當(dāng)光線逆著原來的反射光線(或折射光線)的方向射到媒質(zhì)界面時,必會逆著原來的入射方向反射(或折射)出去,光線的這種性質(zhì)叫做光路可逆.
關(guān)于光路可逆,教材中僅指出:“光在反射時,光路是可逆的”“光在折射時,光路也是可逆的”,并沒有進(jìn)行深入分析及應(yīng)用,以至于同學(xué)們對光路可逆不重視,認(rèn)為這個知識點(diǎn)無關(guān)緊要,可實(shí)際上我們在解決有關(guān)光的習(xí)題中,如果能夠想到利用光路可逆這一重要原理,那不僅能夠有助于對某些光學(xué)知識的記憶(例如,可由“平行于主光軸的光線經(jīng)凸透鏡折射后會聚于焦點(diǎn)”得出“自凸透鏡焦點(diǎn)發(fā)出的光線會平行于主光軸射出”;可由光從空氣射入其他透明介質(zhì)的折射規(guī)律得出光從其他透明介質(zhì)射入空氣中的折射規(guī)律等),還可以讓同學(xué)們對許多光學(xué)現(xiàn)象的理解與運(yùn)用變得非常簡單,下面我們就以光的折射為例探討一下光路可逆的應(yīng)用.
例1 圖1為光從空氣斜射入水中的折射光路,則光從水中斜射入空氣中時,折射角 (大于/等于/小于)入射角.
解析 我們只對光從空氣射入其他透明介質(zhì)的情況做過研究,但如果遇到光從介質(zhì)射入空氣的問題,根據(jù)光路可逆,就也能得出結(jié)論.本題根據(jù)光路可逆,當(dāng)光沿BO入射時,折射光線必為OA,故折射角大于入射角.
例2 如圖2a所示,一束光射向一塊玻璃磚,畫出這束光進(jìn)入玻璃和離開玻璃后的軌跡.
解析 本題根據(jù)光的折射規(guī)律作出解答,有的同學(xué)可能作出圖b的錯誤解答,認(rèn)為最終的折射角大于入射角就對了,通過實(shí)驗(yàn),我們知道其實(shí)正確的光路圖如圖c所示.那么為什么BC∥AO呢?我們可以利用光路可逆去解釋,入射光線AO通過玻璃磚在玻璃磚的上、下兩個表面都會發(fā)生折射.由于玻璃磚的上下表面是平行的,因此∠M′OB=∠NBO,即光由空氣斜射入玻璃磚時的折射角(∠M′OB)等于光由玻璃磚斜射入空氣時的入射角(∠NBO).根據(jù)光路可逆可知,此時光由玻璃磚斜射入空氣的折射角(∠N′BC)應(yīng)等于光由空氣斜射入玻璃磚時的入射角(∠AOM),即最終的折射光線BC應(yīng)平行于原入射光線AO.
例3 站在岸上的人看到平靜的水面下有一靜止的物體,如圖3所示,如果他想用一束強(qiáng)光照亮物體,則應(yīng)該瞄準(zhǔn)( ).
A.看到的物體的上方
B.看到的物體的下方
C.看到的物體
D.看到的物體的前方
解析 這是一道極易解錯的題目,學(xué)生易與“叉魚”時偏下方才能叉到魚混淆.其實(shí),在明確“看到的物體”實(shí)際是真實(shí)物體虛像的基礎(chǔ)上,運(yùn)用光路可逆來分析,若激光沿原來的折射光線路徑反方向入射,則其對應(yīng)的折射光線必沿原來的入射光線路徑的反方向傳播,從而照亮物體,故選C.
例4 小義某次在實(shí)驗(yàn)室做“探究凸透鏡成像規(guī)律”實(shí)驗(yàn)時,燭焰通過凸透鏡恰好在光屏上成一個倒立放大的像,若保持凸透鏡位置不變,把燭焰和光屏的位置對調(diào)一下,則( ).
A.光屏上仍能得到一個倒立放大的像
B.透過透鏡可觀察到一個正立放大的像
C.光屏上能得到一個倒立縮小的像
D.光屏上沒有像,需調(diào)節(jié)光屏才能成像
解析 由凸透鏡成像規(guī)律可知,當(dāng)燭焰通過凸透鏡在光屏成一個倒立放大的像時,物距大于1倍焦距小于2倍焦距,像距大于2倍焦距.若保持凸透鏡位置不變,把燭焰和光屏的位置對調(diào),則物距將變?yōu)榇笥?倍焦距,燭焰可以通過凸透鏡在大于1倍焦距小于2倍焦距的某處成一個倒立縮小的像.但這時的像是否一定能成在原來物體所處的位置上呢?為了便于研究,我們僅取燭焰上處于透鏡主光軸上的A點(diǎn)來研究,如圖4所示.我們知道,A點(diǎn)所成的像,是由從A點(diǎn)發(fā)出的光經(jīng)凸透鏡折射后相交而成的,所以圖中主光軸上的點(diǎn)A′必是A點(diǎn)所對應(yīng)的像點(diǎn).如果把燭焰和光屏的位置對調(diào),即把A點(diǎn)換放到A′點(diǎn)的位置,那么由光路可逆可知,這時處于A′點(diǎn)位置的燭焰上發(fā)出的光必會沿圖中光路的反方向傳播,并在圖中的A點(diǎn)處成相應(yīng)的像點(diǎn).由此可見,保持凸透鏡位置不變,把燭焰和光屏的位置對調(diào)一下,相應(yīng)的物距與像距也是互換的,也就是現(xiàn)在所成像的位置就是原來物體的位置,故選C.
由以上幾例我們可以發(fā)現(xiàn),在處理光路問題時,運(yùn)用光路可逆這一性質(zhì)可以幫助我們更好地理解許多光學(xué)中的現(xiàn)象及原理,在解題時可以幫助我們拓寬思路、鍛煉思維,所以同學(xué)們要重視對光路可逆的學(xué)習(xí)與運(yùn)用.