凸透鏡成立體的、可視性的實(shí)像的探究報(bào)告

張朋友

G633.7

大家對(duì)凸透鏡成像并不陌生，凸透鏡所成的實(shí)像實(shí)際上是折射光線(xiàn)會(huì)聚而形成的，我們都用光屏來(lái)承接，這時(shí)你會(huì)發(fā)現(xiàn)通過(guò)凸透鏡所成的燭焰的像是在一個(gè)范圍內(nèi)都可以接收到的，而在這個(gè)范圍內(nèi)都很清晰，這是為什么呢？原來(lái)燭焰這個(gè)物體沿著主光軸方向是具有一定的“厚度”的，也就是說(shuō)對(duì)應(yīng)不同厚度的物點(diǎn)有著不同的物距，當(dāng)然不同的物點(diǎn)在另一側(cè)的成像的位置要有所不同，即像距不同，所以我們會(huì)在不同的位置（在一定的范圍內(nèi)）接收到燭焰的像。但是你仔細(xì)觀察或思考就會(huì)發(fā)覺(jué)：在不同位置的像實(shí)際上只是燭焰所成的完整的立體的像的一部分，是燭焰所成像的一個(gè)垂直于主光軸的截面圖（若光屏垂直于主光軸），而不是完整的燭焰的像。那么，如何去呈現(xiàn)完整的燭焰的像呢？如何使不同的角度的學(xué)生同時(shí)觀察到燭焰的立體的完整的像呢？帶著這種想法，我著手去進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。這次的實(shí)驗(yàn)與以往的實(shí)驗(yàn)有所不同，以往的實(shí)驗(yàn)中像只是呈現(xiàn)在平面上，而這次我的目的是力圖將像呈現(xiàn)的與原來(lái)的物體的形狀相同，即得到一個(gè)立體的像，而且在不同的角度都可以觀察到這個(gè)像。那么，這個(gè)立體的像用什么去承接呢？這是一個(gè)棘手的難題，于是我做了如下的探究：

方案一、用一個(gè)與主光軸方向垂直但可以沿著主光軸方向振動(dòng)的普通光屏去承接。

這個(gè)想法的思路是：既然不同物距的物點(diǎn)成像的像距不同，便可以通過(guò)將光屏分別放置于距離凸透鏡遠(yuǎn)近不同的位置就可以接收到不同位置的像了，通過(guò)對(duì)振動(dòng)頻率的調(diào)節(jié)和視覺(jué)的暫留特點(diǎn)，我們便可以看到一個(gè)立體的完整的像。要讓光屏沿著主光軸方向振動(dòng)并不難辦到，可以利用電推子的原理，但這個(gè)方案只是做了一下思考，并沒(méi)有付之于行動(dòng)。原因其一是：大家都知道，我們的視覺(jué)暫留是有一定的時(shí)間的，當(dāng)振動(dòng)著的光屏，在不同的位置承接到燭焰的像時(shí)，時(shí)間間隔太大，就會(huì)造成不同位置的像在不同的時(shí)刻展現(xiàn)，達(dá)不到立體的效果；如果時(shí)間間隔太短，由于視覺(jué)暫留，我們的視覺(jué)還停留在前面的影像時(shí)，而后面的影像已經(jīng)呈現(xiàn)在光屏上了，這會(huì)造成像無(wú)清晰的邊界，最后只看到中間位置的像，無(wú)法看到最大像距和最小像距時(shí)的像。原因之二是：反射面的光屏的反射的方向是有限的，這會(huì)局限于某一特定的范圍才可以看到像，其他的方向不能看到像。于是這一想法只是停留在用手實(shí)現(xiàn)模擬振動(dòng)，并沒(méi)有制作振動(dòng)光屏。

方案二、用與主光軸垂直但可以沿著主光軸方向做弧線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的光屏承接像。想法同方案一，又由于方案一的原因，擱淺。不過(guò)初步試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)效果比方案一要好一些。

方案三、用滾動(dòng)光屏來(lái)承接像。

想法基于方案三，用一個(gè)安置在主光軸上的滾動(dòng)光屏來(lái)承接成在不同位置的像，適當(dāng)調(diào)節(jié)光屏的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，可以接收到近似立體的像，但是可以觀察到像的范圍較小。

方案四、用煙室承接（或摻有少許牛奶的水來(lái)承接）。

這個(gè)方案的想法很完美，光可以在煙室中的不同位置會(huì)聚而成像，又因?yàn)楣庠谛〉念w粒上會(huì)發(fā)生散射，能使不同位置的學(xué)生同時(shí)看到散射的光，便可以從不同的觀察位置看到像了。不同像距的位置均可以接收折射光線(xiàn)，所以物體的不同物距的物點(diǎn)同時(shí)可以成像在不同像距的位置，看來(lái)這個(gè)方案很好，可以很好地解決物體在不同位置同時(shí)成像和在不同位置同時(shí)觀察的難題。但是實(shí)際效果真的如人所愿嗎？非也，通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)實(shí)際上并沒(méi)有形成燭焰的立體的像，只是成像的位置的光變強(qiáng)，光線(xiàn)在煙室中形成了一個(gè)相對(duì)著的兩個(gè)圓錐形。這是什么原因呢？分析如下：光線(xiàn)在煙室中，會(huì)聚到成像點(diǎn)之后，并沒(méi)有截止到成像點(diǎn)位置，而是還在繼續(xù)傳播，這樣便成了兩個(gè)相對(duì)的圓錐的形狀光帶，沒(méi)有形成立體的燭焰的像。盡管人們從不同的角度可以觀察到光，但是光所成的像的輪廓不清晰，看不到立體的燭焰的像。（利用帶有少許牛奶的水所做的實(shí)驗(yàn)與煙室實(shí)驗(yàn)相似，不再贅述）

雖然這次凸透鏡成立體的可以多方向觀察到的像的實(shí)驗(yàn)沒(méi)有成功，但是在這一過(guò)程中的思考很是令人欣慰，圍繞如何呈現(xiàn)立體的像，如何能從不同的角度觀察到像來(lái)思考、設(shè)計(jì)不同的接收裝置，然后做測(cè)試，最后還要理性地進(jìn)行優(yōu)缺點(diǎn)的分析，無(wú)疑體現(xiàn)了物理人的實(shí)驗(yàn)和探索精神、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度。我相信，在未來(lái)的某一天，新的構(gòu)想會(huì)再次形成，新的驗(yàn)證會(huì)再次實(shí)現(xiàn)。改革實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)狀、不斷地追求完美，我要身體力行，同時(shí)希望能給有幸讀到我這篇文章的人一個(gè)勇于創(chuàng)新的激勵(lì)。