解读平面镜凸透镜凹透镜对光作用的若干个案

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  众所周知平面镜对光的作用遵循光的反向定律,凸透镜、凹透镜对光的作用遵循光的折射定律(初中阶段只作定性探究,谓折射规律),本文主要解决当有三束入射光线分别是平行光线、发散光线、会聚光线各自射向平面镜、凸透镜、凹透镜时,它们的反向光线或折射光线的特点,以及三种器材对光线作用的情况,从而从根本上化解苏科版八年级物理第三、四两章光现象中若干悬而未决的疑虑。
  一、平面镜
  1.对平行光线的反射
  平行光线射向平面镜,反射光线仍是平行的并且只射向某一方向。如图1A、B所示,这种反射叫镜面反射。
  2.对发散光线的反射
  点光源发出的光线是发散光线,发光的小电珠可近似看作点光源,平时被照亮的物体发生漫射时可以当成无数点光源的组合。发散光线经平面镜反射后,仍是发散光线。如图2所示,正因为是发散光线所以通过平面镜看到的反射光线的范围较广。物体经平面镜成像的基理源于此。
  3.对会聚光线的反射
  所谓会聚光线系指光线在行进方向相互越来越靠近。譬如平行光线经凸透镜折射后从透镜射出的光线,物体经凸透镜成实像时,从凸透镜上出射的光线都是会聚光线。会聚光线经平面镜反射后的反射光线仍是会聚光线。如图3所示,射向平行镜的光线不同于物体漫反射的发散光线,所以会聚光线经平面镜反射后所成的像可以用光屏接收,即显现实像,这跟物体经平面镜成像的基理不同,概括来说,前者是虚物成实像,后者是实物成虚像。我们教学中常用的投影仪中平面镜的成像就是虚物成实像的典型案例。
  总之,由于入射光线的类型不同,平面镜反射光线同步有平行光线、发散光线、会
  聚光线三种,但不论哪种情况,反射光线跟入射光线比较,光线之间“靠近”或“逃离”的程度相同,亦即相邻两条光线(或正面延长线)之间的夹角保持不变,表明平面镜对光线既无会聚作用,也无发散作用,这跟曲面镜不同,可见决定反射镜对光线的作用,不是遵循的反射定律,而是反射面的性质,至于说成像的情况,反射光线是发散光线时,成虚像,反射光线是会聚光线时成实像,像的大小没有变化。如果反射光线是平行光线的话,平面镜不成像(不论是虚像还是实像)。
  二、凸透镜
  凸透镜对光有会聚作用,但不等于说经凸透镜折射后的光线一定是会聚光线。
  1.对平行光线的折射
  2.对发散光线的折射
  如将点光源放在凸透镜焦点外(u>F)、焦点上(u=F)、焦点内(u  矫正远视眼要配戴凸透镜,实际上被观察的物体光经凸透镜成虚像,其光路就是图5C,由于出射光线的发散程度降低(相当增加物距),使图5C中出射光线经晶状体折射后成像于视网膜上。
  3.透镜对会聚光线的折射
  会聚光线经凸透镜折射后,折射光线仍是会聚光线,如图6所示。出射光线的会聚程度较入射光线为大,成像过程为虚物成实像。近视眼患者戴上凸透镜的眼镜看不清远处景物,可以从图6见端倪。
  三、凹透镜
  凹透镜对光有发散作用,但也不等于说经凹透镜折射的光线一定是发散光线。
  1.对平行光线的折射
  2.对发散光线的折射
  点光源发出的发散光线经凹透镜的折射后是发散程度更大的发散光线(相邻两束光线夹角增大),不论点光源的物距长短如何,都是这个结果。如图8所示。所以物体经凹透镜或正立的缩小的虚像(在图8中仅能看到像距小于物距,像是虚像,正立的缩小的特征不能表示出)。矫正近视要配戴凹透镜,实际上是被观察的物体,光经凹透镜成的虚像,使其离晶状体的距离比实际的物体为近,该虚像经晶状体成实像于视网膜上。
  3.对会聚光线的折射
  根据会聚光线会聚程度的不同,又可分为三种情况。(1)会聚光线的延长线相交于凹透镜焦点时,折射光线为平行光线。(2)会聚光线的延长线相交于虚焦点以内
  的一点时,折射光线为会聚光线。(3)会聚光线的延长线相交于虚焦点以外的一点时,折射光线为发散光线。这三种情况分别如图9中A、B、C所示。然而可以肯定的是,由于凹透镜的发散作用,出射光线的会聚程度都较入射光线的会聚程度变小,即较前远离了主光轴。
  本案例的第三种情况早在1609年就应用于伽利略自制的望远镜(苏科版8年级上册物理第四章第四节作了介绍),远处物体射来的光线便经物镜(凸透镜)成像后的会聚光线经目镜(凹透镜)折射后成发散光线,最后成正立的虚像,像较物变近了,看上去大了、清晰了。
  需要强调的是光路可逆原理适用于光发生反射或折射的全过程,本文中各附图都可将出射光线的箭头调节调向变成入射光线,将原入射光线的箭头调向就成新的
  入射光线。尤其要注意图2跟图3,图4A跟图5B,图5C跟图6,图7跟图9A,图8跟图9B,它们的“基图”是同宗的。
  总之,我们要辩证地分析平面镜对光线无聚散作用,凸透镜对光的会聚作用,凹透镜对光的发散作用,要将出射光线跟入射光线作对比才能正确得出结论,不能只看表面不看实质,将会聚作用与会聚光线,发散作用与发散光线混为一谈。同时实像一定由会聚光线形成,可以用光屏接收再用眼睛观察,虚像由发散光线形成,可以用眼睛观察,平行光线不能成像。除了实物成像外,还有虚物成像,所谓虚
  物实像是经光学器材(如凸透镜)所成的实像,这样,凹透镜与凸透镜组合也能成实像。
  作者单位:江苏省苏州市吴中区木渎实验中学
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