資源簡介

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5.5 跨學科實踐：制作望遠鏡（教學設計）
年級 八年級 授課時間
課題 5.5 跨學科實踐：制作望遠鏡
教學 目標 1. 了解望遠鏡的基本結構和原理。 2. 經歷制作簡單的望遠鏡的過程。 3. 了解望遠鏡的發展歷程，體會科學技術對社會發展和生活的影響。
教材 分析 望遠鏡是光學儀器研究和使用過程中的一個飛躍，它使人類對廣闊的宇宙空間有了更加深入的了解。 這一節內容在課程標準中沒有具體要求，它是前面所學凸透鏡成像知識的擴展。學習望遠鏡的知識，制作望遠鏡，可讓學生加深對凸透鏡成像原理的理解，了解科學知識的應用，提高自身的科學素養。 本節教材從伽利略、牛頓等科學前輩利用望遠鏡來觀測天空入手，選取人類探索宇宙的一些重大活動，簡述了人類探索太陽系和宇宙的歷程。至于探索宇宙的更多的事例，教學中可以讓學生通過報刊、網絡等進行查閱，以培養他們通過各種公共信息資源收集資料的能力。
學情 分析 根據學生的學習情況和已有的生活經驗，對望遠鏡有了解，但是對于望遠鏡原理學生還很模糊，在理解上有些困難，特別是對二次成像理解起來有難度。為了克服本節學習障礙，能完成學習目標，須重視學生的動手探究活動。
教學重點 1. 望遠鏡的基本結構和成像原理。 2. 會制作望遠鏡模型。
教學難點 望遠鏡的成像原理。
教學 器材 望遠鏡、不同焦距的凸透鏡兩個，制作望遠鏡所需材料。 多媒體ppt，包含視頻：《模擬望遠鏡》、《望遠鏡原理》、《自己動手制作望遠鏡》等。
教學過程
教師活動 學生活動
導入新課 【提問】科學家利用巨大的天文望遠鏡接收來自遙遠星系的信息。通過分析這些信息，人們對宇宙了解得越來越深入了。你能根據透鏡成像的知識，自己制作一個望遠鏡嗎 或許你能用它作出新的發現呢! 思考問題，進入情景。
學習新課 一、制作望遠鏡 望遠鏡種類很多，其中一種是由兩組凸透鏡（開普勒望遠鏡）組成。 1. 探究望遠鏡的原理 【實驗器材】兩個焦距不同的凸透鏡。 【實驗步驟】 ①先用一個凸透鏡（焦距大的）觀察窗外遠處的物體，注意成像情況。 ②再用另一個凸透鏡（焦距小的）觀察上面得到的物體的像，注意成像情況。 ③將兩凸透鏡的位置對調，再觀察遠處的物體，對比兩次成像的大小。 【分析論證，歸納結論】 ①將焦距較大的透鏡放在焦距較小的透鏡前面，觀察物體，物體成倒立、放大的像，遠處的物體看上去放大了。 ②將兩凸透鏡的位置對調，將焦距較小的透鏡放在焦距較大的透鏡前面，再觀察遠處的物體，物體成倒立、縮小的像。 【演示實驗】——《模擬望遠鏡》 2. 望遠鏡的構造 【播放ppt進行講解】 望遠鏡由兩組透鏡組成，每組透鏡相當于一個凸透鏡。靠近被觀察物體的凸透鏡，焦距比較長，叫物鏡。靠近眼睛的凸透鏡，焦距比較短，叫做目鏡。 望遠鏡示意圖 雙筒望遠鏡 我們見到的普通望遠鏡和軍事望遠鏡都是雙筒的，是雙筒望遠鏡。它的兩個鏡筒都是拐了彎的，在拐彎處分別安裝了兩個“全反射棱鏡”。這種設計一方面縮短了鏡筒的長度，另一方面經過那兩塊棱鏡的兩次反射也能使本來倒立的像正立過來。 3. 望遠鏡的原理 【邊畫光路圖邊講解】 （1）物鏡與目鏡 物鏡相當于照相機的鏡頭，使遠處的物體在焦點附近成倒立、縮小的實像。目鏡相當于一個放大鏡，成正立、放大的虛像。兩次成像，先縮小，后放大。 （2）望遠鏡的成像光路圖 注意： ①目鏡把物鏡所成的像進行放大。目鏡所成的像正倒和大小是相對于物鏡所成的像而言的。最后成像與物體本身比，是倒立、縮小的虛像。 ②物鏡和目鏡的距離等于兩個透鏡的焦距之和。（由于物體距望遠鏡的距離很大，第一次成像在物鏡的焦點附近且無限靠近焦點，可以近似地認為在焦點處，要使目鏡的放大倍數盡可能最大，則這個像要在目鏡的一倍焦距以內且盡可能靠近焦點）。 （3）視角 【提出問題，引出視角的概念】 物體距離物鏡很遠，它的像卻離物鏡很近，這樣的像應該是縮小的，為什么用望遠鏡觀察物體時會感到像被放大了？ 原來，我們能不能看清一個物體，它對我們的眼睛所成“視角”的大小十分重要，視角越大，對物體觀察越清楚。 ①視角的概念 從眼睛的中心向物體兩端所引的兩條直線的夾角。視角的大小不僅和物體本身的大小有關，還和物體到眼睛的距離有關。 ②望遠鏡對視角的放大 用望遠鏡觀察物體時，望遠鏡所成的像離我們的眼睛很近，增大了視角，因而通過望遠鏡能清楚地看到遠處的物體。 望遠鏡物鏡的直徑比我們眼睛的瞳孔大得多，這樣它可以會聚更多的光，使得所成的像更加明亮。這一點在觀測天空中的暗星時非常重要。現代天文望遠鏡都力求把物鏡的口徑加大，以便觀測到更暗的星。 （4）望遠鏡的放大倍率 如圖所示，這樣的望遠鏡（開普勒望遠鏡）的放大倍率為 n=f物/f目。 其中，f物是物距的焦距，f目是目距的焦距。 【播放視頻】——《開普勒望遠鏡原理》 4. 設計簡易望遠鏡 （1）確定望遠鏡的放大倍率 自制的望遠鏡可以采用單片的凸透鏡作為目鏡和物鏡。為了讓成像質量好一些，其放大倍率不宜過大，取放大倍率為2~3倍即可。 （2）選擇物鏡和目鏡 望遠鏡的物鏡和目鏡可以選擇老人閱讀用放大鏡的鏡片，也可以使用老花鏡的鏡片，還可以直接購買凸透鏡。利用本章所學知識測量凸透鏡的焦距，并根據放大倍數的要求，選擇適當焦距的凸透鏡分別作為物鏡和目鏡。 在選擇兩塊凸透鏡時，除了需要滿足焦距的要求，物鏡的直徑還要比目鏡的直徑大一些。測量凸透鏡的直徑，以便于制作直徑合適的鏡筒。 由此，應選擇焦距較長、直徑較大的凸透鏡作為物鏡，焦距較短、直徑較小的凸透鏡作為目鏡。 （3）設計鏡筒 在用望遠鏡對不同遠近的物體進行觀察時，需要調節兩塊凸透鏡間的距離。如圖所示，鏡筒可以設計成兩段，讓物鏡的鏡筒較目鏡的鏡筒粗一些，這樣套在一起，便于在使用時調節。觀察最遠處的物體時，兩塊凸透鏡間的距離約等于兩塊凸透鏡的焦距之和；觀察較近處的物體時，兩塊凸透鏡間的距離要稍大一些。 5. 制作及調試望遠鏡 （1）制作 根據所選凸透鏡的焦距和直徑制作鏡筒。例如，可以選用如圖所示的兩塊凸透鏡。其中，物鏡的焦距約為20cm，直徑約為5cm；目鏡的焦距約為10cm，直徑約為4cm。 想一想：對于上圖的制作方案，你有沒有辦法減小望遠鏡兩個鏡筒間的縫隙 另外，還應注意每段鏡筒的長度需合適，以便留出前后調節的空間。 制作時，根據凸透鏡的焦距、直徑等數據，以及對鏡筒長度的要求，我們可以利用現成的圓筒狀物品（如裝羽毛球的筒），也可以通過截取適當尺寸的長方形紙板（如瓦楞紙板或其他材料），并把它卷起來制成鏡筒。 此外，還要考慮如何把物鏡和目鏡方便地固定在鏡筒上。 （2）試用與調整 把目鏡鏡筒插入物鏡鏡筒內，把目鏡放到眼前，通過望遠鏡觀察遠處的物體。在觀察時要通過對鏡筒長度的調節，改變物鏡與目鏡間的距離，直到在望遠鏡中看到遠處物體清晰的像為止。 【視頻演示】——《自己動手制作天文望遠鏡》 6. 反思與拓展 （1）通過望遠鏡看到正立的像的方法 這里制作的望遠鏡使用了兩塊凸透鏡，觀察到的遠處物體的像是倒立的，怎樣才能通過望遠鏡看到正立的像呢 第一種方法：如圖所示，物鏡使用凸透鏡，目鏡使用凹透鏡，望遠鏡所成的像就是正立的了（伽利略望遠鏡）。 第二種方法：是使用兩個相互平行的平面反射裝置把所成的像先上下顛倒一次，再左右顛倒一次。 請你利用上面的方法改進你制作的望遠鏡，也可以針對你發現的望遠鏡的其他問題，設計解決的辦法，讓你的望遠鏡更加完善。 【例題1】“超級月亮”比正常時的月亮要大百分之二十，亮度也有所增加，某天文愛好者為了研究這一現象，于是架設一臺開普勒望遠鏡做進一步觀察。關于該望遠鏡，下列說法正確的是（　D　） A．它的物鏡和目鏡都是凹透鏡 B．它的物鏡相當于投影儀，用來把物體放大 C．物鏡的作用是使遠處的物體在焦點附近成虛像 D．它由兩個透鏡組成，靠近眼睛的為目鏡，靠近被觀測物體的為物鏡 【詳解】A．望遠鏡的物鏡和目鏡都是凸透鏡，故A錯誤； B．望遠鏡的物鏡相當于照相機的鏡頭，使遠處的物體成一個倒立縮小的實像，故B錯誤； C．望遠鏡的物鏡的作用是使得無限遠處的物體在焦點附近成一個倒立縮小的實像，目鏡再把這個像放大，故C錯誤； D．望遠鏡由兩組凸透鏡組成，靠近眼鏡的為目鏡，靠近被觀測物體的為物鏡，故D正確。所以選D。 【例題2】如圖所示用兩只焦距不同的放大鏡一前一后放在眼前觀察遠處的物體，下列說法中正確的是（ C ） A. 兩只放大鏡對物體進行了兩次放大 B．兩只放大鏡組合在一起相當于一臺顯微鏡 C．兩只放大鏡組合在一起相當于一架望遠鏡 D．將兩只放大鏡的位置對換后，觀察同一物體的大小是相同的 【解析】因為是看遠處的物體，所以相當于望遠鏡，前面的透鏡成倒立、縮小的實像，相當于照相機，后面的透鏡成正立、放大虛像，相當于放大鏡。所以AB錯誤； 將兩只放大鏡的位置對換后，觀察同一物體的大小是不同的，一次是放大的（焦距小的靠近眼睛作為目鏡），一次是縮小的（焦距大的靠近眼睛作為目鏡）；所以D錯誤。 所以選C。 進行實驗，描述現象，歸納結論，知道望遠鏡的結構和原理。 觀看視頻。了解模擬望遠鏡的制作過程及原理。 知道望遠鏡的結構。 知道望遠鏡的原理。 根據光路圖理解成像原因。 知道視角的概念。望遠鏡對視角的放大。 知道望遠鏡的放大倍率。 觀看視頻《開普勒望遠鏡原理》。 設計簡易望遠鏡。會選擇適當焦距的凸透鏡分別作為物鏡和目鏡。 知道設計鏡筒的要求。 進行制作并進行調試。 知道通過望遠鏡看到正立的像的方法，并嘗試制作。 做例題，理解望遠鏡的組成及原理。
學習新課 二、望遠鏡與宇宙探索 【引入】在人類歷史的早期，人們利用肉眼觀測天象。后來人們通過測量天體的運動、制定歷法，指導人們的生產生活。 例如，戰國時期的文獻中記載：“斗柄東指，天下皆春；斗柄南指，天下皆夏；斗柄西指，天下皆秋；斗柄北指，天下皆冬。” 這說明人們很早就發現了北斗七星一年中的周回運轉在昭示四季、節氣變遷方面的重要作用。 【指導學生閱讀教材132～133頁】，了解本部分知識。 【歸納講解】 1. 使用望遠鏡探索宇宙的歷程 （1）伽利略望遠鏡 意大利天文學家、物理學家伽利略是第一位把望遠鏡指向天空的人。1609年伽利略用自制的望遠鏡觀察天體，以確鑿的證據支持了哥白尼的“日心說”。第一個觀測到了木星的衛星、太陽黑子和月球上的環形山。 （2）“海王星”的發現 1846年，科學家根據牛頓發現的萬有引力定律，猜想天王星外還存在一顆未知的行星。不久，人們用望遠鏡在預測的位置發現了這顆行星，它被命名為“海王星”。 伽利略望遠鏡 哈勃太空望遠鏡 （3）哈勃太空望遠鏡 為改進對星體的觀察，1990年美國向太空發射了一臺望遠鏡，叫哈勃太空望遠鏡，可以排除大氣層的干擾，使人類觀測宇宙的能力空前提高。 （4）郭守敬望遠鏡與“中國天眼” 我國不僅古代在天文觀測上取得了豐碩的成果，在現代也對宇宙探索作出了很大貢獻。2009年，郭守敬望遠鏡建成，并于2011年啟動光譜巡天任務，成為世界上第一個獲取光譜數突破千萬量級的望遠鏡。 2020年，中國天眼正式開放運行，它是目前全球單口徑最大、靈敏度最高的射電天文望遠鏡。 2. 我們的宇宙 宇宙是一個有層次的天體結構系統。 （1）宇宙：我們的宇宙中擁有上千億個星系； （2）銀河系：銀河系只是宇宙中上千億個星系中的一個。銀河系異常巨大，一束光穿越銀河系需要10萬年的時間。 （3）太陽系：太陽不過是銀河系中幾千億顆恒星中的一員。太陽周圍有水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星等行星繞它運行。此外，還有若干其他天體繞太陽轉動。 （4）地球：在離太陽比較近的第三條軌道上，是太陽系中的一顆行星。 【例題4】下列各物體的尺度，按由大到小的順序排列正確的是（ ） A．地球、太陽、銀河系 B．銀河系、太陽、地球 C．銀河系、地球、太陽 D．太陽、銀河系、地球 【答案】B 【解析】宇宙中擁有數十億個星系，銀河系只是這數十億個星系中的一個。銀河系異常巨大，太陽不過是銀河系中幾千億顆恒星中的一員．太陽周圍有水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星等行星繞它運行，故B符合題意，ACD不符合題意．所以選B。 【例題5】收集人類建造天文望遠鏡探索宇宙歷程的資料，自擬題目就你喜歡的相關問題寫一篇科學小短文。 【參考答案】略。 閱讀教材第132～133頁， 了解人類使用望遠鏡探索宇宙的歷程。 知道望遠鏡發展過程，望遠鏡的發明大大擴展了人類觀測天空的視野。 知道宇宙是一個有層次的天體結構系統，會排列宇宙、銀河系、太陽系的大小。 做題并解析。
課 堂 練 習 課 堂 練 習 1．望遠鏡的原理是將遠處的物體經過物鏡在焦點附近成一個 像，落在目鏡的 ；再經目鏡使這個像再成一個 像。物鏡相當于 ，目鏡相當于 。 【答案】倒立縮小的實，焦點內，正立放大的虛，照相機，放大鏡。 【詳解】望遠鏡成像時相當于照相機，將遠處的物體經過物鏡在焦點附近成一個倒立縮小的實像。 望遠鏡的目鏡相當于放大鏡，把物鏡所成的倒立縮小實像繼續放大，故實像應該落在目鏡的焦點內，成正立放大的虛像。 2. 如圖表示一種光學儀器的成像原理，這種儀器是 （選填“望遠鏡”或“顯微鏡”），目鏡的作用相當于 （選填“放大鏡”或“投影儀”）。 【答案】望遠鏡，放大鏡。 【詳解】由圖可知，遠處的物體先通過物鏡使物體成一倒立、縮小的實像，然后用目鏡把這個實像再放大成正立、放大的虛像，就能看清很遠處的物體，這就是望遠鏡的原理，目鏡相當于一個放大鏡。 3．如圖所示，該望遠鏡的目鏡和物鏡是由兩組凸透鏡組成的，下列說法正確的是（　　） A．第一個用望遠鏡觀測天體并進行繪制的科學家是開普勒 B．目鏡的作用相當于投影儀 C．遠處景物通過物鏡成縮小的像 D．①是物鏡，②是目鏡 【答案】C. 【解析】A．第一個用望遠鏡觀測天體并進行繪制的科學家是伽利略，故A錯誤； B．目鏡的作用相當于放大鏡，故B錯誤； C．望遠鏡的物鏡相當于照相機的鏡頭，成倒立、縮小的實像，故C正確； D．靠近眼睛的是目鏡，離眼睛較遠的是物鏡，故D錯誤。 故選C。 4．用凸透鏡制作簡易望遠鏡，對望遠鏡工作原理分析，錯誤的是（　　） A．望遠鏡的目鏡成的是正立放大的虛像 B．望遠鏡的兩個透鏡，可以用老花鏡的鏡片來代替 C．遠處的物體經過物鏡成的像落在目鏡焦點以內 D．望遠鏡的物鏡成的是倒立放大的實像 【答案】D 【詳解】ABC．望遠鏡的物鏡與目鏡兩個透鏡都是凸透鏡，可以用老花鏡的鏡片來代替。遠處的物體經過物鏡成的像落在目鏡焦點以內，目鏡成的是正立放大的虛像，故ABC正確，不符合題意； D．望遠鏡的物鏡成的是倒立縮小的實像，像在一倍焦距到兩倍焦距之間，故D錯誤，符合題意。 故選D。 5. 如圖所示，取兩個焦距不同的放大鏡，一只手握住一個，把焦距較長的放大鏡放在前面遠離眼睛，焦距較短的放大鏡放在后面靠近眼睛，通過兩個放大鏡看前面的物體，調整兩個放大鏡間的距離，直到看得最清楚為止。物體是 （選填“變大”或“變小”）；若接著把兩個放大鏡的位置前后對調，物體是 （選填“變大”或“變小”）。 【答案】變大，變小。 【詳解】通過兩個焦距不同的放大鏡演示望遠鏡成像原理，前面焦距大的凸透鏡相當于望遠鏡的物鏡，使遠處的物體在焦點附近成倒立的實像，后面焦距小的凸透鏡相當于望遠鏡的目鏡，用來把這個實像放大，所以我們看到了物體倒立、放大的像。 望遠鏡的放大倍數等于物鏡焦距除以目鏡焦距；若望遠鏡的兩個凸透鏡位置顛倒，焦距小的作為物鏡，焦距大的作為目鏡，則放大倍數小于1，成縮小的像。 6. 市面上有許多很便宜的玩具望遠鏡，幾個同學合買了一個回來進行探究： 先將目鏡放在眼睛前面觀察前面的景物，然后將望遠鏡掉個頭，將物鏡放在眼鏡前面觀察前面的景物，你兩次觀察到的景物是否相同？寫出區別：眼睛觀察目鏡：_____；眼睛觀察物鏡：________。 【答案】 物體變大變近了 物體變小變遠了 【詳解】玩具望遠鏡是采用一個凸透鏡和一個凹透鏡的結構，凸透鏡即物鏡距離物體的距離時比較大，遠遠的大于二倍焦距，成倒立的縮小的實像，這個實像在凸透鏡的另一側的一倍焦距和二倍焦距之間，又恰好成在凹透鏡（目鏡）的一倍虛焦距和二倍虛焦距之間，通過凹透鏡的折射，在凹透鏡的另一側成一個倒立的放大的虛像,倒立再倒立，就成了正立的像了；所以眼睛觀察目鏡時是望遠鏡的正常使用，現象是:物體變大變近了。 若將望遠鏡掉頭，物體在凹透鏡的二倍焦距之外，就會在凹透鏡的另一側成一個倒立的縮小的虛像，這個虛像又恰好在目鏡（凸透鏡）的一倍焦距和二倍焦距之間，凸透鏡就會把這個像放大，但放大倍數肯定沒有正放時大，所以眼睛觀察物鏡時現象是：物體變小變遠了。
板 書 設 計 第5節 制作望遠鏡 一、望遠鏡 1. 構造：物鏡（相當于照相機）、目鏡（相當于放大鏡）。 2. 原理：遠處物體首先通過物鏡成倒立、縮小的實像；目鏡把物鏡形成的實像放大，得到正立、放大的虛像。 3. 視角：用望遠鏡觀察物體時，望遠鏡所成的像離我們的眼睛很近，增大了視角，故能清楚地看到遠處的物體。 二、制作望遠鏡 1. 設計簡易望遠鏡。 2. 制作及調試望遠鏡。 三、望遠鏡與宇宙探索 1. 使用望遠鏡探索宇宙的歷程：伽利略望遠鏡、哈勃太空望遠鏡、射電望遠鏡。 2. 宇宙是個有層次的天體結構系統：宇宙、銀河系、太陽系、地月系。
課 堂 小 結 第5節 制作望遠鏡
作 業
21世紀教育網 www.21cnjy.com 精品試卷·第 2 頁 （共 2 頁）
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