导学案：5.5 跨学科实践：制作望远镜（学生版）

学而优教有方.5跨学科实践：制作望远镜（导学案）【学习目标】1.了解望远镜的基本结构和原理。2.经历制作简单的望远镜的过程。3.了解望远镜的发展历程，体会科学技术对社会发展和生活的影响。【学习重点】1.望远镜的基本结构和成像原理。2.会制作望远镜模型。【学习难点】望远镜的成像原理。【自主预习】阅读教材，完成以下问题：1.望远镜的物镜相当于，目镜相当于（选填“投影仪”、“照相机”或“放大镜”）。远处的物体经过物镜在焦点附近成、的像，该像又经过目镜成、、像（均填像的性质），使视角可以变很大。2.物体的两端到人眼处所夹的角叫。用望远镜观察物体时，望远镜所成的像离我们的眼睛很近，了视角（选填“增大”或“减小”），因而通过望远镜能清楚地看到远处的物体。3.自制望远镜时，根据放大倍数的要求，选择适当的凸透镜分别作为物镜和目镜。观察最远处的物体时，两块凸透镜间的距离约等于两块凸透镜的之和。观察较近处的物体时，两块凸透镜间的距离要稍大一些。4.我们的宇宙有上千亿个星系，太阳是系中几千亿颗星中的一员；地球在离太阳比较近的第条轨道上。是太阳系中的一颗星。【合作探究】探究一、制作望远镜望远镜种类很多，其中一种是由两组凸透镜（开普勒望远镜）组成。1.探究望远镜的原理【实验器材】两个焦距不同的凸透镜。【实验步骤】①先用一个凸透镜（焦距大的）观察窗外远处的物体，注意成像情况。②再用另一个凸透镜（焦距小的）观察上面得到的物体的像，注意成像情况。③将两凸透镜的位置对调，再观察远处的物体，对比两次成像的大小。【分析论证，归纳结论】①将焦距较大的透镜放在焦距较小的透镜前面，观察物体，物体成、的像，远处的物体看上去放大了（选填像的性质）。②将两凸透镜的位置对调，将焦距较小的透镜放在焦距较大的透镜前面，再观察远处的物体，物体成、的像（选填像的性质）。2.望远镜的构造望远镜由两组透镜组成，每组透镜相当于一个凸透镜。靠近被观察物体的凸透镜，焦距比较长，叫。靠近眼睛的凸透镜，焦距比较短，叫做。望远镜示意图双筒望远镜我们见到的普通望远镜和军事望远镜都是双筒的，是双筒望远镜。它的两个镜筒都是拐了弯的，在拐弯处分别安装了两个“全反射棱镜”。这种设计一方面缩短了镜筒的长度，另一方面经过那两块棱镜的两次反射也能使本来倒立的像过来。3.望远镜的原理（1）物镜与目镜物镜相当于照相机的镜头，使远处的物体在焦点附近成、的实像。目镜相当于一个放大镜，、的虚像。两次成像，先缩小，后。（2）望远镜的成像光路图注意：①目镜把物镜所成的像进行放大。目镜所成的像正倒和大小是相对于物镜所成的像而言的。最后成像与物体本身比，是倒立、缩小的虚像。②物镜和目镜的距离等于两个透镜的焦距之和。（由于物体距望远镜的距离很大，第一次成像在物镜的焦点附近且无限靠近焦点，可以近似地认为在焦点处，要使目镜的放大倍数尽可能最大，则这个像要在目镜的一倍焦距以内且尽可能靠近焦点）。（3）视角物体距离物镜很远，它的像却离物镜很近，这样的像应该是缩小的，为什么用望远镜观察物体时会感到像被放大了？原来，我们能不能看清一个物体，它对我们的眼睛所成“视角”的大小十分重要，视角越大，对物体观察越清楚。①视角的概念从眼睛的中心向物体两端所引的两条直线的夹角。视角的大小不仅和物体本身的大小有关，还和物体到眼睛的有关。②望远镜对视角的放大用望远镜观察物体时，望远镜所成的像离我们的眼睛很近，增大了，因而通过望远镜能清楚地看到远处的物体。（4）望远镜的放大倍率如图所示，这样的望远镜（开普勒望远镜）的放大倍率为n=。其中，f物是物距的焦距，f目是目距的焦距。4.设计简易望远镜（1）确定望远镜的放大倍率自制的望远镜可以采用单片的凸透镜作为目镜和物镜。为了让成像质量好一些，其放大倍率不宜过大，取放大倍率为倍即可。（2）选择物镜和目镜望远镜的物镜和目镜可以选择老人阅读用放大镜的镜片，也可以使用老花镜的镜片，还可以直接购买凸透镜。利用本章所学知识测量凸透镜的焦距，并根据放大倍数的要求，选择适当的凸透镜分别作为物镜和目镜。在选择两块凸透镜时，除了需要满足焦距的要求，物镜的直径还要比目镜的直径大一些。测量凸透镜的直径，以便于制作直径合适的镜筒。由此，应选择焦距较长、直径较大的凸透镜作为镜，焦距较短、直径较小的凸透镜作为镜。（3）设计镜筒在用望远镜对不同远近的物体进行观察时，需要调节两块凸透镜间的距离。如图所示，镜筒可以设计成两段，让物镜的镜筒较目镜的镜筒粗一些，这样套在一起，便于在使用时调节。观察最远处的物体时，两块凸透镜间的距离约等于两块凸透镜的之和；观察较近处的物体时，两块凸透镜间的距离要稍一些。5.制作及调试望远镜（1）制作根据所选凸透镜的焦距和直径制作镜筒。例如，可以选用如图所示的两块凸透镜。其中，物镜的焦距约为20cm，直径约为5cm；目镜的焦距约为10cm，直径约为4cm。想一想：对于上图的制作方案，你有没有办法减小望远镜两个镜筒间的缝隙?另外，还应注意每段镜筒的长度需合适，以便留出前后调节的空间。制作时，根据凸透镜的焦距、直径等数据，以及对镜筒长度的要求，我们可以利用现成的圆筒状物品（如装羽毛球的筒），也可以通过截取适当尺寸的长方形纸板（如瓦楞纸板或其他材料），并把它卷起来制成镜筒。此外，还要考虑如何把物镜和目镜方便地固定在镜筒上。（2）试用与调整把目镜镜筒插入物镜镜筒内，把目镜放到眼前，通过望远镜观察远处的物体。在观察时要通过对镜筒长度的调节，改变物镜与目镜间的距离，直到在望远镜中看到远处物体清晰的像为止。6.反思与拓展（1）通过望远镜看到正立的像的方法这里制作的望远镜使用了两块凸透镜，观察到的远处物体的像是倒立的，怎样才能通过望远镜看到正立的像呢?第一种方法：如图所示，物镜使用透镜，目镜使用透镜，望远镜所成的像就是正立的了（伽利略望远镜）。第二种方法：是使用两个相互平行的平面反射装置把所成的像先上下颠倒一次，再左右颠倒一次。请你利用上面的方法改进你制作的望远镜，也可以针对你发现的望远镜的其他问题，设计解决的办法，让你的望远镜更加完善。【例题1】“超级月亮”比正常时的月亮要大百分之二十，亮度也有所增加，某天文爱好者为了研究这一现象，于是架设一台开普勒望远镜做进一步观察。关于该望远镜，下列说法正确的是（）A．它的物镜和目镜都是凹透镜B．它的物镜相当于投影仪，用来把物体放大C．物镜的作用是使远处的物体在焦点附近成虚像D．它由两个透镜组成，靠近眼睛的为目镜，靠近被观测物体的为物镜【例题2】如图所示用两只焦距不同的放大镜一前一后放在眼前观察远处的物体，下列说法中正确的是（）A.两只放大镜对物体进行了两次放大B．两只放大镜组合在一起相当于一台显微镜C．两只放大镜组合在一起相当于一架望远镜D．探究二、望远镜与宇宙探索【阅读教材132～133页】，完成下列填空。1.使用望远镜探索宇宙的历程（1）伽利略望远镜意大利天文学家、物理学家是第一位把望远镜指向天空的人。1609年伽利略用自制的望远镜观察天体，以确凿的证据支持了哥白尼的“日心说”。第一个观测到了木星的卫星、太阳黑子和月球上的环形山。（2）“海王星”的发现1846年，科学家根据发现的万有引力定律，猜想天王星外还存在一颗未知的行星。不久，人们用望远镜在预测的位置发现了这颗行星，它被命名为“海王星”。伽利略望远镜哈勃太空望远镜（3）哈勃太空望远镜为改进对星体的观察，1990年美国向太空发射了一台望远镜，叫哈勃太空望远镜，可以排除大气层的干扰，使人类观测宇宙的能力空前提高。（4）郭守敬望远镜与“中国天眼”我国不仅古代在天文观测上取得了丰硕的成果，在现代也对宇宙探索作出了很大贡献。2009年，望远镜建成，并于2011年启动光谱巡天任务，成为世界上第一个获取光谱数突破千万量级的望远镜。2020年，正式开放运行，它是目前全球单口径最大、灵敏度最高的射电天文望远镜。2.我们的宇宙宇宙是一个有的天体结构系统。（1）宇宙：我们的宇宙中拥有上千亿个星系；（2）银河系：银河系只是宇宙中上千亿个星系中的一个。银河系异常巨大，一束光穿越银河系需要10万年的时间。（3）太阳系：太阳不过是银河系中几千亿颗恒星中的一员。太阳周围有水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星等行星绕它运行。此外，还有若干其他天体绕太阳转动。（4）地球：地球在离太阳比较近的第条轨道上，是太阳系中的一颗星。【例题4】下列各物体的尺度，按由大到小的顺序排列正确的是（）A．地球、太阳、银河系B．银河系、太阳、地球C．银河系、地球、太阳D．太阳、银河系、地球【例题5】收集人类建造天文望远镜探索宇宙历程的资料，自拟题目就你喜欢的相关问题写一篇科学小短文。【归纳整理】【精讲点拨】1.望远镜的作用是看清远处的物体，远处的物体经过物镜在物镜的焦点附近成倒立缩小的实像，但是像离我们的眼睛更近了，该像又落在目镜的一倍焦距以内，再次经过目镜的放大，我们观察像的视角变大，这样就能观察的清楚了。为了尽可能使第二次成像成得较大，可使望远镜物镜的后焦点与目镜的前焦点重合。2.使用望远镜能够看清远处的物体的原因：远处的物体经过望远镜的物镜和目镜后，所成的像还是比物体本身小，但是视角变得很大；另外，望远镜的物镜直径大，可以会聚足够多的光，使成的像更加明亮。因此，人眼就能很清楚的看清远处的物体了。3.自制望远镜时，根据放大倍数的要求，选择适当焦距的凸透镜分别作为物镜和目镜，物镜的焦距要大于目镜的焦距。观察最远处的物体时，两块凸透镜间的距离约等于两块凸透镜的焦距之和。观察较近处的物体时，两块凸透镜间的距离要稍大一些。【课堂练习】1．望远镜的原理是将远处的物体经过物镜在焦点附近成一个像，落在目镜的；再经目镜使这个像再成一个像。物镜相当于，目镜相当于。2.如图表示一种光学仪器的成像原理，这种仪器是（选填“望远镜”或“显微镜”），目镜的作用相当于（选填“放大镜”或“投影仪”）。3．如图所示，该望远镜的目镜和物镜是由两组凸透镜组成的，下列说法正确的是（）A．第一个用望远镜观测天体并进行绘制的科学家是开普勒B．目镜的作用相当于投影仪C．远处景物通过物镜成缩小的像D．①是物镜，②是目镜4．用凸透镜制作简易望远镜，对望远镜工作原理分析，错误的是（）A．望远镜的目镜成的是正立放大的虚像B．望远镜的两个透镜，可以用老花镜的镜片来代替C．远处的物体经过物镜成的像落在目镜焦点以内D．望远镜的物镜成的是倒立放大的实像5.如图所示，取两个焦距不同的放大镜，一只手握住一个，把焦距较长的放大镜放在前面远离眼睛，焦距较短的放大镜放在后面靠近眼睛