中考物理二轮复习核心素养提升专题07 物理探究实验（2）——光学中的3个探究实验（含解析）

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探究实验一：探究光的反射定律
【提出问题】光反射时遵循什么规律?反射光沿什么方向射出？
【设计实验】
1. 实验器材：激光笔、铅笔、量角器、平面镜、可折转的白色粗糙硬纸板等。
①量角器：测量入射角和反射角的度数。
②可折转白色粗糙硬纸板的作用：一是显示光的传播路径，对光线起漫反射作用；二是探究入射光线、法线和反射光线是否在同一平面内。
2. 实验装置如图1所示：把一个平面镜放在水平桌面上，再把一张纸板ENF竖直地立在平面镜上，纸板上的直线ON垂直于镜面。
图1研究光的反射定律 图2还能看到光吗？
【进行实验与收集证据】
1. 使一束激光贴着纸板沿某一个角度射到O点，经平面镜反射，将沿另一个方向射出。在纸板上用笔描出入射光EO和反射光OF的径迹。改变入射光的角度，多做几次，换用不同颜色的笔记录每次光的径迹。
取下纸板，用量角器测量ON两侧的∠i和∠r，将数据记录在下表中。
次数
∠i
∠r
1


2
3

2. 纸板ENF是用两块纸板连接起来的。将纸板NOF向前或向后折（如图2所示），在纸板上还能看到反射光吗？
3. 将光线逆着反射光线的方向射入，观察新的反射光的传播路径是否与原来的入射光线重合？
【分析与论证】
1. 描述光反射的几个基本术语
①入射点O：光线射到镜面上的点。
②法线ON ：通过入射点，垂直于镜面的直线。
③入射光线AO：入射到镜面的光线。
④反射光线OB：从镜面返回的光线。
⑤入射角i：入射光线与法线的夹角。
⑥反射角r：反射光线与法线的夹角。
2. 对实验现象进行分析：
①分析反射角和入射角的大小可得出：反射角等于入射角。
②分析反射光线、入射光线和法线的位置关系：可看到两半块纸板在一个平面内时有反射光线，右半部分向前折或向后折，观察不到反射光线。说明反射光线、入射光线、和法线在同一平面内。
③多次改变入射光线的路径，分别沿AO、BO、CO的方向射到平面镜，记录对应反射光线的路径分别为OA'、OB'、OC'。会发现：反射光线和入射光线总是分居法线的两侧。

④光路可逆：将光线逆着反射光线的方向射入，观察到新的反射光的传播路径与原来的入射光线重合；
3. 实验结论：
光的反射定律：在反射现象中，反射光线、入射光线、和法线在同一平面内；反射光线和入射光线分居法线的两侧；反射角等于入射角。
在反射现象中，光路可逆。
【交流与讨论】
1. 对应关系：每一条反射光线对应一条入射光线。
2. 让光线紧贴纸板（光屏）射向 点的目的：在硬纸板（光屏）上能显示光路.
3. 实验描绘光的传播路径的方法：在入射光线和反射光线上取一个点，将该点与反射点连接。
4. 区分每一组的对应的入射光线和反射光线的方法：对每一组入射光线和反射光线分别用不同颜色的笔进行描绘，或者对每一组入射光线和反射光线进行编号.
【例题1】在“探究光的反射规律”实验中:
甲 乙

（1）实验过程中，纸板与平面镜必须 放置.
（2）如图甲所示，一束光沿MO方向射向镜面，则反射光沿 方向.
（3）图甲中，若使光束沿NO方向射向平面镜，则反射角为 度.
（4）实验中需要用到的测量器材有 .
（5）图乙中，使用可绕ON折转的纸板的目的是 .
（6）如图乙所示，使一束光贴着纸板EON沿某一角度射到O点，在纸板FON上没有观察到反射光，原因可能是 .
（7）图乙中，让入射光线EO靠近法线NO，则反射角会 .如果让光线逆着OF的方向射到平面镜上，会看到反射光线沿着OE方向射出，此现象说明 .
（8）为了便于测量和研究，需要把光路记录在纸板上，你的方法是 .
（9）正确操作实验，并在纸板上记录每次实验中光的径迹，取下纸板，接下来进行的操作是 ，将数据记录在表格中，并比较反射角与入射角的大小.
（10）小明完成实验探究后，将实验所测数据记录在表一中，他根据表中数据得出的结论和其他同学的结论并不一致。请根据表中的数据分析小明实验中出现错误的原因是 .
表一 表二
（11）小东也完成了实验探究，测量数据如表二所示。小东分析数据得出的结论是：光发生反射时，入射角等于反射角。小聪的结论是：光发生反射时，反射角等于入射角。你认为 的结论正确，理由是___________。
【答案】（1）垂直；（2）OB；（3）0；（4）量角器；（5）探究反射光线、入射光线和法线是否在同一平面内；（6）纸板EON与FON不在同一平面内(或纸板没有与平面镜垂直)；（7）减小，在反射现象中，光路是可逆的；（8）在纸板上用笔描出入射光和反射光的径迹；（9）测量入射角和对应反射角的大小；（10）将反射光线与镜面的夹角当成了反射角(或将入射光线与镜面的夹角当成了入射角)；（11）小聪，光发生反射时，入射角是自变量，反射角是因变量。
【解析】（1）实验过程中，纸板与平面镜必须垂直放置.
（2）如图甲所示，一束光沿MO方向射向镜面，根据光的反射定律，则反射光沿OB方向.
（3）图甲中，若使光束沿NO方向射向平面镜，入射角为0，则反射角也为0度.
（4）实验中需要用到的测量器材有量角器.
（5）图乙中，使用可绕ON折转的纸板的目的是探究反射光线、入射光线和法线是否在同一平面内.
（6）如图乙所示，使一束光贴着纸板EON沿某一角度射到O点，在纸板FON上没有观察到反射光，原因可能是纸板EON与FON不在同一平面内(或纸板没有与平面镜垂直).
（7）图乙中，让入射光线EO靠近法线NO，则反射角会减小.如果让光线逆着OF的方向射到平面镜上，会看到反射光线沿着OE方向射出，此现象说明在反射现象中，光路是可逆的.
（8）为了便于测量和研究，需要把光路记录在纸板上，比较好的方法是在纸板上用笔描出入射光和反射光的径迹.
（9）正确操作实验，并在纸板上记录每次实验中光的径迹，取下纸板，接下来进行的操作是测量入射角和对应反射角的大小，将数据记录在表格中，并比较反射角与入射角的大小.
（10）请根据表中的数据分析，小聪的结论正确，小东结论错误的原因是：因果关系颠倒了，因为光发生反射时，入射角是自变量，反射角是因变量。
探究实验二：探究平面镜成像的特点
【提出问题】平面镜成的像有什么特点呢？
【猜想和假设】1. 像的位置在平面镜前或后；
2. 像和物大小相等或不相等；
3. 像到平面镜的距离与物到平面镜的距离相等或不相等。
【设计实验】
1. 实验器材：薄玻璃板、支架、两只完全相同的蜡烛、白纸一张、刻度尺、笔等。
2. 实验装置如下图3所示。
3. 怎样确定像的位置? 怎样比较像与物的大小?
①用玻璃板代替平面镜，既能成像，又能便于透过玻璃板找到像的位置.
②用未点燃的相同大小的蜡烛替代点燃蜡烛的像，可以比较物体和像的大小.
③进行多次实验，避免偶然性，使结论具有普遍性.
【进行实验与收集证据】
1. 如图4所示，将一张白纸放在水平桌面上，再将一块玻璃板竖直放在纸上。准备两根相同的蜡烛以及刻度尺、铅笔等。
2. 在玻璃板前放一支点燃的蜡烛。看一看，它的像是在镜前还是在镜后？
图3 图4
B
A
3. 将另一只完全相同的未点燃的蜡烛B放到镜后，使它与点燃的蜡烛A的像重合，此时玻璃板后蜡烛B位置就是像的位置，记下两支蜡烛的位置。（改变蜡烛到镜面的距离，进行三次实验）
4. 观察并比较蜡烛A的像与蜡烛B的大小。
5. 移去镜后的蜡烛，在此位置放一张白卡片，观察白卡片上是否有像？
【分析与论证】
1. 用铅笔在白纸上画出平面镜以及蜡烛A和蜡烛B的位置，用刻度尺画直线把两支蜡烛的位置连接起来，量出两支蜡烛到玻璃板的距离。发现像和物体到平面镜的距离相等。


2. 用量角器测量物与像的连线与镜面之间的夹角，发现像与物的连线与镜面垂直。
3. 移去镜后的蜡烛，在此位置放一张白卡片，发现白卡片上没有像，表明该像是虚像。
4. 实验结论：
平面镜成像的特点：平面镜所成的像是虚像，像的大小和物体的大小相等，像和物体到平面镜的距离相等，像和物体的连线与镜面垂直。
根据数学对称知识，平面镜成像的规律也可表述为：平面镜所成的像与物体关于镜面对称。
【交流与讨论】
1. 得出蜡烛和像到玻璃板的距离不等的原因：①蜡烛没有垂直放置；②后支蜡烛与前支蜡烛在玻璃板中的像没有完全重合；③玻璃板太厚。
2. 将桌面上的白纸换成方格纸的好处是方便比较蜡烛A和像到平面镜的距离.
3. 观察像的时候，眼睛的位置应与蜡烛A同侧。因为平面镜成像的原理是光的反射，且只有当光进入人眼时，人眼才能看到像.
【例题3】如图甲所示是某同学做“探究平面镜成像规律”实验时的情景，请回答下列问题：
甲 乙 丙

（1）实验中应选用玻璃板代替平面镜，目的是 。实验中应选择 （选填“较厚”或“较薄”）的玻璃板，若选择另一种玻璃板会产生什么现象? .
（2）实验时，若该同学发现无论如何移动蜡烛B都无法与蜡烛A的像重合，原因可能是 .
（3）该同学应选用两支 的蜡烛，目的是比较像与物的 关系，这里用到的是 （填实验方法）.
（4）该同学把一支点燃的蜡烛A放在玻璃板的前面，此时应该从 （选填“玻璃板前”或“玻璃板后”）观察蜡烛A的像，这个像是由光的 形成的.
（5）该同学将另一支与蜡烛A完全相同但 （选填“点燃”或“不点燃”）的蜡烛B放到玻璃板后像的位置，它与像完全重合，说明像与蜡烛A的大小 （选填“相等”或“不相等”）.
（6）将光屏放在蜡烛B的位置上，发现光屏上 （选填“能”或“不能”）承接到蜡烛A的像。这说明平面镜成像时成的是 像.
（7）该同学在只做了一次实验后就得出了实验结论，这种做法正确吗，为什么? .
（8）若该同学将桌面上的白纸换成方格纸进行实验，则这种做法的优点是 .
（9）进行过三次实验后，记录的物体和像的位置如图乙所示，为了得到实验结论，接下来应如何操作? .
（10）分析图丙中的信息可得出平面镜成像的特点：像和物到平面镜的距离 ；和物的连线与平面镜 。
（11）将白纸沿MN对折后发现物体的位置和它的像的位置重合，所以平面镜成像的特点又可表述为：平面镜成的像与物体关于镜面 .
（12）用棋子代替蜡烛进行实验，但怎么也看不清楚棋子的像，请你提出一个解决这个问题的办法： .
【答案】（1）便于确定像的位置，较薄，会同时出现两个像；（2）玻璃板没与水平桌面垂直放置；（3）完全相同，大小，等效替代法；（4）玻璃板前，反射；（5）不点燃，相等；（6）不能，虚像；（7）不正确，因为仅凭一次实验数据得出的结论具有偶然性；（8）方便比较像与物到平面镜的距离关系；（9）测量对应的像和物到平面镜的距离并比较它们的大小关系（或连接对应的像和物，测量像与物的连线与平面镜是否垂直）；（10）相等，垂直；（11）对称；（12）用灯光照亮棋子。
【解析】（1）实验中应选用玻璃板代替平面镜，目的是便于确定像的位置。实验中应选择较薄的玻璃板，若选择厚的玻璃板，则蜡烛会通过前后两个面成两个虚像。
（2）实验时，若该同学发现无论如何移动蜡烛B都无法与蜡烛A的像重合，原因可能是玻璃板没与水平桌面垂直放置。
（3）选用两支完全相同的蜡烛，目的是比较像与物的大小关系，这里用到的是等效替代法。
（4）该同学把一支点燃的蜡烛A放在玻璃板的前面，此时应该从玻璃板前观察蜡烛A的像，因为平面镜成像的原理是光的反射，且只有当光进入人眼时，人眼才能看到像。
（5）该同学将另一支与蜡烛A完全相同但不点燃的蜡烛B放到玻璃板后像的位置，它与像完全重合，说明像与蜡烛A的大小相等。
（6）将光屏放在蜡烛B的位置上，发现光屏上不能承接到蜡烛A的像。这说明平面镜成像时成的是 虚像。
（7）该同学在只做了一次实验后就得出了实验结论，这种做法不正确，因为仅凭一次实验数据得出的结论具有偶然性。
（8）将桌面上的白纸换成方格纸进行实验，优点是方便比较像与物到平面镜的距离关系。
（9）进行过三次实验后，记录的物体和像的位置如图乙所示，为了得到实验结论，接下来应如何操作? 测量对应的像和物到平面镜的距离并比较它们的大小关系（或连接对应的像和物，测量像与物的连线与平面镜是否垂直）。
（10）分析图丙中的信息可得出平面镜成像的特点：像和物到平面镜的距离相等；像和物的连线与平面镜垂直。
（11）将白纸沿MN对折后发现物体的位置和它的像的位置重合，所以平面镜成像的特点又可表述为：平面镜成的像与物体关于镜面对称。
（12）用棋子代替蜡烛进行实验，但怎么也看不清楚棋子的像，可以用灯光照亮棋子。
探究实验三：探究凸透镜的成像规律
【提出问题】凸透镜所成像的虚实、大小、正倒跟什么因素有关系？
【猜想和假设】①可能与物体到透镜的距离有关。生活中的支持事例：照相机、投影仪和放大镜的成像特点不同，是因为物体到透镜的距离不同。
②可能与凸透镜的焦距有关。生活中的支持事例： 同一物体通过照相机成像，当照相机的焦距改变时（调焦），凸透镜所成像的大小会改变。
【设计实验】
1. 关于物距、像距：
物距u：是指物体到透镜光心的距离；像距v：是指像到透镜光心的距离。

2. 我们可以把物体放在距凸透镜较远的地方，然后逐渐移近，观察成像的情况。由于凸透镜对光的偏折程度跟透镜的焦距f有关系，所以研究物距u的变化时，焦距可能是个应该注意的参照距离。比如，我们可以注意观察物距大于、等于、小于一倍焦距、二倍焦距……时物体成像的情况。
【进行实验与收集证据】
1. 实验器材：光具座、凸透镜（焦距 f =10cm）、蜡烛（烛焰作为发光体）、光屏等。

2. 实验操注意事项
①实验时，先调节烛焰、透镜和光屏的高度，使烛焰的中心、透镜的光心和光屏的中心大致在同一高度，目的是使像成在光屏中央。
②实验过程中，蜡烛燃烧变短，为了使像仍成在光屏的中央，如果只调节蜡烛，应把蜡烛往上调；如果只调节光屏，应把光屏往上调。
3. 用一只蜡烛作为发光体，一块白色的硬纸板作为屏，研究烛焰的成像情况。
①把蜡烛放在较远处，调整光屏到凸透镜的距离，使烛焰在屏上成清晰的实像。观察实像的大小和正倒，测出物距u和像距v。
②把蜡烛向凸透镜移近几厘米，放好后重复以上操作。
③继续向凸透镜移动蜡烛并调整光屏的位置，你总能在屏上得到蜡烛的像吗?撤去光屏，从光屏一侧向透镜方向看去，能否观察到蜡烛的像?像在什么位置?
把实验中得到的数据和观察结果填入下表。每个小组可以自己选择适当的物距，并与各小组共享测量的数据。
像与物距的关系 凸透镜的焦距f=10cm
物距与焦距的关系
物距u/cm
像的性质
像距v/cm
虚实
大小
倒正
u > 2f
30
实像
缩小
倒立
15
u = 2f
20
实像
等大
倒立
20
2f >u >f
15
实像
放大
倒立
30
u 2f，根据凸透镜的成像规律可知：u>2f，则2f﹥v﹥f，
成倒立缩小的实像，所以光屏应在1倍焦距与2倍焦距之间，在光具座的60cm到70cm之间，光屏应靠近凸透镜。
（3）将自己的近视眼镜取下来放在蜡烛和凸透镜之间，由于近视眼镜是凹透镜，对光线起发散作用，成像远离凸透镜，所以应将光屏远离凸透镜，光屏上才能再次成清晰的像。
实验序号
①
②
③
物到平面镜的距离/cm
4.3
6.8
9.2
像到平面镜的距离/cm
4.6
6.6
9.2
序号
入射角
反射角
1
30°
30°
2
45°
45°
3
60°
60°
次数
1
2
3
4
5
6
∠i
20°
30°
40°
50°
60°
70°
∠r
20°
30°
40°
50°
60°
70°