光與像（上）

我們憑借視覺感知周圍世界的模樣，欣賞風景，辨別方向，找準目標。然而，令人想不到的真相是，人眼所見到的一切并非真實的世界，而只是它們的“像”而已。

眼睛如何看世界

有的物體自身就能發光，我們稱之為光源。像太陽、螢火蟲、發光的魚，它們在自然界本來就存在，屬于自然光源；而工作的電燈泡、燃燒的煤氣灶火焰，是人類加工形成的，屬于人造光源。不能發光的物體，我們也能看到，是因為它們反射的光進入了人眼。

眼睛看物體遵循兩個原則：一是只認進入眼睛的光線，而不問它從哪里來；二是迎著進入眼睛的光線反向找到相交點，默認這個“相交點”就是光的出處。比如S點發出的光線進入了人眼，人眼迎著光線，將光線反向延長，找到相交的S點（圖1a），大腦認為光就是由S點發出的。如果S點是在平面鏡前的，鏡面的反射光線也會進入人眼（圖1b），光線的反向延長線則交于S＇點，大腦會認為光是由S＇點發出的。客觀上并沒有S＇點，但人“真實”地感受到了。這個S＇點就是平面鏡所成的虛像，大小與S點相等，和S點關于鏡面對稱（或者說成它們的連線與鏡面垂直，到鏡面的距離相等）。

實像與虛像的共同點是眼睛都能“看到”（其實是都有光線進入人眼），不同點是實像能呈現在光屏上，由實際光線相交而成；虛像不能呈現在光屏上，由實際光線的反向延長線“相交”而成。

所以，眼睛本身并不能區分物體、實像、虛像。我們之所以能區別它們，靠的是生活中獲得的經驗。

“潭清疑水淺”的奧秘

光從一種透明介質斜射入另一種透明介質時，在界面將改變傳播方向，即發生折射。折射的基本規律是“哪邊大，哪邊大”——光在哪種介質中的傳播速度大，在這種介質中，光線與法線的夾角就大。

假定水下的魚A 發出的光線（或反射的光線）從水下斜射入空氣時，在水面發生折射，折射光線會遠離法線（空氣中的光速大于水中的光速）。當這些光線進入人眼，人就“看到”了水下的“魚”——A＇，這個A＇就是折射形成的虛像。因為折射角大于入射角，所以在人的視覺中，虛像的位置被抬高了（圖2）。水下的每一個物體，在水面上的人看來，位置都是抬高的，所以水看上去變“淺”了。因此，有經驗的漁民用魚叉叉魚時，要往看到的“魚”的下方叉。

實際上射到水面上方的光線，它們的反向延長線并不能相交于水下同一點，所以從水面上方看到的水下虛像輪廓模糊，并不清晰。

不用到河邊，在家就可以體驗“潭清疑水淺”。在碗底放一枚硬幣，眼可以看到；然后人往后退，直到剛好看不到硬幣為止。讓另一名同學往碗中加水（注意：慢慢加，不要讓硬幣移位），水面上升到一定位置時，你又能看到“硬幣”了（圖3）。你應該知道，看到的其實是硬幣被抬高的虛像。換成看壓在玻璃板下面的字呢？同樣的道理，看到的也是位置被抬高的虛像。

如果把玻璃板豎起來，透過玻璃板看遠處的物體呢？看到的是物體被拉近的虛像，而不是物體本身！

同樣，地球之外的物體發出的光線射向地球時，由于介質不均勻，光線經過了多次偏折才進入人眼。當我們逆著光線將反向延長線相交來尋找物體時，看到的也都是虛像。是的，你從來沒有看見過真正的太陽、月亮，看到的都是它們的虛像。

歸納一下，當反射形成虛像時，反射光線的反向延長線必定經過“像”；當折射形成虛像時，折射光線的反向延長線必定經過“像”。這對我們掌握光路作圖非常有用。

探究小孔成像

這里的“小”，是相對物體到小孔距離與光屏到小孔距離來說的。如果把地面當作光屏，把太陽當作物體，那么樹葉間的縫隙就可以看作“小孔”。夏天，濃密的樹蔭下，常見到地面上有圓形光斑，就是太陽通過樹葉間的縫隙在地面所成的倒立、縮小的實像（圖4）。

通過示意圖，很容易理解小孔成像的原理。

物體兩個端點A、B發出的光，通過小孔后沿直線傳播，A點發出的光照射到光屏下端，形成像A＇；B點發出的光照射到光屏上端，形成像B＇。物體上所有點的像便組成了物體的像A＇B＇（圖5）。這個像是實像——由實際光線相交而成的，能呈現在光屏上。光的直線傳播導致像倒立。

我們在家里就可以探究小孔所成的像的大小與什么因素有關。

用大頭針在黑紙上扎個孔，盡量讓孔的周圍保持平滑。在黑紙兩側分別放置白紙（光屏）和燭焰（物體）。關燈、拉窗簾，實驗環境越暗越好。當觀察到白紙上有燭焰倒立的像時，改變燭焰到小孔的距離或白紙到小孔的距離，會看到像的大小也發生變化。規律也是“哪邊大，哪邊大”——若燭焰到小孔的距離大于光屏到小孔的距離，則燭焰比像大；若光屏到小孔的距離大于燭焰到小孔的距離，則像比燭焰大。當然，像的大小與物體的大小也有關系。

（責任編輯：白玉磊）