Question

8．小明在探究“凸透镜成实像时像距与物距的关系”的实验中，所用的实验器材有：光具座、凸透镜、光屏和蜡烛等．
（1）将蜡烛、凸透镜和光屏放在光具座上，点燃蜡烛，调整凸透镜和光屏的高度，使烛焰、凸透镜和光屏的中心大致在同一高度上．
（2）该实验应使凸透镜成实像，那么凸透镜成实像的条件是：物距大于焦距．
（3）记录的实验数据如表．从表中数据可得透镜焦距为10cm，请在方格纸上画出像距与物距的关系图象．      

物距u/cm	14	16	18	20	22	24	26
像距v/cm	35	27	22	20	18	17	16

（4）小明得出探究结论后，又用上述器材做了一个实验．把蜡烛放在光具座上的0刻线处，凸透镜放在17cm刻线上，如图1所示．移动光屏在a位置找到像，则可由所作图象2得a位置大致在41cm刻度处．
（5）小明把发光二极管组成的T字母（设“其实际大小即如题中字符尺寸”所示）代替蜡烛，在不移动图1中各元件位置的情况下，光屏上所成像形状是（在横线上画出所成像的大致形状）．
（6）小华提出疑问，当蜡烛成倒立的像时，左右是否也颠倒呢，小张说道，只要将T型灯管换成F型灯管即可．
（7）港北物理兴趣小组在此实验基础上又进一步探究了利用透明橡皮膜、注射器、乳胶管、止水夹等器材制成凹、凸形状可改变的液体透镜，并利用液体透镜探究“光的折射”和“透镜成像”，如图甲所示．

首先在两个透明玻璃长方体容器中充入蚊香烟雾，然后将水注入橡皮膜，制成液体透镜，再将液体透镜放置在两个玻璃容器之间，如图甲所示，让光线沿图示方向射入玻璃容器，经透镜折射后折射光线将偏向（选填“偏离”或“偏向”）主光轴．如果此时再用注射器向橡皮膜注水，改变液体透镜的凸起程度，则折射光线偏折的程度会（选填“会”/“不会”）改变．在玻璃容器中充入蚊香烟雾的目的是显示光路．
（8）如图乙所示，液体透镜被安装在光具座上，不断改变液体透镜凸起程度，调节蜡烛、光屏位置，使得每次在光屏上得到等大的像，发现随着液体透镜越凸，蜡烛和光屏的距离就越近，说明透镜的凸起程度越大焦距越小（越大/不变/越小）．
（9）有同学提出该种透镜对光的会聚能力是否与液体的种类有关呢？请你帮助设计实验，写出简易步骤，并判断．
步骤：改变透镜内的液体种类，保持透镜凸凹程度相同，测出不同种液体对应的焦距（f、f'）
判断：若所测焦距相等（或f=f'），则和液体种类无关，相反则有关．

Answer 1

分析 （1）在实验中，为使像能成在光屏的中心，应调整烛焰、凸透镜和光屏的高度，使它们的中心大致在同一高度；
（2）由凸透镜成像的三种情况：u＞2f，成倒立、缩小的实像．2f＞u＞f，成倒立、放大的实像．u＜f，成正立、放大的虚像，可得出结论．
（3）根据当物距等于像距时的情况可判断凸透镜的焦距；
（4）根据（3）可得出此透镜的焦距f=10cm，2f＞u＞f，成倒立、放大的实像，v＞2f，再结合所画图象即可得出结论；
（5）当f＜u＜2f时，成倒立、放大的实像；
（6）可以把字母“T”换成左右不对称的字母；
（7）凸透镜对光线有会聚作用，当平行光线经过凸透镜折射后向主光轴偏折；凸透镜对光的偏折能力与凸透镜的凸起程度有关；当光照到烟雾时，烟雾颗粒对光的反射方向是不同的，会发生漫反射现象，所以我们从各角度可以看到光的路径；
（8）根据物像之间的距离判断焦距的变化；
（9）根据控制变量法和实验的目的判定出变量和不变量，据此分析实验的步骤．

解答 解：（1）调节凸透镜和光屏的高度，使它们的中心与烛焰中心大致在同一高度．其目的是使像成在光屏的中央；
（2）当u＞2f时，成倒立、缩小的实像，此时f＜v＜2f．当u=2f时，成倒立、等大的实像，此时v=2f．当f＜u＜2f时，成倒立、放大的实像，此时v＞2f．．当u=f时，无像．经凸透镜折射后的光线是平行的，没有会聚点．当u＜f时，成正立、放大的虚像．由以上可知，当物距大于像距时，成实像．
（3）当u=v=20cm时，此时物距与像距相同，都是二倍焦距，故凸透镜焦距f=10cm；根据表格中的物距、像距的大小，在表格中找出对应的点，然后连线，如图所示：

（4）由（3）可知，此透镜的焦距f=10cm，当把蜡烛放在光具座上的0刻线处，凸透镜放在17cm刻线上，即2f＞u＞f，成倒立放大的实像；此时v＞2f，即a的位置v＞20cm，结合图象可知v在25～23cm之间，所以a位置在（25+17）～（23+17）cm即40～42刻线之间或41cm．
（5）在不移动图1中各元件位置的情况下，光屏上所成像是倒立、放大的实像，如图所示：；
（6）可以把左右对称的字母“T”换成不对称的字母“F”即可；
（7）由图可知，玻璃容器的形状相当于一个凸透镜，凸透镜对光有会聚作用，经透镜折射后折射光线将向主光轴方向偏折；凸透镜对光的偏折能力与凸透镜的凸起程度有关，用注射器向橡皮膜注水，改变液体透镜的凸起程度，则折射光线偏折的程度会发生改变；在玻璃容器中充入蚊香烟雾，当光照到烟雾时，烟雾颗粒对光的反射方向是不同的，会发生漫反射现象，所以我们从各角度可以看到光的路径；
（8）由题意可知，当当u=2f时，成倒立、等大的实像，此时v=2f；随着液体透镜越凸，蜡烛和光屏的距离就越近，则u越小，这说明透镜的凸起程度越大焦距小；
（9）步骤：改变透镜内的液体种类，保持透镜凸凹程度相同，测出不同种液体对应的焦距（f、f'）；判断：若所测焦距相等（或f=f'），则和液体种类无关，相反则有关．
故答案为：（1）高度；（2）大于；（3）10；如图所示；（4）41；（5）；（6）F；（7）偏向；会；显示光路；（8）越小；（9）步骤：改变透镜内的液体种类，保持透镜凸凹程度相同，测出不同种液体对应的焦距（f、f'）；判断：若所测焦距相等（或f=f'），则和液体种类无关，相反则有关．

点评 此题考查了有关凸透镜成像的规律，掌握凸透镜成像的特点与物距、像距之间的关系．此题需根据物距与像距的大小关系得出成像的特点及物距和像距的范围，难度稍大．