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初中物理透镜实验与题目解析

透镜是初中物理光学部分的核心内容，它不仅与日常生活中的许多现象密切相关，也是理解更复杂光学仪器工作原理的基础。本文将从透镜的基本概念出发，详细阐述初中阶段重要的透镜实验，并结合典型例题进行解析，帮助同学们构建清晰的知识框架，提升解决实际问题的能力。

一、透镜的基本概念与实验基础

在进入实验探究之前，我们首先需要明确透镜的一些基本属性。透镜是由透明材料（如玻璃、树脂等）制成的，表面是球面的一部分。根据其对光线的作用，可分为凸透镜和凹透镜。

*凸透镜：中间厚、边缘薄的透镜，对光线有会聚作用。因此，凸透镜也被称为“会聚透镜”。平行于主光轴的光线经过凸透镜后，会会聚于主光轴上的一点，这个点叫做焦点（F）。焦点到透镜光心（O）的距离叫做焦距（f）。

*凹透镜：中间薄、边缘厚的透镜，对光线有发散作用。因此，凹透镜也被称为“发散透镜”。平行于主光轴的光线经过凹透镜后，其反向延长线会相交于主光轴上的一点，这个点叫做凹透镜的虚焦点，同样有焦距。

核心提示：理解透镜对光线的作用是掌握透镜成像规律的前提。画光路图是分析透镜问题的重要手段，要熟练掌握三条特殊光线（过光心的光线传播方向不变；平行于主光轴的光线经透镜后过焦点或反向延长线过焦点；过焦点的光线经透镜后平行于主光轴）的画法。

二、探究凸透镜成像的规律（核心实验）

“探究凸透镜成像的规律”是初中物理最重要的实验之一，它能帮助我们直观地理解物距（u）、像距（v）和焦距（f）之间的关系，以及像的性质（大小、正倒、虚实）如何随这些因素变化。

（一）实验目的

1.探究凸透镜成像的大小、正倒、虚实与物距的关系。

2.学习从实验中归纳总结物理规律的方法。

（二）实验器材

光具座（带刻度）、凸透镜（建议焦距在10cm至20cm之间，便于操作和观察）、蜡烛（或LED光源）、光屏、火柴（或电源）、刻度尺。

资深建议：选择焦距适中的凸透镜，太短则物距变化范围小，现象不明显；太长则光具座可能不够长。实验前最好用平行光源（如太阳光）粗测一下凸透镜的焦距。

（三）实验原理

利用光的折射原理，通过改变蜡烛（物体）到凸透镜的距离（物距u），观察并记录光屏上所成的像的性质（大小、正倒、虚实）以及像到凸透镜的距离（像距v）。

（四）实验步骤

1.共轴调节：将蜡烛、凸透镜、光屏依次安装在光具座上。点燃蜡烛，调整三者的高度，使烛焰的中心、凸透镜的光心、光屏的中心大致在同一高度。这是为了确保烛焰的像能成在光屏的中央，便于观察。

2.确定焦距：如果凸透镜焦距未知，可通过让平行光（如太阳光）正对凸透镜，在另一侧移动光屏，直到光屏上出现最小最亮的光斑，该光斑到凸透镜光心的距离即为焦距f。

3.改变物距，观察成像：

*使蜡烛位于凸透镜2倍焦距以外（u2f），移动光屏，直到光屏上出现清晰的像。观察像的大小、正倒，并记录像距v。

*使蜡烛位于凸透镜2倍焦距处（u=2f），重复上述操作。

*使蜡烛位于凸透镜1倍焦距和2倍焦距之间（fu2f），重复上述操作。

*使蜡烛位于凸透镜1倍焦距处（u=f），移动光屏，观察能否在光屏上成像。

*使蜡烛位于凸透镜1倍焦距以内（uf），移动光屏，观察能否在光屏上成像。此时，从光屏一侧透过凸透镜观察烛焰，会看到一个怎样的像？

4.多次实验，总结规律：为了使结论更具普遍性，应更换不同焦距的凸透镜重复上述实验，或改变物距进行多次测量。

（五）实验现象与结论（凸透镜成像规律）

|物距(u)|像距(v)|像的性质|应用举例|

|u2f|fv2f|倒立、缩小、实像|照相机、摄像机|

|u=2f|v=2f|倒立、等大、实像|测焦距|

|fu2f|v2f|倒立、放大、实像|投影仪、幻灯机|

|u=f|不成像(v→∞)|不成像|平行光源|

|uf|vu(与物同侧)|正立、放大、虚像|放大镜|

关键记忆点：

*一倍焦距分虚实：u=f是成实像和虚像的分界点。uf成实像，uf成虚像，u=f不成像。

*二倍焦距分大小：u=2f是成放大像和缩小像的分界点。u2f成缩小像，u2f（且uf）成放大像，u=2f成等大像。

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