Лабораторная работа: Изображения в линзах

КОНСПЕКТ УРОКА
ФИЗИКА
Урок №31
Дата____________
Тема: Лабораторная работа «Исследование свойств изображений в линзах».
Цели занятия:
 Обучающая: Экспериментально изучить принципы формирования изображений, используя линзы
различных видов – собирающие и рассеивающие. Выявить зависимость между дистанцией до
объекта и характеристиками формируемого изображения. Освоить различные методы определения
фокусного расстояния линз. Подтвердить опытным путем формулу тонкой линзы.
 Развивающая: Улучшить навыки проведения экспериментальных исследований, анализа и
интерпретации полученных данных, а также формулировки выводов на основе наблюдений и
измерений. Расширить умение применять теоретические знания для объяснения практических
явлений. Освоить графическое представление данных.
 Воспитательная: Сформировать научное представление о мире через экспериментальное
исследование оптических явлений. Развить аккуратность и точность при измерениях, умение
работать в команде и представлять результаты работы. Показать практическую значимость линз в
оптических устройствах.
Задачи занятия:
 Образовательные:
o Ознакомиться с ключевыми параметрами линз, такими как фокусное расстояние и
оптическая сила.
o Практически определить фокусное расстояние собирательной и рассеивающей линз,
используя различные подходы.
o Определить взаимосвязь между типом создаваемого изображения (действительное или
мнимое, прямое или инвертированное, увеличенное или уменьшенное) и расположением
объекта относительно линзы.
o Подтвердить экспериментально справедливость уравнения тонкой линзы.
o Овладеть навыками расчета увеличения, обеспечиваемого линзой.
 Развивающие:
o Улучшить умение самостоятельно планировать и проводить экспериментальные
исследования, фиксировать результаты измерений.
o Совершенствовать навыки обработки и визуализации экспериментальных данных в виде
таблиц и графиков.
o Углубить способность анализировать результаты, выявлять закономерности и
формулировать обоснованные заключения
o Развить критическое мышление через сравнение теоретических предсказаний с
экспериментальными результатами и оценку погрешностей измерений.
 Воспитательные:
o Продемонстрировать взаимосвязь теории и эксперимента в физике.
o Подчеркнуть важность эксперимента при проверке гипотез и установлении
закономерностей.
o Показать связь изучаемых оптических явлений с их применением в практике и технике
(например, очки, микроскопы, телескопы, фотоаппараты).
o Улучшить навыки командной работы и сотрудничества при проведении экспериментов.
Тип занятия: Урок применения знаний и умений, лабораторный практикум.
Ход урока
1) Организационный этап (2 мин).
Приветствие учащихся, проверка присутствия и готовности к уроку.
2) Постановка цели и задач урока. Мотивация учебной деятельности учащихся (3 мин).
Цель занятия: Экспериментально исследовать особенности формируемых изображений с помощью
положительных и отрицательных линз для иллюстрации фундаментальных принципов геометрической
оптики.
Задачи занятия:
 Определить экспериментальным путем значение фокусного расстояния для линзы, обладающей
собирающими свойствами, и (косвенно) для линзы, обладающей рассеивающими свойствами.
 Исследовать, как расстояние до объекта влияет на характеристики формируемого изображения
(расстояние до изображения, коэффициент увеличения, тип изображения) в случае собирающей
линзы.
 Классифицировать изображения, создаваемые линзами, по их свойствам (действительные/мнимые,
прямые/перевернутые, увеличенные/уменьшенные).
 Развивать навыки проведения экспериментов, анализа полученных данных и интерпретации
результатов.
Мотивация: "Все знают, что наши глаза — это сложные оптические системы, использующие линзы для
формирования изображений. Мы изучим упрощенные модели линз, чтобы понять, как свет преломляется,
и найдем ответы на вопросы: Как работают лупа или микроскоп? Почему изображение иногда получается
перевернутым?". Сегодня мы разберемся в работе линз и научимся прогнозировать характеристики
изображения, основываясь на физических законах!
3) Актуализация знаний (7 мин).
Приведите ответы на следующие вопросы:
1.
Сформулируйте, что такое линза. Какие две главные категории линз различают в оптической
науке? (Прозрачный для света объект, меняющий ход лучей; существуют линзы, которые собирают свет, и
те, которые его рассеивают)
2.
Что подразумевают, когда говорят о фокусном расстоянии линзы? Каким символом его принято
отображать в математических выражениях? (Это мера удаления от линзы до ее фокальной точки;
общепринятое обозначение – буква "F")
3.
Каким образом рассчитывается оптическая сила линзы? Какие единицы применяются для ее
измерения? (Это параметр, который обратно пропорционален фокусному расстоянию; измеряется в
диоптриях)
4.
В чем фундаментальное различие между действительным и мнимым изображениями,
формируемыми линзой? (Действительное изображение возможно зафиксировать на экране, в отличие от
мнимого)
5.
Какие характеристики неизменно присущи изображению, получаемому с помощью рассеивающей
линзы? (Это изображение всегда является мнимым, не перевернутым и уменьшенным).
1
1
1
6.
Какова формула тонкой линзы? (𝐹 = 𝑑 + 𝑓, где d - расстояние от предмета до линзы, 𝑓 - расстояние
от изображения до линзы)
7.
Что такое увеличение линзы и как его можно рассчитать? (Отношение высоты изображения к
𝐻
𝑓
высоте предмета, Г = = )
ℎ
𝑑
8.
Как знак фокусного расстояния влияет на тип линзы? (Положительный для собирающей,
отрицательный для рассеивающей)
4) Практическая работа (28 мин).
Тема: Исследование свойств изображений в линзах.
Цель работы: Экспериментально исследовать зависимость характеристик изображения (расстояния до
изображения, увеличения, типа изображения) от расстояния до предмета для собирающей линзы, а также
определить фокусное расстояние линзы.
Оборудование:
 Собирающая линза.
 Освещенный предмет.
 Экран.
 Оптическая скамья (линейка) для измерения расстояний
 Линейка для измерения размеров изображения и предмета
Теоретический материал
Собирающие линзы (выпуклые) собирают параллельные лучи света в одной точке, называемой фокусом.
Основные параметры линзы:
 Фокусное расстояние (𝐹): Расстояние от центра линзы до ее фокуса. Для собирающих линз
фокусное расстояние считается положительным.
1
 Оптическая сила (D): Величина, обратная фокусному расстоянию: 𝐷 = . Измеряется в диоптриях
𝐹
(дптр).
1
1
1
Уравнение тонкой линзы: 𝐹 = 𝑑 + 𝑓
где:



𝐹- фокусное расстояние линзы
𝑑 - расстояние от предмета до линзы
𝑓 - расстояние от изображения до линзы
𝐻
𝑓
Увеличение линзы (Г): Г = ℎ = 𝑑
где:
 h - высота предмета
 H - высота изображения
Типы изображений:
1.
Действительное изображение: Изображение, образованное действительным пересечением лучей.
Его можно спроецировать на экран. Действительные изображения перевернутые.
Мнимое изображение: Изображение, образованное продолжениями лучей. Его нельзя спроецировать
на экран. Мнимые изображения прямые.
Порядок выполнения работы:
I.
Определение фокусного расстояния собирающей линзы (метод 1: через получение
изображения удаленного предмета).
1. Закрепите линзу на оптической скамье.
2. Наведите её на удалённый объект (например, здание за окном).
3. Перемещайте матовый экран до формирования на нём чёткого изображения.
4. Замерьте промежуток от центра линзы до экрана. Это и будет примерным фокусным расстоянием (F).
5. Зафиксируйте полученное значение F в отчёте.
II.
Исследование зависимости характеристик изображения от расстояния до предмета.
1. Разместите предмет, линзу и экран на скамье.
2. Отодвиньте предмет от линзы на расстояние большее, чем 2F.
3. Перемещением экрана добейтесь резкого изображения.
4. Измерьте расстояние от линзы до изображения f и высоту предмета h и изображения H.
𝐻
5. Рассчитайте увеличение: Г = .
2.
ℎ
Опишите изображение (действительное/мнимое, прямое/перевёрнутое, размер).
Повторите шаги для других положений предмета d.
 𝑑 = 2𝐹
 𝐹 < 𝑑 < 2𝐹
 𝑑 < 𝐹
8. Для случая 𝑑 < 𝐹 внимательно посмотрите в линзу со стороны, противоположной предмету. Мнимое
изображение будет видно через линзу, и его нельзя спроецировать на экран. В этом случае, измерьте
расстояние до мнимого изображения. Это непросто, оценка будет приблизительной. Запишите тип
изображения (мнимое, прямое, увеличенное). Высоту мнимого изображения можно оценить, сравнив
размер изображения с размером предмета.
9. Результаты измерений и расчетов занесите в таблицу:
d (см)
f (см)
h (см)
H (см)
Г
Тип изображения
d > 2F
d = 2F
F< d < 2F
d<F
III.
Определение фокусного расстояния собирающей линзы.
1. Используйте любые данные из вашей таблицы для 𝑑 > 𝐹 (d и f) и подставьте их в уравнение тонкой
1
1
1
линзы 𝐹 = 𝑑 + 𝑓. Желательно использовать данные для 𝑑 > 2𝐹 , так как там меньше погрешность.
6.
7.
2.
𝑓𝑑
Вычислите 𝐹 = 𝑓+𝑑.
Сравните полученное значение с результатом, полученным в пункте I.
Вывод:
В заключение опишите, что вы узнали в ходе данной лабораторной работы.
1. Как свойства изображения зависят от положения предмета и совпадают ли наблюдения с теорией?
2. Что ограничивало точность измерений и как это повлияло на результаты?
3. Как можно улучшить методику для более точных измерений в будущем?
Контрольные вопросы:
1. Что такое фокусное расстояние линзы? Как его можно определить экспериментально?
2. Как зависит тип изображения, создаваемого собирающей линзой, от расстояния до предмета?
3. Как изменится изображение, если закрыть часть линзы?
4. Каково применение линзам в повседневной жизни и технике? Приведите примеры.
5) Информация о домашнем задании, инструктаж по его выполнению (3 мин).
Нарисуйте ход лучей для каждого из положений предмета, исследованных в лабораторной работе.
Подтвердите графически, что тип изображения соответствует полученному экспериментально.
6) Рефлексия (подведение итогов занятия) (2 мин).
Что нового я узнал(а) на этом уроке?
Что было самым интересным или полезным для меня?
Что было самым сложным или непонятным?
3.
Дата: ______________
Лабораторная работа «Исследование свойств изображений в линзах».
Тема: Исследование свойств изображений в линзах.
Цель работы: Экспериментально исследовать зависимость характеристик
изображения (расстояния до изображения, увеличения, типа изображения) от
расстояния до предмета для собирающей линзы, а также определить фокусное
расстояние линзы.
Оборудование: собирающая линза, освещенный предмет, экран, оптическая скамья
(линейка) для измерения расстояний, линейка для измерения размеров изображения
и предмета.
Теоретический материал
Собирающие линзы (выпуклые) собирают параллельные лучи света в одной точке,
называемой фокусом.
Основные параметры линзы:

Фокусное расстояние (𝐹): Расстояние от центра линзы до ее фокуса. Для
собирающих линз фокусное расстояние считается положительным.
1

Оптическая сила (D): Величина, обратная фокусному расстоянию: 𝐷 = .
𝐹
Измеряется в диоптриях (дптр).
1
1
1
Уравнение тонкой линзы: = +
𝐹
𝑑
𝑓
где:
𝐹- фокусное расстояние линзы
 𝑑 - расстояние от предмета до линзы
 𝑓 - расстояние от изображения до линзы
𝐻
𝑓
Увеличение линзы (Г): Г = =
ℎ
𝑑
где:
 h - высота предмета
 H - высота изображения
Типы изображений:
3. Действительное изображение: Изображение, образованное действительным
пересечением лучей. Его можно спроецировать на экран. Действительные
изображения перевернутые.
4. Мнимое изображение: Изображение, образованное продолжениями лучей. Его
нельзя спроецировать на экран. Мнимые изображения прямые.
Порядок выполнения работы
I.
Определение фокусного расстояния собирающей линзы (метод 1: через
получение изображения удаленного предмета).
1. Закрепите линзу на оптической скамье.
2. Наведите её на удалённый объект (например, здание за окном).
3. Перемещайте матовый экран до формирования на нём чёткого изображения.
4. Замерьте промежуток от центра линзы до экрана. Это и будет примерным
фокусным расстоянием (F).
5. Зафиксируйте полученное значение F в отчёте.
II. Исследование зависимости характеристик изображения от расстояния до
предмета.
1. Разместите предмет, линзу и экран на скамье.
2. Отодвиньте предмет от линзы на расстояние большее, чем 2F.

3. Перемещением экрана добейтесь резкого изображения.
4. Измерьте расстояние от линзы до изображения f и высоту предмета h и
изображения H.
5. Рассчитайте увеличение: Г =H/h.
6. Опишите изображение (действительное/мнимое, прямое/перевёрнутое, размер).
7. Повторите шаги для других положений предмета d.

𝑑 = 2𝐹

𝐹 < 𝑑 < 2𝐹

𝑑 < 𝐹
8. Для случая 𝑑 < 𝐹 внимательно посмотрите в линзу со стороны,
противоположной предмету. Мнимое изображение будет видно через линзу, и его
нельзя спроецировать на экран. В этом случае, измерьте расстояние до мнимого
изображения. Это непросто, оценка будет приблизительной. Запишите тип
изображения (мнимое, прямое, увеличенное). Высоту мнимого изображения можно
оценить, сравнив размер изображения с размером предмета.
9. Результаты измерений и расчетов занесите в таблицу:
d (см)
f (см)
h (см) H (см)
Г
Тип изображения
d > 2F
d = 2F
F< d < 2F
d<F
III. Определение фокусного расстояния собирающей линзы.
1. Используйте любые данные из вашей таблицы для 𝑑 > 𝐹 (d и f) и подставьте
1
1
1
их в уравнение тонкой линзы = + . Желательно использовать данные для 𝑑 >
𝐹
𝑑
𝑓
2𝐹 , так как там меньше погрешность.
𝑓𝑑
2. Вычислите 𝐹 =
.
𝑓+𝑑
Сравните полученное значение с результатом, полученным в пункте I.
Вывод
В заключение опишите, что вы узнали в ходе данной лабораторной работы.
Подтвердились ли ваши ожидания? Какие закономерности были установлены? Как
можно улучшить данную работу? Сформулируйте основные выводы по результатам
проведенных исследований.
Контрольные вопросы
1.
Что такое фокусное расстояние линзы? Как его можно определить
экспериментально?
2.
Как зависит тип изображения, создаваемого собирающей линзой, от
расстояния до предмета?
3.
Как изменится изображение, если закрыть часть линзы?
4.
Каково применение линзам в повседневной жизни и технике? Приведите
примеры.
3.
Ответы
d
(см)
f (см)
h (см) H (см)
Г
d > 2F
25
16,7
2
1,33
0,67
d = 2F
20
20
2
2
1
F< d < 2F
15
30
2
4
2
d<F
5
-10
2
4
2
Тип изображения
Действительное,
перевернутое,
уменьшенное
Действительное,
перевернутое, равное
Действительное,
перевернутое, увеличенное
Мнимое, прямое,
увеличенное
𝑓 ∙ 𝑑
16,7 ∙ 25
=
≈ 10 см.
𝑓 + 𝑑 16,7 + 25
Вывод: В ходе работы экспериментально подтверждена формула тонкой линзы и
зависимость характеристик изображения от расстояния до предмета. Опыты показали, что
тип
изображения
(действительное/мнимое,
прямое/перевернутое,
увеличенное/уменьшенное) определяется положением предмета относительно фокусного
расстояния линзы. Результаты соответствуют теоретическим предсказаниям. Для
повышения точности рекомендуется использовать более точные измерительные приборы.
Ответы на контрольные вопросы:
1.
Фокусное расстояние: Расстояние от линзы до точки фокусировки параллельных
лучей. Экспериментально – направить параллельный пучок света и измерить расстояние
до точки фокусировки.
2.
Тип изображения от расстояния:
o
𝑑 > 2𝐹: Действительное, перевернутое, уменьшенное.
o
𝐹 < 𝑑 < 2𝐹: Действительное, перевернутое, увеличенное.
o
𝑑 < 𝐹: Мнимое, прямое, увеличенное.
3.
Закрытие части линзы: Изображение становится менее ярким, но сохраняет форму
и положение.
4.
Применение линз: Очки, фотообъективы, лупы, проекторы, медицинская оптика,
лазерные технологии.
𝐹 =
Физика
ФИО____________________________________ Оценка:____ Класс:11
Дата: ______________
Лабораторная работа «Исследование свойств изображений в линзах».
Тема: Исследование свойств изображений в собирающей линзе при различных
положениях предмета.
Цель работы: Теоретически исследовать зависимость характеристик изображения
(расстояния до изображения, увеличения, типа изображения) от расстояния до
предмета для собирающей и рассеивающей линзы, используя построение лучей.
Оборудование: рабочий лист.
Выполни построение изображений в линзах и охарактеризуй их.
𝑑 > 2𝐹
Подчеркни характеристики
изображения:
2F
F
F
2F
1
Действительное, мнимое.
2
Прямое, перевернутое.
3
Равное, уменьшенное, увеличенное.
𝑑 = 2𝐹
Подчеркни характеристики
изображения:
2F
F
F
2F
1
Действительное, мнимое.
2
Прямое, перевернутое.
3
Равное, уменьшенное, увеличенное.
𝐹 < 𝑑 < 2𝐹
Подчеркни характеристики
изображения:
2F
F
F
2F
1
Действительное, мнимое.
2
Прямое, перевернутое.
3
Равное, уменьшенное, увеличенное.
𝑑=𝐹
Подчеркни характеристики
изображения:
2F
F
F
2F
1
Действительное, мнимое.
2
Прямое, перевернутое.
3
Равное, уменьшенное, увеличенное.
𝑑<𝐹
Подчеркни характеристики
изображения:
2F
F
F
2F
1
Действительное, мнимое.
2
Прямое, перевернутое.
3
Равное, уменьшенное, увеличенное.
𝑑 > 2𝐹
Подчеркни характеристики
изображения:
2F
F
F
2F
1
Действительное, мнимое.
2
Прямое, перевернутое.
3
Равное, уменьшенное, увеличенное.
𝑑 = 2𝐹
Подчеркни характеристики
изображения:
2F
F
F
2F
1
Действительное, мнимое.
2
Прямое, перевернутое.
3
Равное, уменьшенное, увеличенное.
𝐹 < 𝑑 < 2𝐹
Подчеркни характеристики
изображения:
2F
F
F
2F
1
Действительное, мнимое.
2
Прямое, перевернутое.
3
Равное, уменьшенное, увеличенное.
𝑑=𝐹
Подчеркни характеристики
изображения:
2F
F
F
2F
1
Действительное, мнимое.
2
Прямое, перевернутое.
3
Равное, уменьшенное, увеличенное.
𝑑<𝐹
Подчеркни характеристики
изображения:
2F
F
F
2F
1
Действительное, мнимое.
2
Прямое, перевернутое.
3
Равное, уменьшенное, увеличенное.
Вывод: сравни и охарактеризуй изображения в линзах.
Вывод: ___________________________________________________________________
__________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________
Физика
Оценка:____ Класс:11
Ответы:
Дата: ______________
Лабораторная работа «Исследование свойств изображений в линзах».
Тема: Исследование свойств изображений в собирающей линзе при различных
положениях предмета.
Цель работы: Теоретически исследовать зависимость характеристик изображения
(расстояния до изображения, увеличения, типа изображения) от расстояния до
предмета для собирающей и рассеивающей линзы, используя построение лучей.
Оборудование (Не требуется физическое): рабочий лист.
Выполни построение изображений в линзах и охарактеризуй их.
𝑑 > 2𝐹
Подчеркни характеристики
изображения:
2F
F
F
2F
1
Действительное, мнимое.
2
Прямое, перевернутое.
3
Равное, уменьшенное, увеличенное.
𝑑 = 2𝐹
Подчеркни характеристики
изображения:
2F
F
F
2F
1
Действительное, мнимое.
2
Прямое, перевернутое.
3
Равное, уменьшенное, увеличенное.
𝐹 < 𝑑 < 2𝐹
Подчеркни характеристики
изображения:
2F
F
F
2F
1
Действительное, мнимое.
2
Прямое, перевернутое.
3
Равное, уменьшенное, увеличенное.
𝑑=𝐹
Подчеркни характеристики
изображения:
2F
F
F
2F
1
Действительное, мнимое.
2
Прямое, перевернутое.
3
Равное, уменьшенное, увеличенное.
𝑑<𝐹
Подчеркни характеристики
изображения:
2F
F
F
2F
1
Действительное, мнимое.
2
Прямое, перевернутое.
3
Равное, уменьшенное, увеличенное.
𝑑 > 2𝐹
Подчеркни характеристики
изображения:
2F
F
F
2F
1
Действительное, мнимое.
2
Прямое, перевернутое.
3
Равное, уменьшенное, увеличенное.
𝑑 = 2𝐹
Подчеркни характеристики
изображения:
2F
F
F
2F
1
Действительное, мнимое.
2
Прямое, перевернутое.
3
Равное, уменьшенное, увеличенное.
𝐹 < 𝑑 < 2𝐹
Подчеркни характеристики
изображения:
2F
F
F
2F
1
Действительное, мнимое.
2
Прямое, перевернутое.
3
Равное, уменьшенное, увеличенное.
𝑑=𝐹
Подчеркни характеристики
изображения:
2F
F
F
2F
1
Действительное, мнимое.
2
Прямое, перевернутое.
3
Равное, уменьшенное, увеличенное.
𝑑<𝐹
Подчеркни характеристики
изображения:
2F
F
F
2F
1
Действительное, мнимое.
2
Прямое, перевернутое.
3
Равное, уменьшенное, увеличенное.
Вывод: сравни и охарактеризуй изображения в линзах.
Вывод: В ходе данной теоретической работы я исследовал свойства изображений,
формируемых собирающей линзой при различных положениях предмета, используя
метод построения лучей. Я теоретически проанализировал зависимость расстояния
до изображения, увеличения и типа изображения от расстояния до предмета.