2023年沈陽市中考物理試卷中的第22題，源于人教版八年級上冊教材第五章第3節(jié)“凸透鏡成像的規(guī)律”。該試題從實(shí)驗(yàn)操作過程、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析、實(shí)驗(yàn)結(jié)論應(yīng)用等方面有效考查了考生的動(dòng)手操作能力和動(dòng)腦分析問題、解決問題以及對知識的遷移能力。

原題再現(xiàn)

例 （2023·遼寧·沈陽）在“探究凸透鏡成像的規(guī)律”的實(shí)驗(yàn)中，選用的凸透鏡焦距為10 cm，將實(shí)驗(yàn)器材調(diào)節(jié)好，把點(diǎn)燃的蠟燭放在距凸透鏡較遠(yuǎn)的地方，然后逐漸移近，觀察燭焰成像情況并記錄物距和像距。

（1）蠟燭、凸透鏡、光屏在光具座上的位置如圖1所示，此時(shí)燭焰的像成在光屏的中央，燭焰的像是倒立、 的實(shí)像；若只將凸透鏡調(diào)高，則光屏上燭焰的像會(huì)向 移動(dòng)。

（2）如圖1，保持凸透鏡的位置不變，將蠟燭移動(dòng)到光具座上30 cm刻度處，移動(dòng)光屏直到光屏上再次出現(xiàn)清晰的像，則像移動(dòng)的距離 （填“大于”“等于”或“小于”）蠟燭移動(dòng)的距離。

（3）實(shí)驗(yàn)中，小麗觀察到圖2中的物點(diǎn)S的虛像S'，請根據(jù)凸透鏡成像原理，在圖中完成物點(diǎn)S發(fā)出的光線a經(jīng)過凸透鏡后的折射光線。

（4）畢業(yè)典禮上，小麗想拍攝教學(xué)樓的全景，但她所在的位置只能拍攝到教學(xué)樓的一部分，由于無法改變拍攝位置，她只能通過改變照相機(jī)鏡頭焦距使像變小，從而拍攝到全景。小麗的照相機(jī)鏡頭相當(dāng)于一個(gè)焦距可變的凸透鏡，為了拍攝到全景，她應(yīng)該調(diào)節(jié)照相機(jī)鏡頭的焦距，使其適當(dāng) （填“變大”或“變小”）。

破解策略

第（1）問：有2種解題策略，都是以“凸透鏡成像的規(guī)律”“通過光心的特殊光線”“實(shí)驗(yàn)器材操作”為根本進(jìn)行思考。

策略1：基于“當(dāng)u > 2f時(shí)，成倒立、縮小的實(shí)像”“過光心的光線傳播方向不變”分析。

解法1：蠟燭、凸透鏡、光屏在光具座上的位置如圖1所示，此時(shí)物距u = 50 cm - 15 cm = 35 cm，根據(jù)u > 2f，可知成倒立、縮小的實(shí)像；若只將凸透鏡調(diào)高，根據(jù)通過光心的光線傳播方向不變，可知光屏上燭焰的像會(huì)向上移動(dòng)。

策略2：基于“當(dāng)u > v時(shí)，成倒立、縮小的實(shí)像”“實(shí)驗(yàn)操作過程中，光屏上像的位置變化”分析。

解法2：當(dāng)蠟燭、凸透鏡、光屏在光具座上的位置如圖1所示時(shí)，物距大于像距，根據(jù)凸透鏡成像規(guī)律，當(dāng)u > v時(shí)，成倒立、縮小的實(shí)像；若只將凸透鏡調(diào)高，相當(dāng)于一段時(shí)間后，蠟燭越燒越短，根據(jù)成實(shí)像時(shí)是倒像可知，物向下移動(dòng)時(shí)，像就向上移動(dòng)。

第（2）問：有2種解題策略，都是以“凸透鏡成像的規(guī)律”及“成像變化規(guī)律”為根本進(jìn)行思考。

策略1：基于“當(dāng)u = v = 2f時(shí)成倒立、等大的實(shí)像”分析。

解法1：如圖1，保持凸透鏡的位置不變，將蠟燭移動(dòng)到光具座上30 cm刻度處，此時(shí)物距u = 50 cm - 30 cm = 20 cm = 2f，根據(jù)u = v = 2f，可知成倒立、等大的實(shí)像，即像距v = 2f = 20 cm，則蠟燭移動(dòng)的距離為30 cm - 15 cm = 15 cm，像移動(dòng)的距離為70 cm - 65 cm = 5 cm，比較可知像移動(dòng)的距離小于蠟燭移動(dòng)的距離。

策略2：基于“凸透鏡成實(shí)像時(shí)物距、像距移動(dòng)速度的關(guān)系”分析。

解法2：如圖1，保持凸透鏡的位置不變，蠟燭在u > 2f的范圍移動(dòng)，像的移動(dòng)范圍為f < v < 2f，像移動(dòng)的速度小于蠟燭移動(dòng)的速度，故像移動(dòng)的距離小于蠟燭移動(dòng)的距離。

第（3）問：根據(jù)教材中“凸透鏡成虛像原理”為作圖依據(jù)進(jìn)行思考。

解法：物體發(fā)出的光線經(jīng)過凸透鏡折射后好像是從其虛像的像點(diǎn)發(fā)出的，如圖3所示。

第（4）問：有2種解題策略，根據(jù)“像的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)”及“凸透鏡的焦距影響它對光的會(huì)聚能力”這一知識的遷移進(jìn)行思考。

策略1：運(yùn)用“相對運(yùn)動(dòng)和實(shí)像動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)”知識進(jìn)行分析。

解法1：為了拍攝到全景，她應(yīng)該將照相機(jī)鏡頭的焦距變小，因凸透鏡焦距變小，相當(dāng)于增大物距，鏡頭后縮減小像距，像隨之變小。

策略2：課外延伸“透鏡焦距對光作用的遷移——變焦攝影”；組織身邊喜歡攝影的同學(xué)，開展項(xiàng)目式學(xué)習(xí)活動(dòng)。

解法2：變焦通常是指通過移動(dòng)鏡頭內(nèi)的凸透鏡鏡片位置來拉長或縮短焦距，從而造成視角或圖像大小的變化，獲取拉近或拉遠(yuǎn)的效果。一般來說，焦距越大，拍攝的畫面就越窄，畫面中能容納的景物就越少，拍攝的物體就會(huì)顯得越大；焦距越小，拍攝的畫面就越寬，畫面中能容納的景物就越多，拍攝的物體就會(huì)顯得越小。本題中使像變小，所以應(yīng)適當(dāng)變小凸透鏡的焦距。

答案：（1）縮小 上 （2）小于 （3）如圖3 （4）變小

拓展訓(xùn)練

1.如圖4，小明進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室準(zhǔn)備“探究凸透鏡成像的規(guī)律”實(shí)驗(yàn)時(shí)，恰好看到窗戶通過凸透鏡在光屏上成了一個(gè)清晰的像，如圖甲所示，此時(shí)凸透鏡和光屏分別在光具座的50 cm、61 cm刻度線處，如圖乙所示。

（1）圖甲中，光屏上窗戶的像是倒立、 的實(shí)像，生活中 就是利用這一成像原理工作的。如果實(shí)驗(yàn)室只有焦距為10 cm和15 cm兩種規(guī)格的凸透鏡，根據(jù)小明觀察到的現(xiàn)象可知光具座上凸透鏡的焦距為 cm。

（2）把點(diǎn)燃的蠟燭放在光具座的20 cm刻度線處，若凸透鏡、光屏保持在如圖乙所示的位置不變，光屏上燭焰的像會(huì)很模糊，我們可以適當(dāng)?shù)叵? （填“左”或“右”）移動(dòng)光屏，使光屏上得到燭焰清晰的像。一段時(shí)間后，小明發(fā)現(xiàn)燭焰的像如圖丙所示，此時(shí)將蠟燭向 調(diào)節(jié)可以使?fàn)T焰的像移回到光屏中央。

（3）調(diào)節(jié)好燭焰的高度后繼續(xù)實(shí)驗(yàn)，把蠟燭向右移動(dòng)一段距離，光屏上的像模糊了，可以在凸透鏡和蠟燭之間適當(dāng)位置放一個(gè)度數(shù)合適的 （填“近視”或“遠(yuǎn)視”）鏡片，使光屏上再次呈現(xiàn)燭焰清晰的像。

（4）如果小明只將圖中的凸透鏡換成薄玻璃板，前后移動(dòng)光屏，他 （填“能”或“不能”）在光屏上直接觀察到燭焰的像。

2.某小組同學(xué)在進(jìn)行“探究凸透鏡成像的規(guī)律”實(shí)驗(yàn)時(shí)，實(shí)驗(yàn)室中可供選擇的器材有：由發(fā)光二極管組成的“F”形和“T”形光源、凸透鏡、光具座、光屏等。

（1）他們需要選擇 光源進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，選擇該光源的理由是： 。

（2）將選好的光源、凸透鏡和光屏安裝在光具座上，點(diǎn)亮光源，移動(dòng)光屏，光屏上承接到不完整的像。這是因?yàn)樗麄冞z漏了一個(gè)實(shí)驗(yàn)步驟，這一步驟是： 。

（3）在探究物距大于二倍焦距的成像特點(diǎn)時(shí)，同組的小天想到航天員王亞平太空授課制作水球時(shí)呈現(xiàn)的情景（如圖5），他通過反復(fù)實(shí)驗(yàn)，弄懂了其中奧妙。假設(shè)王亞平稍向后遠(yuǎn)離水球，則她在球中所成的像將 [。]

（4）完成實(shí)驗(yàn)后，同學(xué)們發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室中還有一個(gè)焦距不同的凸透鏡，以及凹透鏡、硬紙片各一個(gè)。他們想利用其中一個(gè)器材，采取增加或更換器材的方式對原實(shí)驗(yàn)進(jìn)行拓展。請仿照示例寫出兩個(gè)不同的拓展實(shí)驗(yàn)。

示例：將凹透鏡放在凸透鏡與光源之間，研究近視眼的矯正原理。

[①] ；[②] 。

答案：1.（1）縮小 照相機(jī) 10 （2）右 上 （3）遠(yuǎn)視 （4）不能

2.（1）“F”形 不僅能比較出像與物體的倒正關(guān)系，而且能比較出像與物體的左右關(guān)系

（2）調(diào)節(jié)光源、凸透鏡、光屏三者的中心在同一高度

（3）變小

（4）①用硬紙片遮住凸透鏡的一部分，研究成像是否完整或亮度與凸透鏡透光多少的關(guān)系 ②換一個(gè)焦距不同的凸透鏡，探究焦距變化對成像的影響（將另一個(gè)凸透鏡放在原凸透鏡前面適當(dāng)位置，研究遠(yuǎn)視眼的矯正原理等，答案合理即可）