水透镜探究实验引发的思考

刘镝

初中物理中，探究凸透镜成像规律是一个非常重要的实验。该实验应用广泛，结论严谨，内容繁多，往往有一定的难度。下面举例介绍此类题的解题思路，供同学们参考。

例 小明探究凸透镜的成像原理，与老师一起研制了如图1所示的实验装置，用水透镜模拟眼睛，光屏模拟视网膜，通过对水透镜注水或抽水可改变水透镜的厚薄。蜡烛、光屏和水透镜在光具座上的位置如图所示。

（1）实验时，首先要使烛焰、水透镜、光屏三者的中心在___________上，目的是使像成在光屏中心。

（2）三者摆放位置如图1甲所示，在光屏上成了一个清晰的像（像未画出），该像为倒立、___________的实像。此时水透镜的焦距f的范围为___________。

（3）用水透鏡模拟正常眼睛，将图1甲中的蜡烛移动到光具座上40 cm处，光屏不动，此时应对水透镜___________（填“注水”或“抽水”），使其焦距变___________

（填“大”或“小”），才能在光屏上重新得到一个清晰的像。

（4）用水透镜模拟爷爷的老花眼，如图1乙所示，若爷爷不戴老花镜时恰好能够看到图中位置上的蜡烛，在图中的虚线框内安装上适当度数的老花镜的镜片，则爷爷将能看清蜡烛位置___________（填“左侧”或“右侧”）的物体。小明因为长期不注意用眼卫生，变成了近视眼，则他应该戴___________（填“凸”或“凹”）透镜进行矫正。

分析：（1）探究凸透镜成像的实验时，在桌面上依次放蜡烛、凸透镜、光屏，三者在同一条直线上，三者的中心大致在同一高度，像才能成在光屏的中央;

（2）凸透镜成像的规律：物距大于像距时，u > 2f，f < v < 2f，成倒立、缩小的实像;

（3）物距减小后，像距应增大，如果像的位置不变，则凸透镜的焦距要变小;

（4）凸透镜是老花镜，对光线有会聚作用，近视眼应戴发散透镜即凹透镜进行矫正。

解：（1）烛焰、水透镜、光屏三者在同一条直线上，三者的中心大致在同一高度，像才能成在光屏的中央;

（2）由图1甲可知，此时物距大于像距，凸透镜成倒立、缩小的实像，此时物距u = 50 cm，50 cm > 2f，像距v = 20 cm，f < 20 cm < 2f，解得10 cm < f < 20 cm;

（3）物距减小后，像距应增大，如果像的位置不变，则凸透镜的焦距要变小，即凸透镜的厚度要增加，故此时应注水;

（4）老花镜是凸透镜，对光线有会聚作用，水透镜前放置老花镜后，透镜的折光能力变强，焦距变小，光屏位置不变，相当于像距变大，根据“物近像远像变大”的成像原理可知，爷爷能够看清蜡烛右侧的物体。

近视眼是由于晶状体太厚，折光能力太强，或者眼球在前后方向上太长，因此来自远处物体的光会聚在视网膜前，近视眼可通过戴对光线有发散作用的凹透镜进行矫正。

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

点评：此题是探究眼睛的成像原理，解题关键是掌握眼睛的构造并能与实验中的器材相对应，以及掌握近视眼、远视眼的成因。

拓展演练：如图2所示，某同学用自制的水透镜来探究凸透镜成像规律，当向水透镜里注水时，水透镜的焦距将变小;当从水透镜里抽水时，水透镜的焦距将变大。

（1）如图2甲所示，一束平行于主光轴的光射向水透镜，在光屏上得到一个最小、最亮的光斑，则此时水透镜的焦距为___________cm，实验前，应调节烛焰和光屏的中心在___________上;之后，固定好光源和光屏，发现无论怎样移动凸透镜，光屏上始终不能呈现清晰的像，原因可能是 。

（2）该同学移动蜡烛、水透镜和光屏至图2乙所示位置时，恰能在光屏上看到清晰的像，像的特点是倒立、___________的实像，若仅将蜡烛与光屏位置对调，仍能在光屏上看到清晰的、倒立的___________。

（3）如果将蜡烛移至距水透镜5 cm处，此时应从___________（填“蜡烛”“光屏”）一侧透过水透镜观察像的特点;随着实验的进行，蜡烛逐渐变短，光屏上的像会移动，要使像重新成在光屏的中央，可将水透镜向___________（填“上”或“下”）调整，同时将光屏随之调整。

（4）若把蜡烛放在水透镜的焦点上，水透镜固定不动，将光屏向远离水透镜的方向移动的过程中，在光屏上观察到的是大小___________的光斑，把蜡烛放在该水透镜的焦点内，水透镜固定不动，将光屏向远离水透镜的方向移动的过程中，在光屏上观察到的是大小___________的光斑。（均填“不变”、“变大”或“变小”）

（5）在图2乙所示实验场景下，该同学给水透镜“戴上”一种眼镜（如图2丙所示），当往水透镜中注入适量的水后，他发现烛焰的像再次变得清晰，由此判断图2丙中戴上的眼镜是___________（填“近视”或“远视”）眼镜。

答案：（1）7.5;水透镜的主光轴;光源和光屏的距离长度不等于物距与像距之和 （2）缩小;实像 （3）光屏;下 （4）不变;变大 （5）近视

（作者单位：锦州市第四中学）