張義勇

一、重要的光學實驗

1.光的色彩 顏色

（1）光的色散：一束太陽光（或白光）通過三棱鏡可以分解為紅橙黃綠藍靛紫等色光，說明白光是由多種色光混合而成的復色光.各種色光通過三棱鏡后，紅光偏轉(zhuǎn)角度最小，紫光偏轉(zhuǎn)角度最大.

（2）色光的混合：利用白光通過濾色鏡獲得相應的單色光，將不同的單色光混合可以得到不同顏色的光.紅、綠、藍被稱為光的三原色.

（3）物體的顏色：人眼對顏色的感知來源于人眼接收到的色光.光源的顏色由其發(fā)出的色光所決定；透明體的顏色由其透過的色光所決定；不透明體的顏色由其反射的色光所決定.

2.探究平面鏡成像的特點

（1）實驗操作：選取等大的兩根蠟燭（或棋子）A、B，用半透明玻璃板進行實驗.將A放到玻璃板一側(cè)，人眼在A側(cè)通過玻璃板可以看到A的像A′.將B放到另一側(cè)并調(diào)節(jié)位置，當人眼從各個角度看過去都覺得B與A′重合時，說明B處即為A′的位置.兩者重合也說明A′與B大小相等，由于A、B等大，可得像A′與物A大小相等.實驗時還可以用刻度尺進一步研究像與物到鏡面距離的關系.

（2）虛像：平面鏡成像的實質(zhì)是光的反射.蠟燭A發(fā)出的光線經(jīng)過平面鏡反射到達人眼，人眼感覺這些光線好像是由鏡子后面的A′發(fā)出的，這個A′就是蠟燭A的虛像，它并不是實際光線會聚的結(jié)果，因而無法在光屏上呈現(xiàn).

（3）實驗結(jié)論：平面鏡所成的像是虛像，像和物大小相等，且它們到鏡面的距離也相等，像與物相對于鏡面對稱.

3.探究光的反射定律

（1）法線、入射角和反射角：將過入射點并垂直于鏡面的直線叫法線，入射光線與法線的夾角叫入射角，反射光線與法線的夾角叫反射角.

（2）實驗操作：將有刻度的硬紙板垂直平面鏡放置，讓入射光線AO緊貼紙板入射，反射光線OB將緊貼紙板出射，就可以通過紙板看清AO和OB的傳播路徑，利用硬紙板上的刻度即可研究反射角與入射角的大小關系.將紙板F邊沿ON向后彎折，紙板的E、F兩側(cè)不在同一平面內(nèi)，就無法再看到OB的軌跡，可知反射光線在入射光線和法線所決定的平面內(nèi).

（3）實驗結(jié)論：光反射時，反射光線、入射光線和法線在同一平面內(nèi)，反射光線、入射光線分居在法線兩側(cè)，反射角等于入射角.

4.探究光的折射特點

（1）折射角：折射光線與法線的夾角.

（2）實驗操作：將玻璃磚平放在白紙上，先在玻璃磚的上下兩邊畫上線.用激光筆緊貼白紙照射，在光路上做上記號，就可以畫出光的傳播路徑（如圖所示）.利用此圖便可研究光在空氣和玻璃兩種介質(zhì)中發(fā)生折射時的規(guī)律.

（3）實驗結(jié)論：當光從一種介質(zhì)斜射入另一種介質(zhì)時，折射光線、入射光線和法線在同一平面內(nèi)；折射光線和入射光線分別位于法線兩側(cè)；入射角增大（或減?。r，折射角也隨之增大（或減?。?光垂直于介質(zhì)表面入射時，折射角等于零.當光從空氣斜射入玻璃（或水）時，折射光線偏向法線，折射角小于入射角；當光從玻璃（或水）斜射入空氣中時，折射光線偏離法線，折射角大于入射角.

5.測量凸透鏡的焦距

用平行光正對凸透鏡照射，在凸透鏡的后方移動光屏，當光屏上呈現(xiàn)最小最亮的點時，用刻度尺測出光屏與凸透鏡中心的距離即為焦距.

6.探究凸透鏡成像的規(guī)律

（1）物距、像距：物體到凸透鏡的距離為物距（u），像到凸透鏡的距離為像距（v）.

（2）實驗操作：將蠟燭、凸透鏡和光屏依次放在水平桌面上，先將燭焰中心和光屏中心調(diào)節(jié)到凸透鏡的主光軸上，即讓燭焰中心、凸透鏡中心和光屏中心在同一直線且同一高度上.實驗時，改變物距進行多次實驗，根據(jù)測得的多組數(shù)據(jù)分析凸透鏡成像的規(guī)律.

（3）實驗結(jié)論：

7.模擬視力的矯正

近視眼看不清遠處的物體，成像在視網(wǎng)膜之前，需要佩戴凹透鏡，使像向后移動到視網(wǎng)膜上；遠視眼看不清近處的物體，成像在視網(wǎng)膜之后，需要佩戴凸透鏡，使像向前移動到視網(wǎng)膜上.

二、典型例題

考點1 光的色散

例1 一束太陽光通過三棱鏡折射后，被分解成七種顏色的光，在白色光屏上形成一條七彩光帶（如圖所示），這個現(xiàn)象叫光的 ，圖中A處為 色的光帶.如果將白色光屏換成紅色光屏，我們將

（選填“能”或“不能”）看到七彩光帶.

解析 太陽光通過三棱鏡被分解為多種色光的現(xiàn)象叫光的色散，其中紅光偏折角度小，紫光偏折角度大.如果換成紅色光屏，其只能反射紅光而且吸收其他色光，人眼將無法看清彩色光帶.

答案 色散、紅、不能.

考點2 平面鏡成像特點

例2 如圖所示，某同學在做“探究平面鏡成像的特點”實驗時，將一塊玻璃板豎直架在一把直尺的上面，取兩段相同的蠟燭A和B，將A和B一前一后豎直立在直尺上.實驗過程中，眼睛始終在蠟燭A的一側(cè)觀察.

（1）點燃蠟燭A，調(diào)節(jié)蠟燭B的位置，當 時，B的位置即為A的像所在的位置.

（2）實驗時，直尺的作用是便于比較像與物 的關系；兩段蠟燭相同是為了比較像與物 的關系.

（3）用平面鏡代替玻璃板，上述實驗

（選填“能”或“不能”）進行.

解析 由于實驗時既要看清A的像又要看到B，只能用玻璃板.找到像的位置后，可以用刻度尺可以研究像與物到鏡面距離的關系.前后兩只蠟燭大小相等而且看上去重合可以說明像與物的大小相等.

答案 （1）A的像與B重合時；（2）到鏡面距離，大小；（3）不能

考點3 光的反射定律

例3 為了探究光的反射規(guī)律，小明用如圖所示的裝置進行實驗，平面鏡置于水平桌面上.把一可沿ON折疊的白色硬紙板豎直放置在平面鏡M上.

（1）在實驗中使用白色硬紙板能顯示

，也能方便地測量 .

（2）以法線ON為軸線，將白色硬紙板的B面繞法線ON向后旋轉(zhuǎn)，此時反射光線的位置 （選填“發(fā)生”或“不發(fā)生”）變化.

解析 用白色硬紙板顯示入射光線和反射光線的傳播路徑，再利用底部的量角器研究反射角與入射角的大小關系，將紙板B面翻折后，反射光線無法在紙板B上呈現(xiàn)，可見反射光線、入射光線和法線在同一平面內(nèi).

答案 （1）入射光線和反射光線，反射角和入射角；（2）不發(fā)生.

考點4 光的折射特點

例4 下表中記錄了不同入射角和對應折射角測量數(shù)據(jù).

（1）請你結(jié)合圖，以光從空氣進入玻璃的情況為例分析數(shù)據(jù)（光從空氣進入其他透明介質(zhì)中也可得到具有相同規(guī)律的數(shù)據(jù)），對光從空氣進入其他透明介質(zhì)中的規(guī)律加以總結(jié).

a.折射光線跟入射光線和法線在同一平面內(nèi)，并且分別位于法線兩側(cè)；

b. .

（2）請定量比較數(shù)據(jù).把你的新發(fā)現(xiàn)寫在下面： .

解析 初步分析數(shù)據(jù)可得，隨著入射角增大，折射角也相應增大，但折射角總小于入射角.進一步分析數(shù)據(jù)還可以發(fā)現(xiàn)，折射角與入射角成正比例的關系，但當入射角較大時，這種正比例關系就不再成立.

答案 （1）入射角增大，折射角也增大，但折射角總是小于入射角；（2）入射角較小時，折射角r與入射角i近似成正比關系；當入射角較大時，正比關系不再成立.

考點5 測量凸透鏡的焦距

例5 一束平行光線經(jīng)凸透鏡折射后的傳播方向如圖所示，由圖（a）可知，此透鏡的焦距大小約為 cm；若將一燭焰放在此凸透鏡左側(cè)2cm處，如圖（b），則透過透鏡可以看到一個 、 的虛像.

解析 利用平行于主光軸的光線穿過凸透鏡后會聚于焦點的性質(zhì)測量焦距，從圖中可以看出f=2.90cm.若將蠟燭放在凸透鏡前方2cm處，u

答案 2.90cm、正立、放大.

考點6 探究凸透鏡成像的規(guī)律

例6 在探究“凸透鏡成像規(guī)律”的實驗中，小欣記錄的部分實驗數(shù)據(jù)如下表：

（1）表格中有幾項內(nèi)容漏寫了，請你幫助填補：

a ；b .

（2）實驗過程中小欣觀察到第2次所成的像 （選填“大于”“等于”或“小于”）第1次所成的像.

（3）當把蠟燭調(diào)到距離透鏡8cm的位置時，小欣發(fā)現(xiàn)無論如何移動光屏，光屏上始終得不到像.為了觀察到這時所成的像，眼睛和蠟燭應該在凸透鏡的

（選填“同”或“異”）側(cè).

解析 第1、2組實驗時，u>2f，成倒立縮小的實像，第2次的物距小于第1次的物距，所成的像更大.當物距為8cm時，u

答案 （1）縮小、倒立；（2）大于；（3）異.

考點7 視力的矯正

例7 在探究“近視眼的形成原因和矯正方法”時，冰蓉同學選擇了如下器材：蠟燭（模擬物體）、水凸透鏡（模擬人眼晶狀體，并與注射器相連）、光屏（模擬人眼視網(wǎng)膜）、光具座等.（注：水凸透鏡的凸起程度可以通過注射器注入或吸取水的多少來調(diào)節(jié)）

（1）她安裝并調(diào)整好實驗裝置，將點燃的蠟燭置于透鏡前某一位置時，在光屏上得到了燭焰清晰的像；當向水凸透鏡內(nèi)注入水，使透鏡更凸后，發(fā)現(xiàn)光屏上已無燭焰清晰的像，若要在光屏上再次得到燭焰清晰的像，應在水凸透鏡前放置一塊 透鏡；若撤去放置的透鏡，應將光屏 （選填“靠近”或“遠離”）水凸透鏡，才能得到清晰的像.

（2）根據(jù)上述實驗，可知近視眼的形成原因是： .

解析 為模擬近視眼，向水凸透鏡中注水使其變厚，對光線的會聚本領更強，光線經(jīng)過凸透鏡就“提前”相交，蠟燭的像成在了視網(wǎng)膜之前.要讓像再次成在視網(wǎng)膜上，就應該在凸透鏡前面加凹透鏡；如果不加凹透鏡，就需要讓視網(wǎng)膜向靠近凸透鏡的方向移動，才能重新承接到燭焰清晰地像.根據(jù)模擬實驗可以看出，近視眼的晶狀體比正常人眼的更厚，對光線的會聚本領更強，從而使物體的像成在了視網(wǎng)膜之前.

答案 （1）凹、靠近；（2）晶狀體較正常人眼更凸或變厚，或像成在了視網(wǎng)膜之前，或晶狀體對光線的偏折能力強或?qū)饩€的會聚能力強.

三、例題解析

例1 小豪用如圖所示的實驗器材探究“平面鏡成像特點”，請你完成下列問題：

（1）實驗中觀察到蠟燭A在玻璃板后面有兩個幾乎重疊的像，這是由于

造成的；

（2）如果將蠟燭A向玻璃板靠近，像的大小會 .

（3）移去蠟燭B，在其原來的位置上放一光屏，光屏上不能承接到蠟燭A的像，這說明平面鏡所成的像是 （選填“實”或“虛”）像.

（4）如果在某次實驗中，無論如何移動蠟燭B，都不能使其與A的像重合，可能的原因是 .

解析 平面鏡成像的原理是光的反射，成正立等大的虛像.由于玻璃板存在一定的厚度，前后兩面均能反射光線而成像，使人眼看到兩個像.在實驗過程中一定要保證玻璃板與桌面垂直，否則像就會向上或下偏移，導致無論如何移動蠟燭B都無法與A的像A′重合.

答案 （1）玻璃板有一定的厚度；（2）不變；（3）虛；（4）玻璃板未與桌面垂直.

例2 利用如圖裝置進行“探究光的反射規(guī)律”實驗：

（1）將一束光貼著紙板A沿EO射到O點，若將紙板B向前或向后折，此時在紙板B上看不到反射光，這樣做的目的是探究

.

（2）將紙板A、B置于同一平面后，若將一束光貼著紙板B沿FO射到O點，反射光將沿圖中的OE方向射出，說明光在反射時 .

解析 將紙板B向前或向后折，就無法看到反射光線的軌跡，能證明反射光線、入射光線和法線在同一平面內(nèi).在第一次反射時，光線沿EO入射通過OF反射，第二次反射時光線沿FO入射通過OE反射，這被稱為“光路可逆”.

答案 （1）反射光線、入射光線和法線在同一平面內(nèi)；（2）光路可逆.

例3 在“探究凸透鏡成像規(guī)律”的實驗中，各組使用相同焦距的凸透鏡進行實驗.實驗過程中操作規(guī)范、測量準確，該小組實驗記錄如下表：

（1）隨著實驗的進行，蠟燭越燒越短，燭焰在光屏上的像將向 （選填“上”或“下”）移動，為了再次將像調(diào)節(jié)到光屏的中央，應向 （選填“上”或“下”）調(diào)節(jié)凸透鏡的高度.

（2）請你根據(jù)上表信息，求出凸透鏡的焦距f= ；

（3）上表中實驗序號4中像距為 .

（4）某次實驗時，先將蠟燭和凸透鏡的位置固定，無論如何移動光屏都無法接收到燭焰清晰的像，原因是 .

（5）實驗中若在光屏上得到一清晰的實像，當用黑色硬紙片遮住透鏡的上半部分，則所成的像將會怎樣變化？

.

解析 （1）在探究凸透鏡成像規(guī)律的實驗中，需要先將燭焰中心、凸透鏡光心和光屏中心調(diào)節(jié)到同一直線、同一高度上.但隨著蠟燭燃燒，燭焰的位置下降，光屏上的像將向上移.要讓像重新成在光屏中央，就要將凸透鏡向下移.

（2）第3組實驗符合“u=2f、v=2f，成倒立等大實像”的規(guī)律.由此可知f=10cm.當這類問題以圖像形式出現(xiàn)時，仍然可從圖中找到u=v=2f的特殊點，并計算出f的數(shù)值.

（3）如圖將蠟燭放在A處，光線經(jīng)過凸透鏡最終會聚在B處.如果將蠟燭移到B處，由于光路可逆，光線必將會聚到A處，即成像在A處.對比本題第1、4組數(shù)據(jù)可以確定，當物距為15cm時，像距必為30cm.

（4）只有當u>f時，才能成實像在光屏上呈現(xiàn).如果將蠟燭和凸透鏡固定，無論如何移動光屏都得不到像，很可能是因為蠟燭與凸透鏡之間的距離小于等于凸透鏡的焦距，導致不能成實像.

（5）凸透鏡成像的原理圖如上圖所示，由蠟燭燭焰中心A發(fā)出的一束光線經(jīng)過凸透鏡的會聚全部相交于光屏上的B點，A的像就成在B處.如果用黑紙板遮住凸透鏡的一半，則會聚到光屏上的光線變少，使成像變暗.但像的位置、正倒、大小都不會改變.

答案 （1）上、下；（2）10cm；（3）30cm；（4）物距小于等于焦距；（5）像變暗.