去掉光屏在哪能看到像

何艷陽(yáng)

(北京市北達(dá)資源中學(xué) 北京 100871 )

1 問(wèn)題的提出

在做“凸透鏡成像”實(shí)驗(yàn)觀察物體經(jīng)凸透鏡所成的實(shí)像時(shí)，經(jīng)常會(huì)遇到這樣一個(gè)問(wèn)題：利用光屏接收和觀看像.如果去掉光屏，在光屏的位置用眼睛看，能否看到像？很多教師給的答案是可以看到，因?yàn)檠劬Φ囊暰W(wǎng)膜也相當(dāng)于光屏，用視網(wǎng)膜代替光屏，所以能看到.一位教授在講課中也提到了這個(gè)問(wèn)題，他指出，在原來(lái)光屏的位置看，是看不到像的，應(yīng)該在其后面明視距離以外.筆者曾上網(wǎng)查了一些這方面的文章.有的文章中提到不用光屏，實(shí)像依然存在，只要站在實(shí)像后方逆著像點(diǎn)射來(lái)的光線觀察，就能看到實(shí)像.以上三種說(shuō)法都認(rèn)為去掉光屏能看到像，不同的是在哪兒能看到像.究竟哪種說(shuō)法對(duì)呢？還是先通過(guò)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)一下吧！

2 實(shí)驗(yàn)探究

筆者在實(shí)驗(yàn)室做了如下實(shí)驗(yàn)：在光具座上依次擺放點(diǎn)燃的蠟燭、凸透鏡、光屏，調(diào)整光屏的位置找到清晰的像.去掉光屏，在光屏的位置用眼睛觀察，卻看不到清晰像；從光屏的位置向前移動(dòng)，看到的是模糊不清的燭影；從光屏向后移動(dòng)，最初，在一定范圍內(nèi)看到倒立的不太清楚的像，繼續(xù)后移，當(dāng)移動(dòng)到距原光屏位置較遠(yuǎn)以后，能看到倒立、清晰的像.隨后又改變物距重做了幾次實(shí)驗(yàn)，并記錄了相關(guān)數(shù)據(jù)，如表1所示.

表1 物體成像

注：u為物距，v為像距，l為去掉光屏用眼睛能看清楚的位置距透鏡的距離，d為用眼睛能看清楚的位置距原光屏的距離.

通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，去掉光屏在原來(lái)光屏的位置看不到清晰的像；要在距離原光屏位置25 cm以外才能看清.

3 理論分析

帶著這個(gè)問(wèn)題和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，筆者咨詢了一位特級(jí)教師，從理論上對(duì)上述現(xiàn)象進(jìn)行了分析.如圖1所示，通過(guò)作圖，可以找到A的像點(diǎn)A′，由于所有射向透鏡的光線經(jīng)折射后都將會(huì)聚于像點(diǎn)A′，沒(méi)有光屏的情況下這些折射光線繼續(xù)直線傳播，所以用眼睛能看到A的像點(diǎn)的范圍應(yīng)在EA′F內(nèi)(圖2).同理能看到B的像點(diǎn)的范圍應(yīng)在CB′D內(nèi).所以人眼能看到AB完整像的范圍應(yīng)在EOD內(nèi).實(shí)像A′B′作為眼睛晶狀體的“虛物”在視網(wǎng)膜上再次成像(圖中未畫(huà)出)，這個(gè)視網(wǎng)膜上的像距離“虛物”A′B′的距離應(yīng)大于或等于一般人的明視距離25 cm.如果不同人的明視距離不同，眼睛的調(diào)焦能力不同，則看清楚像的位置會(huì)有些不同，應(yīng)大于或等于自己的明視距離.所以不用光屏而直接用眼睛看，只能在原光屏右側(cè)的部分區(qū)域(EOD)并且距離原光屏位置為人的明視距離以外才能看清像;即能看到像的范圍如圖3中的陰影部分.

圖1

圖2

圖3

4 新問(wèn)題的提出

既然實(shí)像A′B′作為眼睛晶狀體的“虛物”在視網(wǎng)膜上再次成像，那么看到的“虛物”應(yīng)該就在原來(lái)光屏的位置.為什么在上面的實(shí)驗(yàn)中感覺(jué)是在透鏡里看到的像呢？

這位特級(jí)教師解釋為：如果在實(shí)驗(yàn)中調(diào)整視線，不讓透鏡的外框等因素干擾，且光線適合，應(yīng)該能在原光屏的位置看到像.

5 再次實(shí)驗(yàn)的發(fā)現(xiàn)

在上面的實(shí)驗(yàn)中，并沒(méi)有在“空中”原光屏的位

置看到像，而是通過(guò)透鏡看到的.所以筆者又帶著懷疑的心情重新做了實(shí)驗(yàn).在這次的實(shí)驗(yàn)中，剛開(kāi)始似乎只能通過(guò)透鏡才能看到像.但隨后有目的的在原光屏的位置去找像，不斷向后移動(dòng)位置，并不斷改變參照物.當(dāng)盯住原光屏的底座和燭焰的像，而忽視透鏡的存在時(shí)，確實(shí)看到了懸在空中的燭焰的倒像.慢慢的左右移動(dòng)時(shí)，發(fā)現(xiàn)這個(gè)像始終在原光屏的位置不動(dòng).

最終換個(gè)角度做這個(gè)實(shí)驗(yàn)，看到了原來(lái)沒(méi)有看到或沒(méi)有注意到的現(xiàn)象——空中的燭焰.因?yàn)橐吹缴厦妗疤撐铩钡男Ч?，不僅需要實(shí)驗(yàn)條件和觀察者的意志力，還需要有一定的觀像技巧，并注意觀像范圍等.

為了讓實(shí)驗(yàn)效果更加明顯，筆者嘗試著做了如下改進(jìn):在紙箱的一側(cè)挖一個(gè)比透鏡直徑略小的圓孔，用膠帶把透鏡粘在圓孔處，使得黑色邊框被擋住，只露出透明鏡片，紙箱對(duì)應(yīng)的另一側(cè)剪下一部分以不擋住蠟燭為宜.這樣再重新做上面的實(shí)驗(yàn)時(shí)，已經(jīng)不用太過(guò)刻意即可觀察到上面的現(xiàn)象，并且效果更為明顯.

6 新的設(shè)想

在分析實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，筆者又有了新的設(shè)想.將上面的實(shí)驗(yàn)裝置繼續(xù)改進(jìn)，如圖4所示.

圖4

用不透光的材料將物與透鏡封裝起來(lái)，使透鏡處于黑暗的環(huán)鏡中.照亮物體，測(cè)好距離，讓人站在圖中陰影區(qū)域觀察，就會(huì)在某區(qū)域看到空中有一個(gè)物體.當(dāng)用手去抓，卻什么都抓不到(中國(guó)科技館中就有類(lèi)似的小實(shí)驗(yàn)).當(dāng)然利用凹面鏡成實(shí)像也可以這樣觀察.通過(guò)這樣的實(shí)驗(yàn)可以幫助學(xué)生觀察“實(shí)像”，即能加深學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解，又能提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣.