跨学科实践：制作望远镜（解析版）

跨学科实践：制作望远镜【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、难点】1.望远镜的基本结构和成像原理。2.会制作望远镜模型。3.望远镜的成像原理。【考点剖析】本节是学生非常喜欢的跨学科实践活动课程，学生的兴趣浓厚，但是对项目的实施还是有一定难度的，特别是对望远镜性能的测试方法感到陌生，教学中注意控制变量法的讲解。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，物体成倒立、放大的像，远处的物体看上去放大了。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，物体成倒立、缩小的像。【演示实验】——《模拟望远镜》2.望远镜的构造【播放ppt进行讲解】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，叫物镜。靠近眼睛的凸透镜，焦距比较短，叫做目镜。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正立过来。3.望远镜的原理【边画光路图边讲解】（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倒立、缩小的实像。目镜相当于一个放大镜，成正立、放大的虚像。两次成像，先缩小，后放大。（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【提出问题，引出视角的概念】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，还和物体到眼睛的距离有关。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，增大了视角，因而通过望远镜能清楚地看到远处的物体。望远镜物镜的直径比我们眼睛的瞳孔大得多，这样它可以会聚更多的光，使得所成的像更加明亮。这一点在观测天空中的暗星时非常重要。现代天文望远镜都力求把物镜的口径加大，以便观测到更暗的星。（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=f物/f目。其中，f物是物距的焦距，f目是目距的焦距。【播放视频】——《开普勒望远镜原理》【合作探究】（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。【视频演示】——《自己动手制作天文望远镜》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，物镜使用凸透镜，目镜使用凹透镜，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。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、物理学家伽利略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，科学家根据牛顿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，郭守敬望远镜建成，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，中国天眼正式开放运行，它是目前全球单口径最大、灵敏度最高的射电天文望远镜。我们的宇宙宇宙是一个有层次的天体结构系统。（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：在离太阳比较近的第三条轨道上，是太阳系中的一颗行星。【过关检测】1．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【答案】D【解析】ABC．望远镜的物镜与目镜两个透镜都是凸透镜，可以用老花镜的镜片来代替。远处的物体经过物镜成的像落在目镜焦点以内，目镜成的是正立放大的虚像，故ABC正确，不符合题意；D．望远镜的物镜成的是倒立缩小的实像，像在一倍焦距到两倍焦距之间，故D错误，符合题意。故选D。2．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【答案】C.【解析】A．第一个用望远镜观测天体并进行绘制的科学家是伽利略，故A错误；B．目镜的作用相当于放大镜，故B错误；C．望远镜的物镜相当于照相机的镜头，成倒立、缩小的实像，故C正确；D．靠近眼睛的是目镜，离眼睛较远的是物镜，故D错误。故选C。3.2016年11月14日夜空出现的“超级月亮”如图所示。下列对“超级月亮”的解释，你认为比较合理的是（）

A．月亮本身变大了B．月亮距离我们很近时，视角变大了C．月亮距离我们很远时，视角变小了D．月亮变大且距离我们很近【答案】B【详解】超级月亮是指月亮距离地球最近的状态，此时，月亮围绕地球转动，到达离地球最近的地方，距离我们最近，使视角增大，所以我们看到的月亮好像比平时的增大了。实际上月亮本身的大小不变。故选B。4．人眼能不能看清一个物体，物体对我们所成的视角的大小十分重要，望远镜物镜所成的像虽然比远方物体，但由于它离我们的眼睛很，再加上镜的放大作用，视角就可以变得很了。【答案】小，近，目，大。【详解】使用望远镜观察远处的物体，物体在物镜镜头的两倍焦距以外，此时物体经物镜（凸透镜）成倒立缩小的实像，所成的像虽然比远方物体小，但由于它离我们的眼睛很近，再加上此时成的像在目镜的镜头的一倍焦距以内，经过物镜成像再次被放大成虚线，所以视角就变得很大了。5.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”）。【答案】望远镜，放大镜。【详解】由图可知，远处的物体先通过物镜使物体成一倒立、缩小的实像，然后用目镜把这个实像再放大成正立、放大的虚像，就能看清很远处的物体，这就是望远镜的原理，目镜相当于一个放大镜。6.如图所示是简易天文望远镜的内部结构示意图。远处的物体经过物镜成一个的实像，落在目镜的位置；这个实像经过目镜成一个正立、的像。如果你想制作简易天文望远镜，没有现成的透镜，可以选用合适的（选填“近视”或“远视”）镜片来代替。

【答案】倒立、缩小，焦点以内，放大，虚，远视。【详解】望远镜是由两组凸透镜组成的，靠近眼睛的叫目镜，靠近被观测物体的叫物镜，物镜的作用是使远处的物体在焦点附近成实像，目镜的作用相当于一个放大镜，用来把这个像放大。望远镜中物镜是一个凸透镜，远处的物体处在该凸透镜的二倍焦距之外，经该凸透镜成倒立、缩小的实像；这个倒立、缩小的实像正好落在目镜焦点以内（物距小于一倍焦距）的位置，目镜的作用相当于一个放大镜，这个实像经过目镜成一个正立、放大的虚像；近视眼镜片是凹透镜，远视眼镜片是凸透镜，所以想制作简易天文望远镜，没有现成的透镜，可以选用合适的远视镜片来代替。7.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，通过两个放大镜看前面的物体，调整两个放大镜间的距离，直到看得最清楚为止。物体是（选填“变大”或“变小”）；若接着把两个放大镜的位置前后对调，物体是（选填“变大”或“变小”）。【答案】变大，变小。【解析】通过两个焦距不同的放大镜演示望远镜成像原理，前面焦距大的凸透镜相当于望远镜的物镜，使远处的物体在焦点附近成倒立的实像，后面焦距小的凸透镜相当于望远镜的目镜，用来把这个实像放大，所以我们看到了物体倒立、放大的像。望远镜的放大倍数等于物镜焦距除以目镜焦距；若望远镜的两个凸透镜位置颠倒，焦距小的作为物镜，焦距大的作为目镜，则放大倍数小于1，成缩小的像。8.如图甲所示是福建的天文爱好者颜明哲通过纯手工打磨镜片自制的望远镜，该望远镜不仅可以看到8亿公里外的木星，甚至能清晰地看到木星表面的斑纹，图乙是该望远镜内部结构及光路示意图。下列关于该自制望远镜的说法正确的是（）A．颜明哲通过纯手工磨制的镜片是凹透镜B．看到8亿公里外的木星只利用了光沿直线传播C．清晰看到木星表面的斑纹时物镜的成像原理与照相机相同D．木星到物镜的距离u满足f<u<2f（f为物镜的焦距）

【答案】C【详解】A．望远镜的目镜和物镜都是由凸透镜组成，所以颜明哲通过纯手工磨制的镜片是凸透镜，故A错误；B．光线通过望远镜的凸透镜，发生了折射，故B错误；CD．望远镜的目镜相当于放大镜，成正立的放大的虚像，物镜相当于照相机，木星到物镜的距离u满足u>2f，成倒立缩小的实像，故C正确，D错误。故选C。9.“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，于是架设一台天文望远镜做进一步观察，关于该望远镜，下列说法正确的是（）A．它的物镜和显微镜的物镜作用相同B．它的物镜相当于放大镜，用来把像放大C．它的物镜的作用是使远处的物体在焦点附近成虚像D．它由两组透镜组成，靠近眼镜的为目镜，靠近被观测物体的为物镜【答案】D【详解】A.望远镜的物镜是使得无限远处的物体成一个倒立缩小的实像，而显微镜的物镜是为了使得载物片上的物体成一个放大的实像，故A错误；B.望远镜的物镜相当于照相机的镜头，使远处的物体成一个倒立缩小的实像，故B错误；C.望远镜的物镜的目的是使得无限远处的物体成一个倒立缩小的实像，故C错误；D.望远镜由两组透镜组成，靠近眼镜的为目镜，靠近被观测物体的为物镜，故D正确。故选D.10．世梁同学取两个焦距不同的放大镜，一只手握住一个，调整两个放大镜间的距离，可以看清远处的广州塔。以下说法错误的是（）A．靠近眼睛的镜片，能使光线靠近主光轴B．远处的镜片，成的是正立放大像C．靠近眼睛的镜片，其作用相当于一个放大镜D．远处的镜片，直径比我们眼睛的瞳孔大得多，这样可以会聚更多的光【答案】B【详解】A．靠近眼睛的镜片是目镜，成的是正立放大的虚像，相当于放大镜，能使光线靠近主光轴，故A正确，不符合题意；B．两个不同焦距的放大镜组成了望远镜，远处的镜片是物镜，成的是倒立缩小的实像，故B错误，符合题意；C．靠近眼睛的镜片是目镜，成的是正立放大的虚像，相当于放大镜，故C正确，不符合题意；D．远处的镜片，直径比我们眼睛的瞳孔大得多，这样可以会聚更多的光，使得所成的像更加明亮，故D正确，不符合题意。故选B。11．（2024·江苏苏州·一模）项目化学习小组从实验室找到几只透镜准备自制一只望远镜。（1）如图甲所示，将某透镜放在点光源与光屏中间，此时屏上呈现一个比透镜尺寸大的圆形光斑，将光源向（左/右）移动，若观察到现象，则该透镜为凸透镜；（2）选出一对焦距合适的凸透镜作为物镜和目镜，按照如图乙所示方法组装成一只望远镜。小明用望远镜观察天空星星时发现镜中视野范围较小，很难找到目标，为此，他用两块相同的带开口的挡板制作了一个寻星装置，安装在望远镜套筒上后，借助挡板能快捷寻找目标（图丙所示），并将目标锁定在望远镜视野中，下列设计的各挡板中最适合的是；（3）小明用该望远镜看远处物体时，发现像与物相比较上下、左右都颠倒了，为使看到的像与物相比不失真，老师建议他将望远镜设计成物