第二节 探究：凸透镜成像的规律（教学设计）物理新教材沪科版八年级全一册

该初中物理教学设计聚焦凸透镜成像规律核心知识，通过《墨经》古代光学记载与“太空授课”水透镜实验情境导入，衔接学生已掌握的凸透镜结构及会聚作用，为后续眼睛与视力矫正等内容奠定规律基础。 此资料以完整分组实验为核心，通过“提出问题-设计实验-操作验证-归纳规律-故障分析”流程培养科学探究能力，结合光路图辨析实像虚像本质、动态成像动画及记忆口诀深化科学思维，融入传统文化与科技应用落实科学态度，助力学生提升实验操作与逻辑推理能力，为教师提供系统教学资源与学科特色方法。

第二节 探究：凸透镜成像的规律（教学设计） 年级 八年级全一册 学科 物理 教师 课题 第二节 探究：凸透镜成像的规律 教学 目标 物理观念 1. 理解物距、像距、焦距、实像、虚像的核心概念，系统掌握凸透镜成像的完整规律； 2. 能准确区分实像与虚像的形成原理与呈现差异，建立透镜成像的完整认知体系； 3. 明确不同物距下像的大小、正倒、虚实特点，理解成像规律的内在逻辑。 科学思维 1. 能运用成像规律分析动态成像问题，理解光路可逆原理在透镜成像中的应用； 2. 能基于实验数据归纳规律、基于规律推理论证，培养逻辑推理与动态分析能力； 3. 能通过光路图分析成像本质，建立 “光线会聚 / 反向延长” 的成像物理图景。 科学探究 1. 完整经历凸透镜成像规律的实验探究过程，掌握光具座的规范操作方法； 2. 学会处理实验数据、排查常见实验故障，提升实验设计与结论归纳能力； 3. 能通过控制变量思想探究物距对成像的影响，养成严谨的实验习惯。 科学态度 与责任 1. 认识凸透镜成像规律在生活与科技中的应用价值，感受我国古代光学智慧与当代航天科技的传承； 2. 养成规范操作、尊重实验事实的科学态度，提升实验故障排查的科学思维； 3. 体会物理规律的普适性，激发探究光学世界的兴趣。 教材 分析 本节是第四章《神奇的透镜》的核心实验课时，是初中几何光学的重点内容。教材以《墨经》的古代光学记载与 “太空授课” 水透镜实验引入，通过完整的探究实验，系统得出凸透镜成像的五条规律，深入辨析实像与虚像的本质，拓展动态成像、光路可逆与生活应用。本节课既是对凸透镜结构、光学作用的深化与应用，也是后续学习眼睛与视力矫正、透镜应用的核心规律基础，同时融入传统文化、实验探究与工程应用，是培养学生实验探究能力、几何光学思维的重要载体。 学情分析 1. 知识储备：学生已掌握凸透镜的结构、会聚作用与三条特殊光线，会画基本光路图，对放大镜、照相机有生活经验，但对成像规律的动态变化、实像与虚像的本质区别理解模糊。 2. 思维能力：学生具备初步的实验操作能力，但对 “三心同高” 的实验设计逻辑、成像规律的动态分析能力不足；对实验故障的排查、光路可逆的应用容易混淆。 3. 学习特点：学生对动手实验、成像现象兴趣浓厚，但容易重结果轻过程，对规律的条件、本质与应用需要系统引导；对实验故障的分析能力需要逐步培养。 教学重点 1. 凸透镜成像实验的器材组装与 “三心同高” 的操作要求； 2. 凸透镜成像的五条核心规律，不同物距下像的特点； 3. 实像与虚像的概念辨析与本质区别。 教学难点 1. 物距变化时像的大小、像距的同步变化规律，建立动态成像的物理图景； 2. 实验中光屏找不到像的故障分析与排查； 3. 灵活运用成像规律解释照相机、放大镜等生活实例，解决动态成像问题。 教学 器材 分组实验器材：光具座、凸透镜、蜡烛、光屏、火柴、刻度尺； 演示器材：水透镜演示装置、自制照相机模型、不同焦距的凸透镜； 多媒体素材：凸透镜成像光路动画、太空授课水透镜实验视频、实验故障分析动画 。 教师活动 学生活动 导入新课 【文化与科技情境引入】讲述《墨经》中关于光影成像的记载，介绍我国古代 “削冰为镜” 的光学智慧；展示 “太空授课” 中水透镜成像的画面，讲解航天员通过水透镜呈现倒立缩小的人像。 提出问题：凸透镜成像的大小、正倒、虚实，由什么因素决定？ 引入课题：今天我们就通过系统实验，探究凸透镜成像的规律。 感受古代光学智慧与现代航天科技的传承； 结合生活经验对凸透镜成像的特点作出猜想； 明确本节课的学习主题，带着探究问题进入新课。 学习新课 一、探究凸透镜成像的规律 1. 基本概念 结合光路图讲解： - 焦距（）：透镜中心到焦点的距离； 点为两倍焦距位置。 - 物距（）：物体到凸透镜光心的距离。 - 像距（）：凸透镜光心到清晰像的距离。 2. 实验设计与准备 介绍实验器材：光具座、凸透镜、蜡烛、光屏、火柴。 实验操作要点： ① 调整蜡烛、凸透镜、光屏的高度，使三者的中心大致在同一高度（三心同高），目的是使像成在光屏的中央。 ② 实验中依次改变物距，观察成像特点，记录物距、像距与成像性质。 3. 实验探究：分物距探究 引导学生依次探究五种物距情况： ① ：物体在二倍焦距以外； ② ：物体在二倍焦距处； ③ ：物体在一倍焦距与二倍焦距之间； ④ ：物体在焦点处； ⑤ ：物体在一倍焦距以内。 学生分组实验，教师巡视指导，记录实验数据。 4. 实验结论：凸透镜成像规律 引导学生根据实验数据归纳： - ：成倒立、缩小的实像，（应用：照相机）； - ：成倒立、等大的实像，（应用：测焦距）； - ：成倒立、放大的实像，（应用：投影仪）； - ：不成像，光线平行射出（应用：平行光源）； - ：成正立、放大的虚像，像与物体在透镜同侧（应用：放大镜）。 记忆口诀：一倍焦距分虚实，二倍焦距分大小；实像总是异侧倒，虚像总是同侧正；物近像远像变大，物远像近像变小。 5. 实验故障分析 引导学生讨论：光屏上始终找不到像，可能的原因？ 总结： ① 三心不在同一高度，像成在光屏外； ② 物体在焦点处（），不成像； ③ 物体在一倍焦距以内（），成虚像，光屏无法承接； ④ 凸透镜焦距过大，光具座长度不足。 拓展：蜡烛变短，像会向上移动；遮挡部分透镜，像仍完整但变暗。 6. 典例分析 讲解课件例 1、例 2，巩固成像规律的应用与实验分析。 理解物距、像距、焦距的概念； 明确实验操作要点，理解 “三心同高” 的目的； 分组完成实验，规范操作，观察现象，记录数据； 根据实验数据自主归纳凸透镜成像的五条规律； 掌握成像规律的记忆口诀，理解两个分界点的意义； 分析实验故障，提升实验问题排查能力； 完成典例练习，巩固成像规律的应用。 学习新课 二、凸透镜成像作图与本质 1. 实像与虚像的本质 结合光路图讲解： - 实像：由实际折射光线会聚而成，能呈现在光屏上，倒立。 - 虚像：由折射光线的反向延长线相交而成，不能用光屏承接，正立。 强调：无论是实像还是虚像，都是物体发出的光经凸透镜折射后形成的。 2. 成像作图方法 讲解作图依据：三条特殊光线。 作图步骤： ① 选取物体上的发光点； ② 分别作出两条特殊光线（平行主光轴、过光心）； ③ 折射光线（或反向延长线）的交点即为像点； ④ 连接各像点，形成物体的像。 强调：实像用实线，虚像用虚线。 学生练习基础成像作图，教师点评规范。 3. 典例分析 讲解课件例 3，巩固成像作图的规范。 理解实像与虚像的本质区别； 掌握凸透镜成像作图的方法与规范； 能通过光路图分析成像原理； 完成成像作图练习，提升光路分析能力。 学习新课 三、成像规律的应用与拓展 1. 自制照相机 讲解：照相机的镜头相当于凸透镜，景物在 2 倍焦距以外，底片上成倒立、缩小的实像。 演示自制照相机：用两个纸筒、凸透镜、半透膜组装，调节距离观察景物的像。 2. 动态成像规律 结合实验现象总结： - 成实像时：物体靠近透镜（物距减小），像远离透镜，像变大（物近像远像变大）；物体远离透镜则相反。 - 成虚像时：物体靠近透镜，虚像变小；物体远离透镜（仍在一倍焦距内），虚像变大。 应用：照相机拍近景时镜头前伸，拍远景时镜头后缩。 3. 光路可逆性 演示实验：保持透镜不动，将蜡烛与光屏互换位置，光屏上仍能呈现清晰的像。 结论：凸透镜成像中，光路是可逆的；互换后像的大小与原来相反。 4. 典例分析 讲解课件例 4，巩固照相机原理与成像规律的应用。 理解照相机的成像原理； 掌握动态成像规律，能分析物距变化时像的变化； 观察光路可逆实验，理解光路可逆的特点； 完成典例练习，巩固成像规律的应用。 课 堂 练 习 1．如下图所示，航天员王亚平在中国空间站用“水球”做成像实验。“水球”成像的原理可以用以下哪个选项图解释（　　） A． B． C． D． 【答案】C 【解析】“水球”相当于一个凸透镜，由题图知，此时成倒立、缩小的实像，根据凸透镜成像规律可知，此时物距大于2倍焦距，则物体ab应在2倍焦距之外，像在1倍焦距和2倍焦距之间，故ABD错误，C正确。 故选C。 2．甲、乙两图是用同一个凸透镜观察到的现象。下列说法正确的是（　　） A．甲图的成像原理和放大镜的工作原理相同 B．乙图的成像原理和照相机的工作原理相同 C．甲图中成的是正立、放大的实像 D．乙图中成的是倒立、放大的虚像 【答案】A 【解析】AC．甲图成正立、放大的虚像，与放大镜的工作原理相同，故A正确，C错误； BD．乙图成倒立、放大的实像，与投影仪的工作原理相同，故BD错误。 故选A。 3．某物理兴趣小组在探究凸透镜成像规律时，将焦距为的凸透镜固定在光具座上刻度线处，光屏和点燃的蜡烛分别位于凸透镜两侧，实验前调整好实验器材。如图所示，将蜡烛移至刻度线处，移动光屏，呈现在光屏上的清晰像的特点是（　　） A．倒立、缩小的实像 B．正立、放大的虚像 C．倒立、放大的实像 D．正立、缩小的实像 【答案】A 【解析】凸透镜的焦距是，由图可知，此时物距为，物距大于二倍焦距，移动光屏，直到烛焰在光屏上成清晰的像，则该像是倒立、缩小的实像，故A符合题意，BCD不符合题意。 故选A。 4．如图是小阳用“刷脸”的方式打开门禁时的情景。系统将门禁摄像头拍摄的小阳完整的面部信息与录入的身份信息进行比对，比对成功后自动开门。下列分析正确的是（　　） A．门禁摄像头是凹透镜 B．通过该摄像头所成的像是实像 C．该摄像头的成像原理与放大镜相同 D．当人脸靠近摄像头时，所成的像变小 【答案】B 【解析】A．门禁摄像头与照相机原理相同，应用的是凸透镜，故A错误； BC．识别时，成像原理和照相机相似，成倒立、缩小的实像，故B正确，C错误； D．凸透镜成实像时“物近像远像变大”，故当人脸靠近摄像头时，物距减小，像距增大，像变大，故D错误。 故选B。 5．某同学利用如图所示的器材探究凸透镜成像规律，先用焦距为10cm的透镜甲进行实验，在光屏上得到清晰缩小的实像。接下来他改用焦距为20cm的透镜乙继续实验，若不改变蜡烛和凸透镜的位置，要在光屏上成清晰的像，则光屏___________（选填“靠近”或“远离”）透镜移动，像___________（选填“变大”或“变小”）。 【答案】 远离 变大 【解析】[1][2]探究凸透镜成像规律时，由“先用焦距为10cm的透镜甲进行实验，在光屏上得到清晰缩小的实像”可知，此时u>2f；当改用焦距为20cm的透镜乙继续实验，凸透镜焦距变大，对光的聚光能力变弱，成像在原位置的右侧，像距变大，光屏应远离透镜移动，此时的像变大。 6．乐乐使用照相机给同学们拍集体照，若发现有部分同学在画面外，为了使全部同学都进入画面，他需拿着相机___________（选填“靠近”或“远离”）同学，镜头同时需要向___________（选填“靠近”或“远离”）胶片的方向移动。 【答案】 远离 靠近 【解析】[1][2]为了全部同学都进入画面，则像的大小应变小；根据成实像时“物远像近像变小”可知，需要增大物距，所以他需拿着相机远离同学；同时需要减小像距，所以镜头同时需要向靠近胶片的方向移动。 7．如图甲所示，（a）圆筒上固定有凸透镜，相当于照相机的______，（b）圆筒上固定有半透明膜，相当于照相机的______（以上两空均选填“镜头”或“胶卷”）；如图乙所示，把两个圆筒没有镜头、薄膜的一端套在一起，就制成了一架照相机。在晴朗的白天，用自制照相机观察窗外景物时，需要把自制照相机的______（选填“凸透镜”或“薄膜”）端对准窗外的景物，调节半透明膜到镜头的距离，可以成______（选填“放大”或“缩小”）、______（选填“倒立”或“正立”）的像。 【答案】 镜头 胶卷 凸透镜 缩小 倒立 【解析】[1][2][3][4][5]凸透镜相当于照相机的镜头，半透明膜相当于照相机的胶卷；观察窗外景物时，需要让来自窗外景物的光经凸透镜折射后成像，所以应该让凸透镜对准窗外的景物；照相机成的是倒立、缩小的实像。 8．某小组做探究“凸透镜成像规律”的实验，装置如图甲所示。 （1）如图乙所示，将A、B两块透镜分别正对太阳光时，在离透镜较近的光屏上出现了不同的光斑，由此判断需要用_____ （选填“A”或“B”）透镜完成实验； （2）图丙是实验时像距v随物距u变化的图像，根据图像可知： ①该透镜的焦距f＝_______ cm； ②将蜡烛、凸透镜、光屏分别置于15cm、50cm、70cm刻度线处，为能在光屏上呈清晰的像，可保持蜡烛和凸透镜位置不动，仅将光屏向_____ 移动合适距离。 （3）图丁是小华用该凸透镜观看书本上“中国梦”三个字时的情况，如果他想看到更大的正立的“国”字，小明需要将凸透镜_______ （选填“远离”或“靠近”）书本，凸透镜和书本的距离应满足的条件是___________ 。 【答案】（1）B；（2）10.0 左；（3）远离 小于一倍焦距 【解析】（1）由图乙可以看出，透镜A中心是黑色（无光），周围有一个光环，半径略大于透镜半径，而透镜B中间光斑半径小于透镜半径，说明透镜A对光线是发散作用，是凹透镜，而透镜B对光线是会聚作用，因此是凸透镜。而实验探究的是“凸透镜的成像规律”，因此选择B透镜。 （2）[1]由图丙可知，根据，成倒立、等大的实像，即，故该凸透镜的焦距 [2]因为蜡烛、凸透镜、光屏分别置于15cm、50cm、70cm刻度线处，所以物距为 由于物距大于2倍焦距，则根据凸透镜成像规律，应成倒立、缩小的实像，像距在1倍焦距至2倍焦距之间，即像距，此时光屏距离透镜，因此需要将光屏向左移动合适距离。 （3）[1][2]根据凸透镜成虚像时，物远像远像变大，可知，小明需要将凸透镜远离书本，且凸透镜和书本的距离应满足的条件是小于一倍凸透镜焦距。 9．用焦距为10cm的凸透镜探究“凸透镜成像规律”。 （1）小豪同学将蜡烛、凸透镜、光屏随意固定在光具座上，点燃蜡烛后，沿光具座无论怎样移动光屏，在光屏上始终得不到烛焰的像，原因可能是________________________________。 （2）重新调整后，将蜡烛、凸透镜固定在光具座上，如图甲所示，移动光屏后得到烛焰清晰、完整的像，该像是倒立、________（选填“放大”或“缩小”）的实像。我们可以从不同角度看到光屏上的像，是因为发生了________（选填“镜面反射”或“漫反射”）。 （3）接下来保持凸透镜的位置不动，将蜡烛向凸透镜方向移动，为了使光屏上得到清晰的像，光屏应________凸透镜方向移动（选填“远离”或“靠近”），并且光屏上的像________（选填“变大”或“变小”或“不变”）。 （4）当光屏上出现蜡烛清晰的像时，如果用遮光板挡住透镜的上半部分，我们观察光屏时，将会在光屏上看到________（填选项字母）。 A．蜡烛像的下半部分 B．蜡烛像的上半部分 C．蜡烛完整的像，像的亮度变暗 D．蜡烛完整的像，像的亮度不变 （5）在图甲中，由于蜡烛越烧越短，为了使它的像成在光屏中央，可将光屏适当向________（选填“上”或“下”）移动。 （6）某小组实验时对图甲中的装置进行了改进，将蜡烛换成带有“F”形的LED灯、光屏贴上方格纸，如图乙所示，请写出改进后其中一个优点：________________________。 【答案】（1）凸透镜、光屏和烛焰没有在同一高度；（2）缩小 漫反射；（3）远离 变大；（4）C；（5）上；（6）见解析 【解析】（1）在探究凸透镜成像规律实验中，要使光屏上能承接到像，首先要保证烛焰、凸透镜、光屏的中心在同一高度，这样像才能成在光屏中央；其次，若物距小于或等于焦距，也不能在光屏上成像，物距小于焦距成虚像，虚像不能在光屏上呈现，物距等于焦距时不成像。 （2）[1]已知凸透镜焦距f = 10cm，由图甲可知，物距u = 50cm - 20cm = 30cm，u > 2f。根据凸透镜成像规律，当u > 2f时，成倒立、缩小的实像。 [2]我们能从不同角度看到光屏上的像，是因为光屏表面粗糙，发生了漫反射，漫反射能使反射光线射向不同方向。 （3）[1][2]根据凸透镜成像规律“物近像远像变大”，当保持凸透镜位置不动，将蜡烛向凸透镜方向移动（物距减小），为了使光屏上得到清晰的像，光屏应向远离凸透镜的方向移动（像距增大），并且光屏上的像会变大。 （4）用遮光板挡住透镜的上半部分，只是挡住了部分光线，凸透镜的其他部分仍能使光线折射成像，所以光屏上仍能成蜡烛完整的像，但由于通过的光线减少了，像的亮度会变暗。故C符合题意，ABD不符合题意。 故选C。 （5）蜡烛燃烧变短，烛焰的位置向下移动，根据通过光心的光线传播方向不变，像的位置会向上移动，所以为了使像成在光屏中央，可将光屏适当向上移动。 （6）将蜡烛换成带有“F”形的LED灯，LED灯发光稳定，对比蜡烛会燃烧变短，LED灯能使实验现象更清晰稳定；同时，光屏贴上方格纸，便于更直观地比较像与物的大小关系等。 10．画出光源S经过凸透镜成的像S'； 【答案】 【解析】平行于主光轴的光经过凸透镜折射后经过焦点，过光心的光线，传播方向不变，将折射后的两条光线反向延长，交点即为光源S经过凸透镜成的像S'所在的位置，据此作图。 板 书 设 计 第二节 探究：凸透镜成像的规律 一、基本概念 物距 、像距 、焦距 ；三心同高：使像成在光屏中央。 二、成像规律 物距 像的性质 像距 应用 倒立、缩小、实像 照相机 倒立、等大、实像 测焦距 倒立、放大、实像 投影仪 不成像 — 平行光源 正立、放大、虚像 同侧 放大镜 口诀：一倍焦距分虚实，二倍焦距分大小；实像异侧倒，虚像同侧正；物近像远像变大。 三、拓展 1．实像：实际光线会聚，光屏可承接 2．虚像：反向延长线会聚，光屏不可承接 3．光路可逆 4．动态：物近像远像变大（实像） 课 堂 小 结 作业布置 1. 基础作业：完成课后同步练习，完成指定的成像作图； 2. 实验作业：利用家中的放大镜、蜡烛、光屏，验证凸透镜成像规律，写出实验报告； 3. 拓展作业：查阅资料，了解手机摄像头的成像原理，与同学分享。 教学反思 亮点：本节课以《墨经》与太空授课的跨时空情境引入，兼具文化性与时代性，快速激发学生的探究兴趣；以完整的分组实验为核心，按照 “提出问题 — 猜想假设 — 设计实验 — 操作验证 — 归纳规律 — 故障分析” 的科学探究流程展开，让学生经历完整的规律建构过程；通过口诀记忆、光路作图、动态分析、故障排查的多层设计，突破了成像规律的记忆与理解难点；结合生活应用与拓展，落实了 “从物理走向生活” 的理念。 不足：部分学生对动态成像规律的理解不深入，容易机械记忆口诀，不会分析具体场景；对实验故障的分析能力薄弱，只能记住常见原因，不会独立排查；对实像与虚像的本质区别理解仍有偏差，作图规范性不足。 改进：增加动态成像的分步动画演示，通过 “物距变化 — 像距变化 — 像的大小变化” 的连续过程，深化对动态规律的理解；增加实验故障的探究环节，让学生通过调整器材自主排查问题，提升实验问题解决能力；补充成像作图的专项训练，通过分步示范、错例点评，提升作图的规范性与光路分析能力。 学科网（北京）股份有限公司2/2 学科网（北京）股份有限公司 $