水透鏡探究實(shí)驗(yàn)引發(fā)的思考

劉鏑

初中物理中，探究凸透鏡成像規(guī)律是一個非常重要的實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)應(yīng)用廣泛，結(jié)論嚴(yán)謹(jǐn)，內(nèi)容繁多，往往有一定的難度。下面舉例介紹此類題的解題思路，供同學(xué)們參考。

例 小明探究凸透鏡的成像原理，與老師一起研制了如圖1所示的實(shí)驗(yàn)裝置，用水透鏡模擬眼睛，光屏模擬視網(wǎng)膜，通過對水透鏡注水或抽水可改變水透鏡的厚薄。蠟燭、光屏和水透鏡在光具座上的位置如圖所示。

（1）實(shí)驗(yàn)時，首先要使?fàn)T焰、水透鏡、光屏三者的中心在___________上，目的是使像成在光屏中心。

（2）三者擺放位置如圖1甲所示，在光屏上成了一個清晰的像（像未畫出），該像為倒立、___________的實(shí)像。此時水透鏡的焦距f的范圍為___________。

（3）用水透鏡模擬正常眼睛，將圖1甲中的蠟燭移動到光具座上40 cm處，光屏不動，此時應(yīng)對水透鏡___________（填“注水”或“抽水”），使其焦距變___________

（填“大”或“小”），才能在光屏上重新得到一個清晰的像。

（4）用水透鏡模擬爺爺?shù)睦匣ㄑ?，如圖1乙所示，若爺爺不戴老花鏡時恰好能夠看到圖中位置上的蠟燭，在圖中的虛線框內(nèi)安裝上適當(dāng)度數(shù)的老花鏡的鏡片，則爺爺將能看清蠟燭位置___________（填“左側(cè)”或“右側(cè)”）的物體。小明因?yàn)殚L期不注意用眼衛(wèi)生，變成了近視眼，則他應(yīng)該戴___________（填“凸”或“凹”）透鏡進(jìn)行矯正。

分析：（1）探究凸透鏡成像的實(shí)驗(yàn)時，在桌面上依次放蠟燭、凸透鏡、光屏，三者在同一條直線上，三者的中心大致在同一高度，像才能成在光屏的中央;

（2）凸透鏡成像的規(guī)律：物距大于像距時，u > 2f，f < v < 2f，成倒立、縮小的實(shí)像;

（3）物距減小后，像距應(yīng)增大，如果像的位置不變，則凸透鏡的焦距要變小;

（4）凸透鏡是老花鏡，對光線有會聚作用，近視眼應(yīng)戴發(fā)散透鏡即凹透鏡進(jìn)行矯正。

解：（1）燭焰、水透鏡、光屏三者在同一條直線上，三者的中心大致在同一高度，像才能成在光屏的中央;

（2）由圖1甲可知，此時物距大于像距，凸透鏡成倒立、縮小的實(shí)像，此時物距u = 50 cm，50 cm > 2f，像距v = 20 cm，f < 20 cm < 2f，解得10 cm < f < 20 cm;

（3）物距減小后，像距應(yīng)增大，如果像的位置不變，則凸透鏡的焦距要變小，即凸透鏡的厚度要增加，故此時應(yīng)注水;

（4）老花鏡是凸透鏡，對光線有會聚作用，水透鏡前放置老花鏡后，透鏡的折光能力變強(qiáng)，焦距變小，光屏位置不變，相當(dāng)于像距變大，根據(jù)“物近像遠(yuǎn)像變大”的成像原理可知，爺爺能夠看清蠟燭右側(cè)的物體。

近視眼是由于晶狀體太厚，折光能力太強(qiáng)，或者眼球在前后方向上太長，因此來自遠(yuǎn)處物體的光會聚在視網(wǎng)膜前，近視眼可通過戴對光線有發(fā)散作用的凹透鏡進(jìn)行矯正。

答案：（1）同一高度 （2）縮小;10 cm < f < 20 cm （3）注水;小 （4）右側(cè);凹

點(diǎn)評：此題是探究眼睛的成像原理，解題關(guān)鍵是掌握眼睛的構(gòu)造并能與實(shí)驗(yàn)中的器材相對應(yīng)，以及掌握近視眼、遠(yuǎn)視眼的成因。

拓展演練：如圖2所示，某同學(xué)用自制的水透鏡來探究凸透鏡成像規(guī)律，當(dāng)向水透鏡里注水時，水透鏡的焦距將變小;當(dāng)從水透鏡里抽水時，水透鏡的焦距將變大。

（1）如圖2甲所示，一束平行于主光軸的光射向水透鏡，在光屏上得到一個最小、最亮的光斑，則此時水透鏡的焦距為___________cm，實(shí)驗(yàn)前，應(yīng)調(diào)節(jié)燭焰和光屏的中心在___________上;之后，固定好光源和光屏，發(fā)現(xiàn)無論怎樣移動凸透鏡，光屏上始終不能呈現(xiàn)清晰的像，原因可能是 。

（2）該同學(xué)移動蠟燭、水透鏡和光屏至圖2乙所示位置時，恰能在光屏上看到清晰的像，像的特點(diǎn)是倒立、___________的實(shí)像，若僅將蠟燭與光屏位置對調(diào)，仍能在光屏上看到清晰的、倒立的___________。

（3）如果將蠟燭移至距水透鏡5 cm處，此時應(yīng)從___________（填“蠟燭”“光屏”）一側(cè)透過水透鏡觀察像的特點(diǎn);隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，蠟燭逐漸變短，光屏上的像會移動，要使像重新成在光屏的中央，可將水透鏡向___________（填“上”或“下”）調(diào)整，同時將光屏隨之調(diào)整。

（4）若把蠟燭放在水透鏡的焦點(diǎn)上，水透鏡固定不動，將光屏向遠(yuǎn)離水透鏡的方向移動的過程中，在光屏上觀察到的是大小___________的光斑，把蠟燭放在該水透鏡的焦點(diǎn)內(nèi)，水透鏡固定不動，將光屏向遠(yuǎn)離水透鏡的方向移動的過程中，在光屏上觀察到的是大小___________的光斑。（均填“不變”、“變大”或“變小”）

（5）在圖2乙所示實(shí)驗(yàn)場景下，該同學(xué)給水透鏡“戴上”一種眼鏡（如圖2丙所示），當(dāng)往水透鏡中注入適量的水后，他發(fā)現(xiàn)燭焰的像再次變得清晰，由此判斷圖2丙中戴上的眼鏡是___________（填“近視”或“遠(yuǎn)視”）眼鏡。

答案：（1）7.5;水透鏡的主光軸;光源和光屏的距離長度不等于物距與像距之和 （2）縮小;實(shí)像 （3）光屏;下 （4）不變;變大 （5）近視

（作者單位：錦州市第四中學(xué)）