<v<2f 的范围内成一个倒立、缩小的实像。 当 u=2f时，物体在凸透镜另一侧v=2f 处成一个倒立、等大的实像。 当f< u< 2f 时，物体在凸透镜另一侧v>2f 范围内成一个倒立、放大的实像。 当u<f 时，在物体同侧成一个正立、放大的虚像。 课堂总结 第4节 凸透镜成像 物距u 像的性质 物与像的位置 像距v 光屏能否承接 u>2f 倒立 缩小 实像 异侧 2f>v>f 能 u＝2f 倒立 等大 实像 异侧 v＝2f 能 f<u<2f 倒立 放大 实像 异侧 v>2f 能 u＝f 不成像 u<f 正立 放大 虚像 同侧 |v|>u 不能 作业 教学反思 1 / 1 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $