-
透鏡成像
-
光與色的世界(第三冊第四章第三節)
-
光的折射與透鏡
-
45分鐘
-
科學學習中心
-
一、透過實驗觀察光線經過透鏡後之成像現象,從中理解光的折射現象與原理。
二、從測量凸透鏡之焦距實驗中,理解焦距與焦點之意義。
三、能觀察到透鏡折射後成像之大小、正反、位置等性質皆會因物體與透鏡之間的距離差異而有所改變,並且記錄與歸納結果。
四、從實像與虛像觀察中,理解其意義與區別。
五、認識並瞭解菲涅耳透鏡(Fresnel lens)和普通凸透鏡的異同點。 -
LED光源組、A5菲涅耳透鏡、放大鏡、白紙、觀察物件、曬衣夾(或長尾夾)x4、捲尺、尺、電工膠帶、剪刀、行動電源
-
將透鏡置於天花板燈具正下方,找出清楚成像的位置,成像與透鏡間的距離,即為透鏡約略的焦距。(此為短焦透鏡焦距簡易測量方式)
- 時間 教學活動流程 教學資源
-
5分鐘一、經驗連結與預測
1.引起動機:
(1)詢問學生是否曾在大賣場或其他地方看過一種半透明的塑膠片,可讓顧客方便放大觀察標籤使用?
(2)詢問學生是否使用過放大鏡,若放大鏡離要觀察的物體太遠,將會發生什麼現象呢?
2.舊課程回顧:
(1)簡單介紹凸透鏡的各種位置的成像性質。 -
30分鐘二、操作與觀察
(一)如何測量菲涅耳透鏡的焦距?
1.將菲涅耳透鏡拿至陽光下,觀察透鏡與地面的距離多遠時,透鏡所形成的光點最小、最亮,將測量的距離記錄下來。
2.提醒學生需注意到當時太陽的仰角與太陽光直射的角度,菲涅耳透鏡的鏡面擺放時,鏡面需盡量與太陽入射的角度垂直。
3.需提醒學生,當天可配戴墨鏡,若沒有墨鏡,請學生眼睛不要直視亮點,以免眼睛受傷。
4.室內觀測方法:
將實驗地點移動至窗邊。先將凸透鏡之鏡面面向遠方高聳物體(如建築物或者樹木),再將白色紙張調整至與鏡面平行之位置,此時遠方高聳物體之倒立縮小實像會映現於紙張上。學生可緩慢調整紙張與鏡面之距離,找出使遠方高聳物體在紙張上呈現最清晰成像之位置。紙張與凸透鏡中心之距離即為像距,亦大約等於待測凸透鏡之焦距。
若凸透鏡的焦距較短,也可以天花板上的燈具為觀察物,紙屏置於燈具正下方的地面,將凸透鏡平行紙屏於二者之間移動,找出燈具於紙屏上成像最清晰之處,紙屏與凸透鏡中心之距離即為像距,亦大約等於(略大於)待測凸透鏡之焦距。
(二)透鏡成像實驗
1.將菲涅耳透鏡、光源、白紙排成一直線。將菲涅耳透鏡置於桌面展示牌內,一側放置光源組,另一側手持屏幕白紙以觀察成像。
2.移動透鏡與光源之距離來調整物距,觀察像距及成像大小、正反變化,觀察出物體與成像之間的關係。緩緩移動白紙,直到紙上光源的成像清晰。
3.請學生記錄下屏幕的成像聚焦最清楚的時刻的物距(光源與透鏡的距離)與像距(光源物體成像與透鏡的距離)。分別記錄下成像與光源大小相等、成像大於光源大小、成像小於光源大小的物距與像距之情形。如果在紙屏上面無法成像,可用眼睛替代紙屏透過透鏡來觀察。
4.完成透鏡成像學習單。
5.若需要光源更清楚地呈現,操作時可將教室內的燈光關閉。
(三)延伸探究
1.運用先前所學過的凸透鏡成像性質,歸納整理自己的紀錄,求出焦距並對照之前在陽光下所測量出的焦距,是否相同。
2.將光源移到教室最後面(模擬無窮遠處),調整透鏡,觀察屏幕所形成的像為何?
3.請學生嘗試推測若物體經過凸透鏡的折射,是否會產生與實物大小相當但上下顛倒之實像?物體與成像之位置會出現在哪個位置上?試說明原因。
4.當我們欲以菲涅耳凸透鏡將報紙上的小字放大時,應當將報紙放置於透鏡之焦點內或焦點外? -
5分鐘三、原理說明
(一)菲涅耳透鏡之原理與製作:
1.原始的菲涅耳透鏡是應用光經由很密的(黑白相間)同心圓紋繞射產生像凸透鏡的聚焦現象,由法國物理學家奧古斯丁.菲涅耳所發明。其鏡片相較一般透鏡輕薄,可視為扁平版本之凸透鏡,其又名螺紋透鏡。
2.現今生活上方便使用的菲涅耳透鏡,藉由折射只發生在透鏡表面等光學表面上,故僅保留發生折射的彎曲鏡面表面排成同心圓,便能在節省材料的情況下仍然保留聚光效果,這也是菲涅耳透鏡輕薄以及在表面有螺旋條紋之原因。
3.菲涅耳透鏡可造出更大孔徑且焦距短之透鏡(一般凸透鏡若要焦距短,需要很厚重又面積大,非常貴又重),又因其透鏡表面彎曲的部分會造成圖像失真,故這些特質往往使菲涅耳透鏡被使用於無需注重圖像品質,而是以減輕重量為主要目的之情況。燈塔之設計即為菲涅耳透鏡在日常生活中之應用的顯例,其使燈塔的光芒即使在十分遙遠之處亦可被人們所看見。
(資料參考:http://www.twwiki.com/wiki/%E8%8F%B2%E6%B6%85%E7%88%BE%E9%80%8F%E9%8F%A1及http://www.baike.com/wiki/%E8%8F%B2%E6%B6%85%E8%80%B3%E9%80%8F%E9%95%9C) -
5分鐘四、問題與討論
1.為什麼在第一個活動,老師讓學生利用太陽光來尋找菲涅耳透鏡的焦距,而不是拿手電筒照射菲涅耳透鏡來尋找焦距?
2.日常生活中有哪些東西使用到凸透鏡?當凸透鏡被運用到這些物品時,成像的性質為何?
3.「實像」與「虛像」有何區別?
4.當物體在紙屏上清楚成像以後,若將透鏡以不透明紙板遮住一半或2/3,則屏幕上的成像會發生什麼變化?試說明原因。
5.日常生活中有那些東西使用到菲涅耳透鏡?為何用菲涅耳透鏡取代一般的凸透鏡? -
參考資料維基百科:http://www.twwiki.com/wiki/%E8%8F%B2%E6%B6%85%E7%88%BE%E9%80%8F%E9%8F%A1
互動百科:http://www.baike.com/wiki/%E8%8F%B2%E6%B6%85%E8%80%B3%E9%80%8F%E9%95%9C