2021年12月9日下午,中国空间站直播天空授课圆满完成。天宫课堂上,航天员王亚平在翟志刚、叶光富的协助下,做了四个和水有关的实验,活泼可爱,妙趣横生,让观众感觉太空真奇妙。其中的“水球光学”的实验,更是吸引了同学们的眼光。在实验过程中,王亚平往水膜里注水,水膜“鼓”起来如同一个水球。给水球中注入空气,空气在水球中形成一个气泡。透过水球和气泡就得到一个正立的王亚平和倒立的王亚平同时出现的奇观,让大家领略到了科学的魅力。
为什么会出现这种“双重人像”的现象呢?小明查阅了相关资料。
水球在失重环境下由于表面张力的作用保持形态,并且由于其折射率和空气不同,从而使得光线在穿过时产生折射,形成汇聚效果,这就形成了一个凸透镜。物体在穿过这个透镜后看来就呈现倒立的像,所以我们可以看到,王亚平和叶光富之间的那个水球,会让眼中的彼此呈现一正一反的视觉效果。
其实,我们可以在地面上用透明的水瓶装满水模拟这个实验:在一定距离外,透过水瓶所看到的世界是左右颠倒的。
在水球中注入空气球形成“双重人像”的实验有很高的操作难度。由于失重,空气球不会因为受到浮力而移动。在注入空气球后,由于空气球的半径更小,水球的半径更大。若透过水球中的空气球观察物体,空气球前后的水相当于形成了两片凹透镜,使得光线穿过时发散,从而可以观察到正立、缩小的物体。在一定距离外,透过近视眼镜片也可以观察到类似的现象。
请完成下面的问题:
(1)实验中成的倒立的航天员的像,是利用物体在凸透镜
(2)往水球注入空气后,和水球共同构成了两片
(3)航天员在太空实验室所做的“双重人像”实验,是利用光的
平时我们感觉到自己有多重时,这种感觉来自支持力。如果失去支持,我们就将失去对重力的感觉。例如,一个人从高处坠落,在坠落的过程中,因为失去了支持,所以此人将体验到类似太空中才有的失重。但是,失重环境中物体的重力却仍然存在。
我们平常说的重力是由地球引力产生的,所以不少人会误认为,人造卫星所在的轨道因为距离地面比较远,因此地球对它们的引力很小,所以叫做微重力,这是不对的。根据,同一个物体我们常用g来衡量重力的大小。距离地球越远,g就越小,然而,就算是在距离地面200km的高度也没有降多少,大约为0.94g,而在1000km的高度为0.75g。也就是说,一个物体在地面重100N,到了1000km高度,依然受到75N的重力。国际空间站离地球的距离不超过420km,因此,它受到的地球引力并没有减少多少。因此,如果我们把“微重力”理解为微小的重力。或者是微小的地球引力,肯定是不对的。只有当距离地球很遥远时,才会出现地球引力很小的情况。(g取10N/kg)
(2)在完全失重的空间实验室里,下列实验不能完成的是
A.用秒表测时间
B.用弹簧测力计测重力
C.用水球做透镜成像实验
D.用刻度尺测书本长度
(3)一个在地面上60kg的人,在距离地面1000km的高度所受的重力为
(4)在如图所示的四个图像中,关于物体重力的大小与其质量的关系,正确的是
A. B.
C. D.
菲涅尔透镜
甲图中图1是平凸透镜的截面图,由光学知识可知,平行光由平凸透镜左侧垂直入射,在透镜中传播方向不变,只有经透镜另一侧曲面时才会发生偏折,并会聚于焦点。若在图2中将平凸透镜阴影部分去掉,保留图中曲面的白色部分并将其向左平移到透镜平面处,即为图3,这样的透镜叫做菲涅尔透镜(又称螺纹透镜)。菲涅尔透镜与平凸透镜一样,都能将平行于主光轴的光线会聚于焦点。与平凸透镜相比,菲涅尔透镜减少了光在透镜中直线传播的部分,只保留透镜发生折射的曲面,在节省透镜材料的同时也减少了光在透镜中传播的光能损失。菲涅尔透镜有着广泛的应用,如图乙为手机闪光灯上用到的菲涅尔透镜,从上方俯视,它由数个同心圆纹路的玻璃组成。大型菲涅尔透镜是聚光太阳能系统中重要的光学部件之一,它能提高太阳能板上单位面积获得的光能,如图丙所示,从上方垂直菲涅尔透镜的光束,在一半焦距处面积只有原来的四分之一、请回答:(2)下面关于菲涅尔透镜的说法,正确的是
A.使用菲涅尔透镜的手机,闪光灯部分可以做得更厚
B.与相同直径的平凸透镜相比,所用材料减少
C.菲涅尔透镜是由一圈圈凸透镜和凹透镜组成
D.与相同直径的平凸透镜相比,要损失更多的光能
(3)不考虑光传播过程中的能量损失,如题中图丙所示,一太阳能板置于菲涅尔透镜下方的一半焦距处,则与不放置菲涅尔透镜相比,太阳能板受光部分单位面积上的光能提高约为原来的
(4)如图丁所示,F、OOˊ分别是菲涅尔透镜的焦点和主光轴,请画出入射光线经过菲涅尔透镜的光路
![](https://img.xkw.com/dksih/QBM/editorImg/2022/9/11/5d878a98-04fb-418e-9369-fda8f99f9a1f.png?resizew=156)
5 . 天宫课堂
2021年12月9日15点40分,神舟十三号乘组航天员翟志刚、王亚平、叶光富变身“太空教师”在中国空间站精彩开讲,并面向全球直播。这次授课中,三位太空老师带来了5个物理实验,印象最深刻的是“水球透镜”实验。请阅读下面的内容,并完成相关问题:
本次“天宫课堂”,王亚平对实验做了一个小小的升级,通过透镜看到的竟然是一正一反两个像,这是为什么呢?其原理解释是:
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(1)如图甲所示,加气泡之前的水球可以被看作是一个凸透镜。王亚平站在远处(这个凸透镜的两倍焦距以外),我们眼睛看到的是她倒立
(2)中央加气泡之后,水球因此被气泡变为了两部分,中间是空气,气泡周围是水。这个时候整个水球就变成了两个透镜,外圈部分的凸透镜虽然没有原来完整,但对光线仍然有
(3)根据上面的实验,你推测一下,凹透镜的成像特征是什么?并通过在丙图中作出光路图加以证明。
![](https://img.xkw.com/dksih/QBM/editorImg/2022/9/12/54ebaa28-cd82-4ae6-b6c4-c9c05f6479e1.png?resizew=140)
太空授课
2021年12月9日,“太空教师”翟志刚、王亚平、叶光富在中国空间站为广大青少年带来了一场精彩的太空科普课。
首先王亚平老师用金属环在水袋中取出一个水膜,再逐渐往水膜中注水,随着水的增多,水膜慢慢变成一个接近完美球体的水球,然后又用注射器往水球中注入一个气泡,令人惊讶的是气泡并没有向上飘,而是老老实实待在水球中,此时可以在水球中同时看到一正一倒的两个像(如图甲)。此次太空授课还展示了浮力消失的实验,王亚平老师把乒乓球压入水中,松手后乒乓球没有上浮,而是悬浮在水中(如图乙)。叶光富老师还演示了太空行走,他使劲挥手抬腿没有成功,反而还飘了起来(如图丙)。
![](https://img.xkw.com/dksih/QBM/2022/5/8/2974856107679744/2974982960463872/STEM/63dd3441-698e-4ec4-bf9a-93d0d9beb817.png?resizew=752)
(1)水膜和水球的形成说明分子间存在相互作用的
(2)通过简化图丁,可知其中正立的像是光经过1、2这两个
(3)如图乙中,空间站里由于液体重力消失,液体内部各处压强相同,因而液体对物体上下表面没有
(4)航天员在空中和空间站一起做匀速圆周运动,空间站中航天员由于失重而飘了起来(如图丙),此时航天员
菲涅尔透镜
![](https://img.xkw.com/dksih/QBM/2021/12/11/2870165843689472/2876537203507200/STEM/53f08d8e-85d5-43fa-9d18-70b0c3cfd037.png?resizew=666)
甲图中图1是平凸透镜的截面图,由光学知识可知,平行光由平凸透镜左侧垂直入射,在透镜中传播方向不变,只有经透镜另一侧曲面时才会发生偏折,并会聚于焦点。若在甲图图2中将平凸透镜阴影部分去掉,保留图中曲面的白色部分并将其向左平移到透镜左侧平面处,即为甲图图3,像甲图图3这样的透镜叫做菲涅尔透镜。菲涅尔透镜与平凸透镜一样,仍能将平行于主光轴的光线会聚于焦点。
与平凸透镜相比,光在菲涅尔透镜中传播时减少了在透镜中直线传播的部分,只保留透镜发生折射的曲面,因此,在节省透镜材料的同时也减少了光在透镜中传播的光能损失。这使得菲涅尔透镜有着广泛的应用,如图乙所示为手机闪光灯上用到的菲涅尔透镜,从上方俯视,它由数个同心圆纹路的玻璃组成。同时,菲涅尔透镜是聚光太阳能系统中重要的光学部件之一,它能提高太阳能板上单位面积获得的光能,如图丁所示。
(1)根据短文可知,菲涅尔透镜对光有
(2)与平凸透镜相比,菲涅尔透镜的好处是
(3)如图丙所示,F、
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中国古代的“流光溢彩”
光无处不在,太阳能的利用、激光的焊接和切割、光纤通信、X光等都是现代科技中光的应用。光学研究对自然科学的发展起到了非常大的促进作用,我国对光学的研究可以追溯到春秋战国时期。
公元前400年,墨子用很美的词句描述了光的直线传播和小孔成像,《墨经》中记载“景,光之人,煦若射,下者之人也高;高者之人也下,足蔽下光,故成景于上,首蔽上光,故成景于下。”指出小孔成倒像的原因,这是最早的小孔成像技术的记载。
在西汉时期有“金燧取火于日”的记载,金燧是指用铜或铜合金做成的铜鉴状器物(鉴:古代铜镜),这是人类利用光学仪器会聚太阳能的一个先驱。另外,《淮南万毕术》中有利用冰透镜来取火的记载:“削冰令圆,举以向日,以艾承其影,则火生。”我们的祖先将冰削成球状,对着太阳,在“影”的位置放艾草,可以点燃生火。
《淮南万毕术》中还有这样的记载:“取大镜高悬,置水盆于其下,则见四邻矣。”如图所示,“大镜”和“水盆”相当于两个平面镜,光在它们表面发生两次反射,墙内的人便可以看到墙外的景象。
唐代的张志和在《玄真子》中记载了著名的“人工虹”实验,他记载“背日喷乎水,成虹霓之状"。用背日喷水的办法,可以观察到和天然虹相似的人造虹,说明当时人们已经完成了日光通过雨滴的色散实验,认识到了虹的形成条件及虹与太阳光的方位关系。
从古至今,中国人从未停止过对光学知识的追寻与探索,随着人们对光的深入研究,光应用的前景将更加灿烂。
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请根据上述材料,回答下列问题:
(1)请你举出一个光在现代科技中应用的实例。
(2)文中“金燧”是指
A.凹面镜 B.凸透镜
(3)文中“以艾承其影”中,“影”所在的点是冰透镜的
(4)文中“取大镜高悬,置水盆于其下,则见四邻矣”中的装置,是简易的
智能防疫机器人
我国研制的某款智能防疫机器人,具有自主测温,移动,避障等功能。机器人利用镜头中的菲涅尔透镜将人体辐射的红外线聚集到探测器上,通过处理系统转变为热图象,实现对人群的体温检测。当发现超温人员,系统会自动语音报警,并在显示屏上用红色框标注人的脸部。机器人利用磁敏电阻等器件来监控移动速度,控制驱动电机运转,图甲为控制电机运转的原理电路,U为输入电压,
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(1)机器人在行进过程中遇到玻璃等透明障碍物时,利用
(2)图甲中电磁铁的上端为
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(3)机器人的菲涅尔透镜的作用相当于
(4)控制由机运转的磁敏电阻阻值随磁场强弱变化的图象如图乙,当磁敏电阻
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菲涅尔透镜
甲图中图1是平凸透镜的截面图,由光学知识可知,平行光由平凸透镜左侧垂直入射,在透镜中传播方向不变,只有经透镜另一侧曲面时才会发生偏折,并会聚于焦点。若在图2中将平凸透镜阴影部分去掉,保留图中曲面的白色部分并将其向左平移到透镜平面处,即为图3,这样的透镜叫做菲涅尔透镜(又称螺纹透镜)。菲涅尔透镜与平凸透镜一样,都能将平行于主光轴的光线会聚于焦点。与平凸透镜相比,菲涅尔透镜减少了光在透镜中直线传播的部分,只保留透镜发生折射的曲面,在节省透镜材料的同时也减少了光在透镜中传播的光能损失。菲涅尔透镜有着广泛的应用,如图乙为手机闪光灯上用到的菲涅尔透镜,从上方俯视,它由数个同心圆纹路的玻璃组成。大型菲涅尔透镜是聚光太阳能系统中重要的光学部件之一,它能提高太阳能板上单位面积获得的光能,如图丙所示,从上方垂直菲涅尔透镜的光束,在一半焦距处面积只有原来的四分之一。请回答:
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(1)菲涅尔透镜与平凸透镜对光都有
(2)下面关于菲涅尔透镜的说法,不正确的是
A.使用菲涅尔透镜的手机,闪光灯部分可以做得更薄
B.与相同直径的平凸透镜相比,光能损失减少
C.菲涅尔透镜是由一圈圈凸透镜和凹透镜组成
D.与相同直径的平凸透镜相比,所用材料减少
(3)不考虑光传播过程中的能量损失,如题图丙所示,一太阳能板置于菲涅尔透镜下方的一半焦距处,则与不放置菲涅尔透镜相比,太阳能板受光部分单位面积上的光能提高约为原来的
(4)将菲涅尔透镜放置在阳光下从而将光集中在太阳能板上,为保证最佳的聚光效果,图中,正确的放置方法是
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