走出幾何光學(xué)若干認(rèn)識問題的誤區(qū)

趙泓哲

毋庸置疑，高中物理的學(xué)習(xí)是許多同學(xué)包括我在內(nèi)一個頭痛的問題，它不同于初中物理的具象，整個高中的物理都是比較抽象且難以理解的。又加上高中物理對量的重視，大部分都是定量分析，因此對計算的要求都比較高。誠然，物理的學(xué)習(xí)是難點(diǎn)但只要掌握其學(xué)習(xí)方法也并不是學(xué)不好的，只要按物理學(xué)科的特點(diǎn)去學(xué)習(xí)，按照前面談到的去做，理解注重思考物理過程，不死記硬背，常動手，常開動腦筋思考，在學(xué)習(xí)中要找出適合自己的學(xué)習(xí)方法，從學(xué)習(xí)中去尋找樂趣，就能培養(yǎng)自己學(xué)習(xí)物理的興趣，就一定能學(xué)好物理知識。

幾何光學(xué)是光學(xué)學(xué)科中以光線為基礎(chǔ)，研究光的傳播和成像規(guī)律的一個重要的實用性分支學(xué)科。在幾何光學(xué)中，把組成物體的物點(diǎn)看作是幾何點(diǎn)，把它所發(fā)出的光束看作是無數(shù)幾何光線的集合，光線的方向代表光能的傳播方向。在此假設(shè)下，根據(jù)光線的傳播規(guī)律，在研究物體被透鏡或其他光學(xué)元件成像的過程，以及設(shè)計光學(xué)儀器的光學(xué)系統(tǒng)等方面都顯得十分方便和實用最近在學(xué)習(xí)幾何光學(xué)這部分內(nèi)容時，我發(fā)現(xiàn)了幾個容易出現(xiàn)問題的地方，因此總結(jié)出若干認(rèn)識問題的誤區(qū)，與大家分享：

一、若在發(fā)光點(diǎn)和平面鏡中間放入不透明擋扳，則觀察到的像的亮度變暗

如圖1所示，點(diǎn)P為某一發(fā)光點(diǎn)，MN為任意平面鏡，則在MN和點(diǎn)P中間放入不透明的擋板Q后所觀察到像的亮度變化情況如何？

此題的答案應(yīng)為“不變”。許多同學(xué)會認(rèn)為答案是變暗，這就說明大家陷入了這樣一種誤區(qū)：認(rèn)為放入擋板后亮度變暗，這來源于凸透鏡成像的原理，如下圖2、3所示

我們可以清晰的看到，由圖2中的點(diǎn)S散發(fā)出的光線到達(dá)凸透鏡后通過光線的折射最終必定相較于一實像點(diǎn)S，然后如圖3所示情況是指當(dāng)放入一塊擋板AB于凸透鏡的下半部分（或它上面的任何一塊）后，通過點(diǎn)S投射出的光線并且到達(dá)擋板AB的光線就無法通過凸透鏡，當(dāng)然也就無法相交于點(diǎn)S。通過某點(diǎn)所匯集的光線減少了，顯而易見，當(dāng)放入擋板AB，像點(diǎn)應(yīng)該理所當(dāng)然的變暗。

但該題目所不同的出題點(diǎn)是，由于圖4中的發(fā)光點(diǎn)P通過平面鏡所呈現(xiàn)的事虛像點(diǎn)P'，而我們之所以看的到P'點(diǎn)，則是由于進(jìn)入人眼的是透過P所發(fā)出的光線在平面鏡MN上發(fā)生反射的反射光線，又因為根據(jù)人們?nèi)粘Ｉ钪兴B(yǎng)成的觀察習(xí)慣，我們所看到的虛像P'就是眼睛的光線反向延長線的交點(diǎn)。因此我們看到的虛像點(diǎn)的亮度實際上在于當(dāng)觀察時進(jìn)入人眼的光線的強(qiáng)弱以及多少。

二、平面鏡像觀察時的范圍和眼睛觀察時的范圍等價且可以使用同種方法繪制圖像

（1）平面鏡觀察時的范圍和眼睛的觀察的范圍概念存在一定差別

平面鏡觀察時的范圍根據(jù)定義理解就是指某一點(diǎn)或組成該物體的的其上各點(diǎn)（可看做是廣義的光源點(diǎn)）所放射出的光線通過平面鏡反射后所能同時達(dá)到的那部分空間區(qū)域。也就是說，在這部分區(qū)域內(nèi)的任何地方眼睛都可以觀察的到；而眼睛的觀察范圍則是指當(dāng)眼睛固定在某一特定位置，通過平面鏡后視力所可以看到的地方，為了解題方便，常用的做題步驟是通過畫圖說明。但同學(xué)們應(yīng)該注意到這里又存在一個誤區(qū)，那就是在這種情況下所作出的區(qū)域是指空間上的而非平面。

（2）作像的觀察的范圍的簡便算法及實例

①利用繪制圖像并加以計算得出像的位置所在

②通過所得的像補(bǔ)充光具的兩條邊界的反射光線。觀察這兩條光線所包圍的部分（空間）也可認(rèn)為是像的觀察范圍。

③只要處于像的觀察范圍內(nèi)，人眼所看到的像都是完整的。

請看下列各圖中像的觀察范圍

三、平面鏡和凹透鏡所成的像均為虛像，無法出現(xiàn)實像

如圖所示，當(dāng)射向平面鏡的光線是發(fā)散光線時，通過平面鏡的反射出的光線依舊是發(fā)散的，那么可以得出結(jié)論發(fā)散的反射光線經(jīng)過它的反向延長線在平面鏡后某點(diǎn)會交于一點(diǎn)，呈現(xiàn)出一個虛像。然而實物經(jīng)過凹透鏡后也會形成一個虛像，這就是我們?nèi)粘Ｋ姷狡矫骁R和凹透鏡成像的實際情況。

但是，若射向平面鏡的光線是會聚光線時，如下圖所示，則透過平面鏡反射后得到的光線仍為會聚光線，由此可知，這樣的反射出來的光線就可以在平面鏡錢某個地方直接相交呈現(xiàn)出實像。

同理可得，當(dāng)會聚光線透過凹透鏡時，如圖所示，

經(jīng)過折射后的光線則會相交成實像點(diǎn)。由于初中的物理并不要求大家對虛物成像有過多的討論，因此許多關(guān)于平面鏡和凹透鏡的成像的實際情況就被大家忽視了，大家會理所當(dāng)然的認(rèn)為印象中的樣子，進(jìn)入誤區(qū)。

通過在平常的作業(yè)和練習(xí)中，我反復(fù)研究總結(jié)出了以下結(jié)論：

1.如果入射平面鏡的光線呈現(xiàn)會聚光線，成實像則成為必然。在理論上我們可以將會聚光線當(dāng)做“虛物”。

2.通過分析不難發(fā)現(xiàn)，關(guān)于平面鏡和凹透鏡只能成虛像不能成實像這種看法是存在問題的，我認(rèn)為可以加以完善成更加科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)恼f法：實物通過平面鏡和凹透鏡只能出現(xiàn)虛像，不可能呈現(xiàn)實像。關(guān)于平面鏡成像這個問題，可以利用簡單易懂的記憶方法幫助理解“實物成虛像，虛物成實像”。

從知識要求上，物理學(xué)是去研究整個自然界的，它把基本概念當(dāng)做基石，把基本規(guī)律當(dāng)做核心，以基本觀念和方法為紐帶，因此構(gòu)成了物理學(xué)的學(xué)科結(jié)構(gòu)。在學(xué)習(xí)過程中我發(fā)現(xiàn)學(xué)好物理，必須扎實理解物理概念、牢記物理規(guī)律、掌握物理觀念和方法。由于它們本身的抽象性、復(fù)雜性、緘默性，和物理觀念、方法、知識結(jié)構(gòu)及物理應(yīng)用和技能的個體性、不可言傳性、無意識性，給物理學(xué)習(xí)帶來了極大的難度；從思維方法上，又要求我們形成良好的形象思維，同時要提高自己的抽象思維。就比如在力學(xué)中，我們不只是能從腦子里形成空間上的形象圖景，還要從眾多的現(xiàn)象中抽象出力的作用點(diǎn)，方向，大小，產(chǎn)生條件等這樣的抽象思維；從能力要求上，要求我們具備理解能力、推理能力、數(shù)學(xué)工具處理物理問題的能力、分析綜合能力、觀察和實驗的能力。如牛頓運(yùn)動定律則要經(jīng)過推理得出，而且在處理問題中要較多地運(yùn)用推理和判斷，因此推理和判斷能力要求就很高。在力的合成和分解時，對數(shù)學(xué)能力的要求就很突出，學(xué)生要善于把數(shù)學(xué)知識運(yùn)用于合力、分力的大小及方向。另外，在解決具體問題時的數(shù)學(xué)能力，更是一種較高能力的要求，它是多學(xué)科的綜合能力，需要我們具備較高的物理思維能力和數(shù)學(xué)知識運(yùn)用于物理，學(xué)會運(yùn)算，以至最后得到物理結(jié)論的能力。