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专题 07 初中物理探究实验（2）
——光学中三个探究实验梳理
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 .
表二
表一
实验次数 入射角 反射角 实验次数 入射角 反射角
1 20° 70° 1 30° 30°
2 30° 60° 2 40° 40°
3 50° 40° 3 60° 60°
（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？
B
A
图3 图4
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。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
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
像的性质
物距与焦距
物距u/cm 像距v/cm
的关系
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。
