如何通过实验验证凸透镜成像规律及其高考命题角度

1. 实验器材与准备

器材：光具座、凸透镜（已知焦距，通常选择10-20cm）、蜡烛（或LED光源）、光屏、火柴、刻度尺。

共轴调节：将蜡烛、凸透镜、光屏依次放置在光具座上，调整三者中心大致在同一高度（确保像成在光屏中央）。

2. 实验操作步骤

步骤1：物距u＞2f

将蜡烛置于两倍焦距以外，移动光屏直至出现清晰倒立、缩小的实像，记录物距（u）和像距（v）。

步骤2：u=2f

移动蜡烛至两倍焦距处，光屏上呈现倒立、等大的实像。

步骤3：2f＞u＞f

蜡烛在焦距与两倍焦距之间，光屏上形成倒立、放大的实像（如投影仪原理）。

步骤4：u=f

蜡烛移至焦点处，光屏上无法成像（此时光线平行射出）。

步骤5：u＜f

移走光屏，透过透镜直接观察蜡烛，可见正立、放大的虚像（如放大镜原理）。

3. 实验结论

成像规律口诀：

“一倍焦距分虚实，二倍焦距分大小；物近像远像变大（实像），物近像近像变小（虚像）”。

具体规律：

u＞2f：倒立缩小实像（应用：照相机）；

2f＞u＞f：倒立放大实像（应用：投影仪）；

u＜f：正立放大虚像（应用：放大镜）。

4. 实验注意事项

光屏无像的可能原因：

蜡烛在焦点内（u≤f）；

三心未共轴；

光具座长度不足（像距超出范围）。

动态变化分析：

蜡烛燃烧变短时，光屏上的像会上移，需调整光屏或透镜位置。

遮挡透镜的影响：

遮挡部分透镜，光屏上仍能成完整像，但亮度降低。

二、高考命题角度及高频考点

1. 实验操作与现象分析

焦距测量：

平行光聚焦法（太阳光最小亮斑法）或等大实像法（u=2f时，u=2f，v=2f）。

光屏调节：

若像偏左/右/上/下，需调整蜡烛或透镜位置（如“像偏左上，蜡烛左上移”）。

2. 成像规律判断

图像性质判断：

根据物距与焦距关系，判断像的虚实、正倒、大小（如选择题常见“u=15cm，f=10cm，求像性质”）。

动态变化问题：

蜡烛移动时像距与像大小的变化（如“物距减小，像距增大，像变大”）。

3. 实验故障与改进

光屏无像的原因：

三心未共轴、物距≤焦距、光具座过短等。

实验优化：

用LED光源替代蜡烛（成像稳定、便于比较）。

4. 跨知识点综合

光路图与公式结合：

结合公式 ( frac{1}{f} = frac{1}{u} + frac{1}{v} )，计算像距或焦距。

应用实例分析：

照相机、投影仪、放大镜的原理与成像条件对应。

5. 真题示例

示例1（福建卷）：

问题：调节三心高度后，光屏上仍无像的可能原因？

答案：蜡烛在焦点内或光具座过短。

示例2（河北卷）：

问题：当物距u=2f时，若换用焦距更小的透镜，如何调整光屏？

答案：光屏需靠近透镜。

三、总结与备考建议

实验核心：理解物距与像距的关系，掌握动态变化的逻辑。

备考策略：

1. 熟记成像规律口诀，结合光路图理解；

2. 通过真题训练实验故障分析和动态变化问题；

3. 注意实验细节（如共轴调节、光源选择）的考核。