5.5 跨学科实践：制作望远镜（教学设计）物理新教材人教版八年级上册

该初中物理教学设计聚焦凸透镜成像规律在望远镜制作中的应用，通过复习透镜知识及课前了解望远镜发展史，引导学生设计方案，搭建从理论到实践的学习支架。 以跨学科实践为主线，通过光具座模拟实验分析物镜目镜最佳距离（科学思维），结合镜筒制作调试（科学探究），融入“中国天眼”等视频渗透科技责任（科学态度），提升学生动手与合作能力，为教师提供实践教学清晰路径。

第5节 跨学科实践：制作望远镜（教学设计） 年级 八年级 学科 物理 教师 课题 第5节 跨学科实践：制作望远镜 教学 目标 物理观念 利用凸透镜成像的规律，了解望远镜的物镜与目镜的成像情况。 科学思维 通过认识望远镜的物镜与目镜所起的作用及应用凸透镜成像的规律分析目镜和物镜之间的最佳成像距离，发展科学推理与科学论证的能力。 科学探究 在设计、制作望远镜的过程中，经历提出问题、寻找证据、解释成因、交流总结的科学探究过程，发展科学探究能力。 科学态度 与责任 经历望远镜的制作过程，认识科技对社会发展和人类生活的重要影响，增强对物理学的热爱，提高动手实践和合作交流的能力。 教材 分析 本节安排的是跨学科实践活动，在课程标准中，对跨学科实践活动有明确要求。跨学科实践包含“物理学与日常生活”“物理学与工程实践”“物理学与社会发展”三个主题。制作望远镜与工程实践结合得比较多。这部分内容的设计旨在发展学生跨学科运用知识分析和解决问题的能力、动手操作的实践能力，在实践过程中培养学生积极认真的学习态度和乐于实践、敢于创新的精神。 本节的内容安排在透镜、生活中的透镜、凸透镜成像的规律、眼睛和眼镜之后，它是前面所学的凸透镜成像内容的综合应用。学生在这种学以致用的过程中，可以充分体会物理知识是有用的，用物理知识解决问题是有趣的。 学情分析 本次授课对象为八年级学生，他们已经系统学习了透镜基础概念、凸透镜成像规律，以及照相机、投影仪、放大镜等生活中的透镜应用，具备开展本次跨学科实践的核心知识储备。 这个年龄段的学生对动手制作类活动充满好奇心，不少学生在日常生活中接触过玩具望远镜、天文观测器材，对望远镜的实际使用有一定感性认知，具备基础的实验操作与小组协作能力。但学生普遍存在前概念误区，容易误以为望远镜是把远处的物体直接“放大”，对“视角决定观测效果”的核心逻辑理解模糊。 同时，学生的系统工程思维尚不成熟，在处理光轴共线调试、镜筒间距精准控制等实际问题时，容易出现思路混乱、反复试错却找不到核心原因的情况，需要教师搭建阶梯式引导支架，帮助他们把零散的透镜知识转化为完整的实践能力，在动手过程中深化对成像规律的理解。 教学重点 在实验和论证的基础上制作望远镜。 教学难点 认识望远镜的物镜与目镜所起的作用及应用凸透镜成像的规律分析目镜和物镜之间的最佳成像距离。 教学 器材 望远镜、不同焦距的凸透镜两个，制作望远镜所需材料。 课件。包含视频资料：演示实验——《模拟望远镜》；观看视频——《世界最大的望远镜—中国天眼》；视频讲解——《开普勒望远镜原理》；视频演示——《自己动手制作天文望远镜》；观看视频——《世界最大的望远镜—中国天眼》；观看视频——《我们的宇宙》。 教学过程 一、项目提出 【提问】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! 【策略】在课堂上，建议教师通过复习凸透镜成像的规律，引导学生想办法用已有的知识，利用凸透镜设计方案实现“望远”。也可以布置课前作业，让学生课下了解望远镜的发展史和简易望远镜的构造，为本节课的学习提供思路。 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，制作一个望远镜并进行调试。 三、项目实施 【提问】由照相机的成像原理我们知道，用凸透镜可以把较远的物体的像移近到我们眼前，但是如果物体距离凸透镜很远，远远大于2倍焦距，那么像就靠近焦点，而且很小。为了看清楚这个像，我们应该怎么办？能否利用放大镜去观察它？ 这样就引入了望远镜的教学。 1. 了解望远镜的基本原理 【实验器材】两个焦距不同的凸透镜。 【实验步骤】 ①先用一个凸透镜（焦距大的）观察窗外远处的物体，注意成像情况。 ②再用另一个凸透镜（焦距小的）观察上面得到的物体的像，注意成像情况。 ③将两凸透镜的位置对调，再观察远处的物体，对比两次成像的大小。 【归纳结论】 ①将焦距较大的透镜放在焦距较小的透镜前面，观察物体，物体成倒立、放大的像，远处的物体看上去放大了。这就是望远镜的基本原理。 ②将两凸透镜的位置对调，将焦距较小的透镜放在焦距较大的透镜前面，再观察远处的物体，物体成倒立、缩小的像。 2. 望远镜的构造 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，也叫作开普勒望远镜。这节课我们制作的就是这种望远镜。 【讲解】望远镜由两组透镜组成，每组透镜相当于一个凸透镜。靠近被观察物体的凸透镜，焦距比较长，叫做物镜。靠近眼睛的凸透镜，焦距比较短，叫做目镜。 望远镜示意图 3. 望远镜的原理 （1）物镜与目镜：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。 （2）望远镜的成像光路图 注意： ①目镜把物镜所成的像进行放大。目镜所成像的正倒和大小是相对于物镜所成的像而言的。最后成像与物体本身比，是倒立、缩小的虚像。 ②物镜和目镜的距离等于两个透镜的焦距之和。（由于物体距望远镜的距离很大，第一次成像在物镜的焦点附近且无限靠近焦点，可以近似地认为在焦点处，要使目镜的放大倍数尽可能最大，则这个像要在目镜的一倍焦距以内且尽可能靠近焦点）。 （3）视角 【提出问题】 物体距离物镜很远，它的像却离物镜很近，这样的像应该是缩小的，为什么用望远镜观察物体时会感到像被放大了？ 如图所示，A1B1、A2B2是两个离眼睛距离不同的物体。哪个物体看上去大一些?若要使A1B1、A2B2看上去一样大，应怎样移动物体? ①视角的概念： 原来，我们感觉到的物体的大小取决于物体对我们眼睛所成视角（图中α1、α2）的大小。分别从A1B1、A2B2向眼睛引两条光线，可见物体A1B1对眼睛所成的视角α1小于物体A2B2对眼睛所成的视角α2，所以人感觉到物体A1B1较小而物体A2B2较大。欲使两个物体看上去一样大，可把物体A1B1向眼睛移近或把物体A2B2移远。 视角的大小不仅和物体本身的大小有关，还和物体到眼睛的距离有关。物体大小一定时，物体越靠近眼睛，视角越大，我们看得就越清晰。 对于视角的问题，只简要介绍，让学生知道有这个概念就可以了，不要求学生完全理解。 ②望远镜对视角的放大：用望远镜观察物体时，望远镜所成的像离我们的眼睛很近，增大了视角，因而通过望远镜能清楚地看到远处的物体。 （4）望远镜的放大倍率 如图所示，这样的望远镜（开普勒望远镜）的放大倍率为 n=f物/f目。其中，f物是物镜的焦距，f目是目镜的焦距。 4. 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，并根据放大倍数的要求，选择适当焦距的凸透镜分别作为物镜和目镜。 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，以便于制作直径合适的镜筒。 由此，应选择焦距较长、直径较大的凸透镜作为物镜，焦距较短、直径较小的凸透镜作为目镜。 （3）设计镜筒 如图5.5-4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。 确定目镜与物镜之间成像的最佳距离，这是本节的难点。教师可以通过引导学生在光具座上模拟望远镜的成像原理，收集数据，分析数据，推理得到最佳距离。 【思考】观察远处的物体时，物镜成的像的位置大约在何处？要把这个像放得大一些，目镜距离像大约多远？ 【分析】观察远处的物体时，物镜成的像大约在物镜的焦点附近。要把这个像放得大一些，应该让它在目镜的焦距内，且越靠近目镜的焦点，成的像越大。 【验证】让学生在光具座上模拟望远镜，记录成清晰的像时目镜与物镜之间的距离。具体做法：在光具座上固定物体，调节物镜、目镜的位置，多次改变目镜与物镜之间的距离，直到看到物体清晰的像，记录目镜与物镜之间的距离。 【结论】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。 5. 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。例如，可以选用如图所示的两块凸透镜。其中，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。 对于图5.5-4所示的制作方案，要尽量减小望远镜两个镜筒间的缝隙。另外，还应注意每段镜筒的长度需合适，以便留出前后调节的空间。 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。此外，还要考虑如何把物镜和目镜方便地固定在镜筒上。 （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。 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。 （1）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。 （2）通过望远镜看到正立的像的方法 这里制作的望远镜使用了两块凸透镜，观察到的远处物体的像是倒立的，怎样才能通过望远镜看到正立的像呢? 第一种方法：如图所示，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）。 第二种方法：是使用两块平面镜呈90°夹角放置，利用平面镜镜像对称的成像特点完成像的翻转。 请你利用上面的方法改进你制作的望远镜，也可以针对你发现的望远镜的其他问题，设计解决的办法，让你的望远镜更加完善。 五、望远镜与宇宙探索 【引入】在人类历史的早期，人们利用肉眼观测天象。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。 学生阅读教材134～135页，了解本部分知识。 【归纳讲解】 1. 使用望远镜探索宇宙的历程 （1）伽利略与望远镜 意大利天文学家、物理学家伽利略是第一位把望远镜指向天空的人。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。 （2）“海王星”的发现 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。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”。 伽利略望远镜 哈勃太空望远镜 （3）哈勃太空望远镜 为改进对星体的观察，1990年美国向太空发射了一台望远镜，叫哈勃太空望远镜，可以排除大气层的干扰，使人类观测宇宙的能力空前提高。 （4）郭守敬望远镜与“中国天眼” 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量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。 2. 我们的宇宙 宇宙是一个有层次的天体结构系统。 （1）宇宙：我们的宇宙中拥有上千亿个星系，银河系只是宇宙中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10万年的时间。 （2）太阳系：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。 【例题1】伽利略望远镜成像原理，如图甲所示。小明据此制作了简易望远镜模型，选定凸透镜作为物镜固定在长镜筒一端，凹透镜作为目镜固定在短镜筒一端，把短镜筒插入长镜筒中，如图乙所示，通过调节两镜筒的相对位置，用目镜观察远处的物体，直至看到清晰的像。 （1）伽利略望远镜的物镜是凸透镜，将远处物体发出的平行光会聚，形成一个______（选填“正立”或“倒立”）、缩小的实像； （2）伽利略望远镜的目镜是凹透镜，对光线有______（选填“会聚”或“发散”）作用，最终人眼看到的是远处物体的_____（选填“虚”或“实”）像。 【答案】倒立；发散；虚。 【解析】（1）伽利略望远镜的物镜是凸透镜，将远处物体（物距远大于二倍焦距）发出的平行光会聚，在焦点附近形成一个倒立、缩小的实像，相当于照相机。 （2）凸透镜对光线具有会聚作用，凹透镜对光线具有发散作用。透镜对光有发散作用，作为目镜时使人眼看到远处物体的正立虚像，并增大视角。 【例题2】收集人类建造天文望远镜探索宇宙历程的资料，自拟题目就你喜欢的相关问题写一篇科学小短文。 【参考答案】略。 巩固练习 1．在本学期的跨学科实践中，小明和同学们一起制作了望远镜，如图所示。下面说法中正确的是（   ） A．A镜应为物镜，焦距较长；B镜应为目镜，焦距较短 B．A镜应为目镜，焦距较长；B镜应为物镜，焦距较短 C．望远镜的物镜也可以选择凹透镜 D．目镜选用凸透镜时，最终看到的像是正立的 【答案】A 【详解】AB．望远镜中，物镜的作用是使远处的物体在焦点附近成实像，同时为了更多的光线能进入，直径应较大，且需要焦距较长的凸透镜，目镜的作用是将物镜所成的像放大，需要焦距较短的凸透镜，图中A镜应为物镜，焦距较长；B镜应为目镜，焦距较短，故A正确；故B错误； C．望远镜的物镜必须是凸透镜，不能选择凹透镜，故C错误； D．目镜选用凸透镜时，目镜相当于放大镜，最终看到的像是倒立的，故D错误。 故选A。 2．在跨学科实践活动中，同学们合作制作了一个如图所示的望远镜，用它来观察夜空。下列说法错误的是（　　） A．望远镜的物镜焦距大于目镜 B．望远镜观察天体时，能将视角增大 C．望远镜的物镜相当于投影仪 D．望远镜的目镜相当于放大镜 【答案】C 【详解】A．望远镜由物镜和目镜组成，物镜的焦距较长，目镜的焦距较短，这样目镜才能起到放大作用，故A正确，不符合题意； B．望远镜的作用是使远处的物体看起来更大、更近，其实质是增大了观察物体的视角，故B正确，不符合题意； C．望远镜的物镜成的是倒立、缩小的实像，其成像原理与照相机相同；投影仪成的是倒立、放大的实像。因此，望远镜的物镜与投影仪不同，故C错误，符合题意； D．望远镜的目镜相当于一个放大镜，将物镜成的实像再次放大，形成一个放大的虚像，故D正确，不符合题意。 故选C。 3．如图是同学们自己模仿制作的望远镜，下列说法正确的是（　　） A．物镜成放大的实像 B．目镜成放大的实像 C．当观察最远处的物体时，物镜成的像大约在目镜焦点附近，且这个像越靠近目镜的焦点，眼睛看到的像越小 D．当观察较近处的物体时，应适当增大两块凸透镜间的距离 【答案】D 【详解】A．望远镜的物镜是凸透镜，当观察远处物体时，u>2f，根据凸透镜成像规律，此时成倒立、缩小的实像，故A错误； B．目镜相当于放大镜，成正立、放大的虚像，而不是实像，故B错误； C．当观察最远处的物体时，物镜成的像在物镜的焦点附近，这个像作为目镜的物，若它越靠近目镜的焦点，目镜的物距u越大，根据放大镜成像规律，此时成的虚像会越大，故C错误； D．当观察较近处的物体时，物距u减小，根据凸透镜成像规律，像距v会增大（即物镜成的像会远离物镜）。为了让这个像仍落在目镜的焦点以内，需要适当增大两块凸透镜间的距离，故D正确。 故选D。 4．（多选题）在跨学科实践中，项目小组用下表所示的两块透镜自制简易望远镜。则（　　） 凸透镜 甲 乙 直径 15cm 5cm 焦距 10cm 5cm A．应选甲透镜作物镜 B．该望远镜的放大倍率为2倍 C．用该望远镜最终看到的是一个正立的实像 D．观察远处物体时，应适当减小两透镜间距 【答案】ABD 【分析】本题以自制简易望远镜为情境，考查望远镜的透镜选择、放大倍数、成像原理及调焦方法，需结合凸透镜成像规律和望远镜的光学结构逐一分析选项。 【详解】AB．甲焦距，乙焦距，自制望远镜的物镜需选用焦距更长的凸透镜，因此甲作物镜、乙作目镜。望远镜的放大倍率为物镜焦距与目镜焦距的比值，即 故AB正确； C．物镜成倒立、缩小的实像，目镜将此实像放大成正立、放大的虚像，最终看到的是倒立的虚像，故C错误； D．观察远处物体时，观察目标由近及远调节，根据凸透镜成实像时“物远像近”的规律，物镜所成实像靠近物镜，应适当减小两透镜间距才能看清物体的像，故D正确。 故选ABD。 5．（1）如图甲所示，用望远镜观察远处的物体时，物体发出的光经物镜_______（选填“折射”或“反射”）后成________（选填“放大”或“缩小”）的像。 甲 乙 （2）望远镜其实是通过物镜将远处的物体拉近成像，此过程实际上是________（选填“增大”或“减小”）了物体对眼睛的视角；有焦距分别为8cm、18cm的两块凸透镜制作了如图乙所示的望远镜，他应该选用焦距为________cm的凸透镜作物镜。 【答案】（1）折射；缩小；（2）增大；18 【详解】（1）物镜相当于一个照相机，会聚远处物体的光，经过折射后形成倒立缩小的实像。 （2）视角与物体的大小及人与物体之间的距离有关。望远镜其实是通过物镜将远处的物体拉近成像，此过程实际上是增大了物体对眼睛的视角。 望远镜的物镜需要会聚远处物体的光，形成倒立缩小的实像，透镜的焦距长，会聚能力相对弱，能接收更多远处的光，通常选用焦距较长的凸透镜作为物镜，因此应选用焦距为18cm的凸透镜作物镜。 6．跨学科实践：制作望远镜。 （1）小明用厚纸板、胶带、剪刀、凸透镜M（焦距10cm，直径4cm）、凸透镜N（焦距20cm，直径5cm）等材料根据图甲所示原理，制成了如图乙所示的望远镜。 （2）制作望远镜时，应选用凸透镜_________（选填“M”或“N”）作为目镜，另一凸透镜作为物镜。 （3）通过所制望远镜观察远处物体时，物体经物镜折射后成________、________的_______像；此时两块凸透镜间的距离约等于_________cm时，成像效果最佳。观察近处物体时，为了看清像，两块凸透镜间的距离要变_________一些。 （4）展示：小明用望远镜观察远处树木，肉眼直接观察树木如图丙所示，则在原地用自制望远镜看到的像是（ ） A．B．C．D． 【答案】 M 倒立 缩小 实 30 大 B 【详解】（2）要获得较大放大倍率，应选择焦距较长的凸透镜作为物镜，焦距较短的凸透镜作为目镜。则应选择M作为目镜，N作为物镜。 （3）当观察最远处的物体时，物距大于凸透镜的二倍焦距，则物体经物镜折射后成倒立、缩小的实像。 观察最远处的物体时，所成的实像位于物镜的焦点附近，目镜需要将这个实像作为“物体”进行放大，此时该实像应位于目镜的焦点以内，越靠近目镜焦点，成的虚像越大，因此，两块凸透镜之间的距离应等于物镜的焦距与目镜的焦距之和，即20cm+10cm=30cm。 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。 （4）通过望远镜最终看到的像是经过物镜成倒立实像和目镜成正立虚像后的结果，所以看到的是倒立的像。观察远处树木，肉眼直接观察树木是正立的，那么通过自制望远镜看到的像应该是倒立的，与原物相比，通过望远镜所成的是树木缩小的虚像。因为物镜成缩小的实像，目镜将这个实像放大，但整体而言，与原物相比还是缩小的。但可以确定看到的像是倒立的、缩小的虚像，故选B。 板书设计 第5节 跨学科实践：制作望远镜 一、望远镜的基本构造与原理 1. 构造：物镜（相当于照相机）、目镜（相当于放大镜）。 2. 原理：远处物体首先通过物镜成倒立、缩小的实像；目镜把物镜形成的实像放大，得到相对于中间像正立、放大的虚像。 3. 视角：用望远镜观察物体时，望远镜所成的像离我们的眼睛很近，增大了视角，故能清楚地看到远处的物体。 二、制作望远镜 1. 设计。2. 制作及调试。 三、望远镜与宇宙探索 1. 使用望远镜探索宇宙的历程：伽利略望远镜、哈勃太空望远镜、射电望远镜。 2. 宇宙是个有层次的天体结构系统：宇宙、银河系、太阳系、地月系。 课堂总结 第5节 跨学科实践：制作望远镜 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 $