走出几何光学若干认识问题的误区

赵泓哲

毋庸置疑，高中物理的学习是许多同学包括我在内一个头痛的问题，它不同于初中物理的具象，整个高中的物理都是比较抽象且难以理解的。又加上高中物理对量的重视，大部分都是定量分析，因此对计算的要求都比较高。诚然，物理的学习是难点但只要掌握其学习方法也并不是学不好的，只要按物理学科的特点去学习，按照前面谈到的去做，理解注重思考物理过程，不死记硬背，常动手，常开动脑筋思考，在学习中要找出适合自己的学习方法，从学习中去寻找乐趣，就能培养自己学习物理的兴趣，就一定能学好物理知识。

几何光学是光学学科中以光线为基础，研究光的传播和成像规律的一个重要的实用性分支学科。在几何光学中，把组成物体的物点看作是几何点，把它所发出的光束看作是无数几何光线的集合，光线的方向代表光能的传播方向。在此假设下，根据光线的传播规律，在研究物体被透镜或其他光学元件成像的过程，以及设计光学仪器的光学系统等方面都显得十分方便和实用最近在学习几何光学这部分内容时，我发现了几个容易出现问题的地方，因此总结出若干认识问题的误区，与大家分享：

一、若在发光点和平面镜中间放入不透明挡扳，则观察到的像的亮度变暗

如图1所示，点P为某一发光点，MN为任意平面镜，则在MN和点P中间放入不透明的挡板Q后所观察到像的亮度变化情况如何？

此题的答案应为“不变”。许多同学会认为答案是变暗，这就说明大家陷入了这样一种误区：认为放入挡板后亮度变暗，这来源于凸透镜成像的原理，如下图2、3所示

我们可以清晰的看到，由图2中的点S散发出的光线到达凸透镜后通过光线的折射最终必定相较于一实像点S，然后如图3所示情况是指当放入一块挡板AB于凸透镜的下半部分（或它上面的任何一块）后，通过点S投射出的光线并且到达挡板AB的光线就无法通过凸透镜，当然也就无法相交于点S。通过某点所汇集的光线减少了，显而易见，当放入挡板AB，像点应该理所当然的变暗。

但该题目所不同的出题点是，由于图4中的发光点P通过平面镜所呈现的事虚像点P'，而我们之所以看的到P'点，则是由于进入人眼的是透过P所发出的光线在平面镜MN上发生反射的反射光线，又因为根据人们日常生活中所养成的观察习惯，我们所看到的虚像P'就是眼睛的光线反向延长线的交点。因此我们看到的虚像点的亮度实际上在于当观察时进入人眼的光线的强弱以及多少。

二、平面镜像观察时的范围和眼睛观察时的范围等价且可以使用同种方法绘制图像

（1）平面镜观察时的范围和眼睛的观察的范围概念存在一定差别

平面镜观察时的范围根据定义理解就是指某一点或组成该物体的的其上各点（可看做是广义的光源点）所放射出的光线通过平面镜反射后所能同时达到的那部分空间区域。也就是说，在这部分区域内的任何地方眼睛都可以观察的到；而眼睛的觀察范围则是指当眼睛固定在某一特定位置，通过平面镜后视力所可以看到的地方，为了解题方便，常用的做题步骤是通过画图说明。但同学们应该注意到这里又存在一个误区，那就是在这种情况下所作出的区域是指空间上的而非平面。

（2）作像的观察的范围的简便算法及实例

①利用绘制图像并加以计算得出像的位置所在

②通过所得的像补充光具的两条边界的反射光线。观察这两条光线所包围的部分（空间）也可认为是像的观察范围。

③只要处于像的观察范围内，人眼所看到的像都是完整的。

请看下列各图中像的观察范围

三、平面镜和凹透镜所成的像均为虚像，无法出现实像

如图所示，当射向平面镜的光线是发散光线时，通过平面镜的反射出的光线依旧是发散的，那么可以得出结论发散的反射光线经过它的反向延长线在平面镜后某点会交于一点，呈现出一个虚像。然而实物经过凹透镜后也会形成一个虚像，这就是我们日常所见到平面镜和凹透镜成像的实际情况。

但是，若射向平面镜的光线是会聚光线时，如下图所示，则透过平面镜反射后得到的光线仍为会聚光线，由此可知，这样的反射出来的光线就可以在平面镜钱某个地方直接相交呈现出实像。

同理可得，当会聚光线透过凹透镜时，如图所示，

经过折射后的光线则会相交成实像点。由于初中的物理并不要求大家对虚物成像有过多的讨论，因此许多关于平面镜和凹透镜的成像的实际情况就被大家忽视了，大家会理所当然的认为印象中的样子，进入误区。

通过在平常的作业和练习中，我反复研究总结出了以下结论：

1.如果入射平面镜的光线呈现会聚光线，成实像则成为必然。在理论上我们可以将会聚光线当做“虚物”。

2.通过分析不难发现，关于平面镜和凹透镜只能成虚像不能成实像这种看法是存在问题的，我认为可以加以完善成更加科学严谨的说法：实物通过平面镜和凹透镜只能出现虚像，不可能呈现实像。关于平面镜成像这个问题，可以利用简单易懂的记忆方法帮助理解“实物成虚像，虚物成实像”。

从知识要求上，物理学是去研究整个自然界的，它把基本概念当做基石，把基本规律当做核心，以基本观念和方法为纽带，因此构成了物理学的学科结构。在学习过程中我发现学好物理，必须扎实理解物理概念、牢记物理规律、掌握物理观念和方法。由于它们本身的抽象性、复杂性、缄默性，和物理观念、方法、知识结构及物理应用和技能的个体性、不可言传性、无意识性，给物理学习带来了极大的难度；从思维方法上，又要求我们形成良好的形象思维，同时要提高自己的抽象思维。就比如在力学中，我们不只是能从脑子里形成空间上的形象图景，还要从众多的现象中抽象出力的作用点，方向，大小，产生条件等这样的抽象思维；从能力要求上，要求我们具备理解能力、推理能力、数学工具处理物理问题的能力、分析综合能力、观察和实验的能力。如牛顿运动定律则要经过推理得出，而且在处理问题中要较多地运用推理和判断，因此推理和判断能力要求就很高。在力的合成和分解时，对数学能力的要求就很突出，学生要善于把数学知识运用于合力、分力的大小及方向。另外，在解决具体问题时的数学能力，更是一种较高能力的要求，它是多学科的综合能力，需要我们具备较高的物理思维能力和数学知识运用于物理，学会运算，以至最后得到物理结论的能力。