【凸透镜成像规律实验专题[含答案解析]】在光学实验中，凸透镜成像规律是一个非常重要的知识点，它不仅帮助我们理解光的传播特性，还广泛应用于照相机、显微镜、望远镜等光学仪器的设计与使用中。本专题将围绕“凸透镜成像规律”展开详细讲解，并附上相关实验题目的解析，帮助学生更好地掌握这一部分内容。
一、实验目的
1. 掌握凸透镜成像的基本规律；
2. 理解物距、像距和焦距之间的关系；
3. 学会通过实验观察并记录不同物距下像的性质（如大小、正倒、虚实）；
4. 验证凸透镜成像公式：$ \frac{1}{f} = \frac{1}{u} + \frac{1}{v} $。
二、实验器材
- 凸透镜（已知焦距）
- 光具座或刻度尺
- 蜡烛（作为光源）
- 光屏（用于接收像）
- 支架（固定透镜、蜡烛、光屏）
三、实验原理
凸透镜对光线具有会聚作用，当物体位于不同的位置时，会在光屏上形成不同的像。根据物距（u）、像距（v）和焦距（f）的关系，可以判断成像的性质：
| 物距（u） | 像距（v） | 成像性质 |
|------------|-------------|-----------|
| u > 2f | f < v < 2f| 倒立、缩小、实像 |
| u = 2f | v = 2f| 倒立、等大、实像 |
| f < u < 2f | v > 2f| 倒立、放大、实像 |
| u = f| v → ∞ | 平行光，无像 |
| u < f| v 为负值| 正立、放大、虚像 |
四、实验步骤
1. 将凸透镜安装在光具座上，调整其高度与蜡烛火焰在同一水平线上；
2. 将蜡烛放置在透镜左侧适当位置，点燃后作为物体；
3. 移动光屏，直到在光屏上出现清晰的像；
4. 记录物距（u）、像距（v），并观察像的大小、正倒、虚实；
5. 重复实验，改变物距，观察不同情况下的成像特点；
6. 根据实验数据验证成像公式。
五、注意事项
- 实验过程中应保持环境光线较暗，便于观察像的清晰程度；
- 调整光屏时要缓慢移动，避免错过清晰像的位置；
- 注意物距与像距的方向问题，确保测量准确；
- 若无法在光屏上成像，则说明是虚像，需用其他方法判断。
六、典型例题与解析
例题1：
一个物体放在凸透镜前20cm处，凸透镜的焦距为10cm，求像的位置及性质。
解析：
已知：u = 20cm，f = 10cm
根据公式：
$$
\frac{1}{f} = \frac{1}{u} + \frac{1}{v}
$$
代入数值：
$$
\frac{1}{10} = \frac{1}{20} + \frac{1}{v}
$$
解得：
$$
\frac{1}{v} = \frac{1}{10} - \frac{1}{20} = \frac{1}{20}
$$
所以，v = 20cm
由于 u > 2f，因此像为倒立、缩小、实像，位于透镜另一侧20cm处。
例题2：
某同学在实验中发现，当物距为15cm时，像不能在光屏上呈现，但可以通过眼睛直接看到像。试分析该现象的原因。
解析：
当物距小于焦距（u < f）时，凸透镜成的是正立、放大的虚像。此时像无法在光屏上呈现，因为虚像不能被光屏接收，只能通过眼睛直接观察。因此，该现象说明物体位于凸透镜的一倍焦距以内。
七、总结
通过本实验，我们可以深入理解凸透镜成像的规律，掌握物距、像距与焦距之间的关系，并能够根据实验数据判断成像的性质。同时，也能培养学生的动手能力和科学探究精神。
附：常见误区提醒
- 不要混淆“物距”与“像距”的方向；
- 当像为虚像时，像距为负值；
- 实像与虚像的区分关键在于是否能被光屏接收；
- 实验中若像模糊，可能是透镜未调平或光路未对准。
如需更多练习题或实验报告模板，可继续关注本专题后续内容。
