在光學(xué)作圖中滲透科學(xué)思維的培養(yǎng)

張更生　邢海根

[摘 要]通過(guò)作各類(lèi)成像光路圖，并依據(jù)光路圖進(jìn)行逆向推理，可以培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力，進(jìn)而提升學(xué)生分析與解決問(wèn)題的能力，有效提升課堂教學(xué)實(shí)效。

[關(guān)鍵詞]反射成像;折射成像;凸透鏡成像;逆向思維

[中圖分類(lèi)號(hào)]? ? G633.7? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]? ? A? ? ? ? [文章編號(hào)]? ? 1674-6058（2020）20-0046-02

在光學(xué)中，把來(lái)自物點(diǎn)的光線經(jīng)過(guò)反射或折射后的交點(diǎn)或反射、折射后反向延長(zhǎng)線的交點(diǎn)叫像。根據(jù)光的直線傳播、反射定律、折射定律以及透鏡的三條特殊光線，作出物體成像的光路圖，依據(jù)光路圖進(jìn)行逆向推理，就會(huì)發(fā)現(xiàn)一些必然的結(jié)論或規(guī)律。這些結(jié)論或規(guī)律又能提高學(xué)生解答相關(guān)問(wèn)題的能力。

一、光的反射成像

1.根據(jù)反射定律作平面鏡成像光路圖

S為物體，O1O2為反射面，作任意兩條入射光線，畫(huà)法線，根據(jù)光的反射定律，作反射光線，將反射光線反向延長(zhǎng)，得出S的像，如圖1所示，S′為S的像。

2.提出問(wèn)題

反射光線的反向延長(zhǎng)線一定會(huì)經(jīng)過(guò)哪一點(diǎn)？反射光線好像由哪個(gè)點(diǎn)發(fā)出來(lái)的？反射光線上的某一點(diǎn)與像的連線與界面的交點(diǎn)是什么？若入射點(diǎn)與像點(diǎn)確定，如何作反射光線？

3.歸納結(jié)論

反射光線反向延長(zhǎng)線相交于像點(diǎn);反射光線好像由像點(diǎn)發(fā)出來(lái)的;反射光線上的某一點(diǎn)與像的連線與界面的交點(diǎn)即入射點(diǎn)（反射點(diǎn)）;將像與入射點(diǎn)用虛線相連，并用實(shí)線延長(zhǎng)，在光線加上箭頭，即為反射光線。

[例1]畫(huà)出圖2中S發(fā)出的光線經(jīng)平面鏡反射后過(guò)P點(diǎn)的光路。

解析：根據(jù)上述結(jié)論，反射光線好像是由像點(diǎn)發(fā)出的，由物與像關(guān)于鏡面對(duì)稱(chēng)，作像點(diǎn)后，用虛線連接S′P，與鏡面的交點(diǎn)為入射點(diǎn)O，用實(shí)線連接OP，得反射光線，連接SO就得到入射光線，如圖3所示。

[例2]如圖4所示，AB、CD是平面鏡前一點(diǎn)光源S發(fā)出的光線經(jīng)平面鏡M反射后的兩條反射光線，請(qǐng)?jiān)趫D中標(biāo)出光源S和像點(diǎn)S′的位置，并完成光路圖。

解析：根據(jù)反射光線反向延長(zhǎng)線經(jīng)過(guò)像點(diǎn)，將兩條反射光線反向延長(zhǎng)交于S′，S′即像點(diǎn)，再根據(jù)平面鏡成像的特點(diǎn)：像與物關(guān)于平面鏡對(duì)稱(chēng)，畫(huà)光點(diǎn)S的位置，補(bǔ)出入射光線，如圖5所示。

二、水與空氣兩介質(zhì)的折射成像

1.根據(jù)光的折射定律作空氣與水之間的折射成像光路圖

從水面（或其他透明體）上方的物體A，任作兩條入射光線與水面的交點(diǎn)為入射點(diǎn)，畫(huà)出法線，根據(jù)光的折射定律，作折射光線，折射光線反向延長(zhǎng)線的交點(diǎn)即為A點(diǎn)的像A′，如圖6所示。同理，在水面（或其他透明體）下方有一物體S，從S向水面任作兩條入射光線，畫(huà)出法線，根據(jù)光的折射定律，作折射光線，折射光線反向延長(zhǎng)線的交點(diǎn)S′即為S的像，如圖7所示。

2.提出問(wèn)題

已知物體的位置如何大致確定像的位置？已知像的位置如何大致確定物體的位置？眼睛與像的位置已知，入射點(diǎn)的位置如何確定？入射點(diǎn)O在眼睛（折射光線上的點(diǎn)）與物體的連線的哪一側(cè)？

3.歸納結(jié)論

像的位置總比物高，眼睛與像的連線與界面的交點(diǎn)即入射點(diǎn)，入射點(diǎn)位于眼睛與物體連線與界面交點(diǎn)的左側(cè)。

[例3]如圖8所示，水里的光源O發(fā)出的一條光線射向水面，在水面處發(fā)生反射和折射，反射光線經(jīng)過(guò)P點(diǎn)，折射光線經(jīng)過(guò)A點(diǎn)，請(qǐng)?jiān)诖痤}卡圖中先通過(guò)虛線作圖找出水面處的反射點(diǎn)，再作入射光線、反射光線和折射光線。

解析：根據(jù)平面鏡成像的規(guī)律，作點(diǎn)光源O關(guān)于水面的對(duì)稱(chēng)點(diǎn)O′，即為點(diǎn)光源O經(jīng)水面反射成的像O′，由于反射光線的反向延長(zhǎng)線要過(guò)像點(diǎn)O′，連接PO′，與水面的交點(diǎn)就是入射點(diǎn)M。分別連接OM、MP、MA，可得入射光線、反射光線、折射光線，如圖9所示。

三、凸透鏡成像

1.根據(jù)兩條特殊光線作凸透鏡成像光路圖

從物點(diǎn)作經(jīng)過(guò)光心的光線，方向保持不變;從物點(diǎn)作平行主光軸的光線，折射后經(jīng)焦點(diǎn)射出，兩折射光線的交點(diǎn)或反向延長(zhǎng)線的交點(diǎn)即為像點(diǎn)，如圖10。

2.提出問(wèn)題

來(lái)自物體的入射光線（包括非特殊光線），折射后最終到達(dá)哪一點(diǎn)？能否從像的位置判斷像是放大還是縮小的？能否從像的位置判斷物體的位置？能否由像與物的位置確定凸透鏡的位置？能否根據(jù)像與物的位置確定焦點(diǎn)的位置？

3.歸納結(jié)論

來(lái)自物體的入射光線經(jīng)凸透鏡折射后，折射光線到達(dá)像點(diǎn)。成實(shí)像時(shí)，“像在間（ f與2 f之間），物在外（2 f以外），成縮小的像”;像在2 f，物在2 f;“像在2 f外，物在間（ f與2 f間）”，成放大的像;像為虛時(shí)，物在內(nèi)（1 f以?xún)?nèi)），像比物到凸透鏡的距離遠(yuǎn);像與物的連線與主光軸的交點(diǎn)即為凸透鏡光心的位置（經(jīng)過(guò)光心的光線方向不變）;平行主光軸的光線，經(jīng)凸透鏡折射后經(jīng)過(guò)焦點(diǎn)射出。

[例4]某人通過(guò)焦距為f的放大鏡讀報(bào)，眼睛（不計(jì)形狀和大?。┪挥谕哥R主光軸上距離透鏡2f的A點(diǎn)，B點(diǎn)與A點(diǎn)關(guān)于透鏡對(duì)稱(chēng)，如圖11所示。圖中f表示透鏡的兩個(gè)焦點(diǎn)，報(bào)紙所在平面與主光軸垂直。請(qǐng)通過(guò)作光路圖，標(biāo)出在報(bào)紙上不能被眼睛觀察到的區(qū)域（盲區(qū)）。

解析：物體處于凸透鏡2倍焦距時(shí)成倒立、等大的實(shí)像，由物體上某點(diǎn)射出的光線經(jīng)凸透鏡折射后，折射光線經(jīng)過(guò)像點(diǎn)2f，由A點(diǎn)射出的光線經(jīng)凸透鏡折射后折射光線經(jīng)過(guò)像點(diǎn)B（在2f處）;因?yàn)楣饴肥强赡娴?，所以C、D兩點(diǎn)之外的部分即為盲區(qū)，這里面的字射出的光線經(jīng)凸透鏡折射后不能進(jìn)入人的眼睛，人看不到，如圖12所示。

[例5]如圖13為某透鏡成像的一種情況，其中AB是物體，NB是主光軸，MN是AB的像，試在圖上的適當(dāng)位置畫(huà)上合適的透鏡，并用作圖法作該透鏡右側(cè)的焦點(diǎn)F。

解析：像與物的連線與主光軸的交點(diǎn)即為凸透鏡光心的位置（經(jīng)過(guò)光心的光線方向不變），從而確定出凸透鏡的位置;由于“平行于主光軸的光線經(jīng)凸透鏡折射后過(guò)焦點(diǎn)”，且兩條折射光線的反向延長(zhǎng)線的交點(diǎn)即像，所以，可由A點(diǎn)向凸透鏡作平行于主光軸的光線AC，連接MC并延長(zhǎng)交主光軸上一點(diǎn)F，F(xiàn)就是凸透鏡的焦點(diǎn)，根據(jù)左右焦點(diǎn)到光心的距離相等還可確定左側(cè)焦點(diǎn)的位置，如圖14所示。

綜上所述，在光學(xué)中反射作圖可轉(zhuǎn)化為平面鏡成像類(lèi)型作圖;在液體、透明固體與空氣的折射作圖，可類(lèi)比空氣與水的折射成像作圖;凸透鏡作圖可轉(zhuǎn)化為凸透鏡成像作圖。物點(diǎn)的光線經(jīng)平面鏡反射，反射光線的反向延長(zhǎng)線到達(dá)像點(diǎn)，像點(diǎn)與反射光線的連線決定入射點(diǎn);物點(diǎn)的光線經(jīng)透明體折射，折射光線的反向延長(zhǎng)線到達(dá)像點(diǎn)，由像點(diǎn)與折射光線的連線決定入射點(diǎn);物點(diǎn)的光線經(jīng)凸透鏡折射，折射光線或反向延長(zhǎng)線到達(dá)像點(diǎn)，物點(diǎn)與像點(diǎn)的連線與主光軸的交點(diǎn)決定光心的位置。在幾何光學(xué)作圖中，光路是可逆的。

[? ?參? ?考? ?文? ?獻(xiàn)? ?]

[1]? 張晉魯.通過(guò)幾何光學(xué)作圖題的多種解法來(lái)深入探究理想光具組成像規(guī)律[J].物理教師，2016（3）：55-56.

[2]? 秦洪柱，秦洪銀.談習(xí)題課教學(xué)如何培養(yǎng)學(xué)生的探索能力：兼談平面鏡成像作圖教學(xué)[J].物理教師，2003（2）：11-12.

[3]? 李東升.幾何光學(xué)教學(xué)札記[J].物理教師，1998（5）：22-23.

（責(zé)任編輯 易志毅）