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第二十四講 光與視覺
一、競賽要點和熱點
1、形成視覺的條件 光的反射
（1）形成視覺的條件 形成視覺的條件是物體上發出的光或反射光必須傳播到我們眼里，被眼接收。上述條件是必要條件而非充分條件。
（2）光的反射
①光在傳播過程中遇到兩種介質的分界面時返回原介質中的現象叫做光的反射。光投射到任何物體表面都會反射，只不過反射強弱有別，都遵循光的反射定律。
②關于光的反射定律，應抓住：入射光線、反射光線、法線三線共面（共面）；入射光線、反射光線分居法線兩側（異側）；反射角等于入射角這三層意思。
③鏡面反射和漫反射都遵循光的反射定律，漫反射使我們能從不同方向看到本身不發光的物體。平面鏡成像、水中的倒影等現象都是由于光的反射形成的。
2、光的折射
①光從一種介質進入另一種介質傳播時產生的偏折現象叫做光的折射。光折射的特點是：光從空氣斜向射入水或玻璃中時，折射光線偏向法線方向；光從水或玻璃斜射入空氣中時，折射光線偏離法線方向；折射光線與入射光線、法線在同一平面上。
②光只有斜射入界面時才發生折射。光垂直界面入射時，光線沿著該方向進入另一物質，不發生方向偏折，此時，入射角為0°，折射角是0°，反射角也是0°。
3、凸透鏡成像
（1）透鏡的有關特征 光心、主光軸、（虛、實）焦點、焦距
凸透鏡：中間厚、邊緣薄，對光有會聚作用，常見的有放大鏡、老花眼鏡等。
凹透鏡：中間薄、邊緣厚，對光有發散作用，常見的有近視眼鏡等。
（2）實像與虛像的區別
實像：實際光線會聚而成，可以在光屏上顯示出來，還可以在照相機底片上感光顯現。
虛像：實際光線的反向延長線相交而成，不能在光屏上顯示出來，也不能使照相機的底片感光，它只能通過人的眼鏡觀察到。理解兩點：①能在光屏上呈現出來的像一定是實像。②實像與虛像都可由光的反射或折射形成。
（3）兩種光具成像規律對比
種類 成因 物距u 像距v 像性質 應用
平面鏡 如圖所示，S為一發光點，由S發出的光被平面鏡反射后，其反射光線的延長線必交于一點S′這一點即為S的（虛）像。遵循光的反射定律。 任意 u＝v 等大對稱虛象 潛望鏡
凸透鏡 物體發出或反射的光經凸透鏡折射后，折射光線會聚或其反向延長線相交而形成。遵循光的折射規律。 u＜f v＞u 正立放大虛象 放大鏡
f＜u＜2f v＞2f 倒立放大實象 幻燈機
u＞2f f＜v＜2f 倒立縮小實象 照相機
理解兩點①平面鏡成的虛象跟物體是對稱的，即上下一致，前后對應，左右互換的關系。凸透鏡成的實象與物體的關系：上下倒置、左右互換。（虛象無此關系）
②凸透鏡成像應抓住
a．兩個分界點 焦點：是實象與虛象的分界點，在焦點上不成象。兩倍焦距點：是成放大實象與縮小縮小實象的分界點，物在兩倍焦距上成等大實象。
b．像的正立、倒立 正立的像一定是虛象；倒立的像一定是實象，像與物分居鏡兩側。
c．像隨物在主軸上移動，其方向的一致性：物沿著主軸向前移動，實象和虛象也沿著主軸向前移動。物在沿垂直主軸上做上、下移動時，虛象移動方向跟物體移動方向一致，但實象移動方向恰好相反，即物向上移，像要向下移。
4、視覺
（1）眼的主要結構有晶狀體、瞳孔和視網膜，它們類似于照相機中的凸透鏡、光圈和膠片。眼球中的晶狀體是我們能夠看清物體的關鍵部件。
（2）視覺的形成：物體上的光線從瞳孔進入，通過晶狀體，把物體的像成在視網膜上，視網膜上的感光細胞接收到光的信息，并通過視神經把信息傳遞給大腦，于是產生視覺。
（3）視覺缺陷
近視：晶狀體過凸或眼球前后徑過長，成像在視網膜前，可以佩帶凹透鏡矯正。
遠視：晶狀體彈性變小或眼球前后徑過短，成像在視網膜后，可以佩帶凸透鏡矯正。
（4）視覺的延伸 主要的光學儀器有：平面鏡、凸面鏡、凹面鏡、望遠鏡及顯微鏡。
二、拓展提高
1、回歸反光膜
我們夜晚乘車行進在高速公路上時，當車燈發出的光照在路邊的標志牌或路面上時，牌上的字非常醒目，道路的行車線上有許多明亮的光斑，好像它們是一些發光的體。這是怎么回事呢 原來，在這些物體的表面上有—層稱為回歸反光膜的物質。
采用回歸反光膜作為表面，即使入射角在相當大范圍變化，大部分的光也都會沿入射方向返回，因為在這種反光膜的表面上均勻地密布著許多細微的特殊光學元件。這類元件有兩種：球形反射元件和立方角體光學元件。
將一束平行光射向水珠時，光線經折射一反射一再折射后，不再是平行光，如右圖(a)所示，這就是水珠的散射現象，因此不能用水珠來實現光束的回歸反射。如果用折射率比較大的玻璃珠(n＝1．8—2)來代替水珠，這種玻璃珠可以實現回歸反射，如右圖(b)。球形反光元件就是用直徑足夠小的這種玻璃珠做成的。
自行車的尾燈、公路兩側欄干或路面上向前的標志燈等，多為這種元件制作的。
2、眼鏡的度數
近視眼和遠視眼患者需要配戴適當焦距的眼鏡，通常市場上的眼睛片用度數來表示規格，近視和遠視程度越嚴重，所需配戴眼鏡的度數越大，從而使鏡片發散或會聚光線的本領越大。統一規定，眼鏡片的度數在數值上等于透鏡焦距（以m為單位）的倒數的100倍，設鏡片度數用字母D表示，則D＝100/f。例如：200度的近視眼鏡片，它的焦距就是0.5m。
三、例題分析
例1 由點光源S發出的一束入射光AB，射在鏡面MN上，如圖所示，圖中CD是由S發出的另一束入射光的反射光線，請在圖中畫出點光源S的位置。
分析和解 本題利用光的反射定律和平面鏡成像特點作圖確定點光源S的位置。其解答方法有兩種：
方法一：直接作出反射光線CD的入射光線，與另一條入射光線AB相交于S，S即為所求的點光源位置。
方法二：先作出入射光線AB的反射光線BE，并反向延長與另一條反射光線CD的反向延長線相交于S′,作出S′關于鏡面的對稱點S，S即為所求的點光源位置。 答案：如下圖。
例2 在使用照相機時，下列說法正確的是 （ ）
A．拍攝遠景時，應當將鏡頭向前伸 B．拍攝近景時，應當將鏡頭向前伸
C．陰天拍攝景物時，應當開大光圈 D．陰天拍攝景物時，應當縮小光圈
分析與解 使用照相機時，需要景像清晰，曝光適度，采用調節光圈、距離、曝光時間的方法滿足要求。一般情況下，物體固定不動，物距確定，根據具體情況改變像距使物體在膠片上成清晰的像。
物體在鏡頭2倍焦距之外，遠處物體所成的像離透鏡較近．所以拍攝遠處景物時，應當減小鏡頭與膠片之間的距離。膠片無法移動，只能將鏡頭后移，反之，在拍攝近景時，應當加大膠片與鏡頭的距離，將鏡頭向前移。由此可判定A不正確，選項B正確。
光圈的作用是讓光從所開的孔中通過，控制進入鏡頭的光量。放大或縮小光圈，能改變進入照相機的光量的多少，不會影響像的完整性。在陰天，景物發出或反射的光線較弱，拍攝時應加大光圈。故選項C正確，D不正確。答案：B、C
例3 如圖所示，有一正方形的不透光房間，其中的一面墻上開有一個圓形小孔，這面墻的對面有一個正方形的平面鏡。一個人靠在與平面鏡垂直的一側墻面上，當有一束垂直于圓孔的平行光通過圓孔射到平面鏡上時，他能看到的是( )
A．鏡面上有一個圓形的亮斑 B．整個正方形鏡子的形狀
C．整個房間都是亮的 D．感到整個房間是一片黑暗
分析與解 此題考查的是光的反射定律及鏡面反射、漫反射有關知識。解答此題時，很容易“想當然”地認為鏡面上有一個圓形的亮斑。根據題意，光線垂直射人到鏡面上，由光的反射定律可知，光線沿原方向反射，通過圓孔出去，沒有光線射到房間其他地方，所以整個房間是一片黑暗；也沒有光線射到這個人眼中，所以他什么也看不到。如果房內空氣中有許多灰塵，根據光的漫反射，那么他能夠看到“一束”灰塵。答案 D
例4 如圖所示，有一豎直放置的平面鏡MN，在平面鏡前45厘米處有一與平面鏡平行放置的平板ab，在ab靠鏡面的一側有一點光源S，現要在離平面鏡5厘米的PQ虛線上的某一處放一平行于平面鏡的擋光板，使反射光不能照射到ab板上的AB部分。已知SA＝45厘米，AB＝45厘米，則擋光板的最小寬度CD是 。
分析與解 解決本題的關鍵是正確畫出光路圖。很多同學不小心就會畫出圖甲，根據ΔS'CD∽ΔS'AB，得CD/AB＝S'F/ S'S，即CD/45厘米＝50厘米/90厘米，求出CD＝25厘米。仔細分析發現光線DB是不存在的，因為它對應的入射光線被CD擋住了。圖乙為完整的光路圖，包括對應的入射點，相關的入射光線與反射光線。由光路圖可知，擋光板CD的上表面是反射光線的分界線，下表面是入射光線的分界線。
根據ΔS'CE∽ΔS'AB，有CE/AB＝S'F/S'S，即CE/45厘米＝50厘米/90厘米，得CE＝25厘米。又因ΔO2DE∽ΔO2SB，有DE/SB＝OF/0S，即DE/90厘米＝5厘米/45厘米，得DE＝10厘米，所以CD＝CE—DE＝25厘米一10厘米＝15厘米。 答案 15厘米
例5 （1）如右圖所示,這個眼睛存在什么視力問題 （2）要想使這個眼睛得當矯正，應當配戴什么眼鏡？為什么這樣做能使眼睛看清楚物體？
分析與解 (1)由圖可以看出，物體成像在視網膜前，說明該患者眼睛近視．
(2)應配戴近視眼鏡(凹透鏡)進行矯正．因為凹透鏡可以對光線適當發散，發散之后的光線再經過晶狀體折射后，就能使像成在視網膜上．答案 略。
四、能力訓練
1．一束光線與平面鏡成30 角，則反射光線與入射光線的夾角為 ( C )
（A）60 （B）90 （C）120 （D）150
2．下列事實中，看到的是物體實象的是（ B ）
(A) 觀賞站在淺水中的天鵝及其倒影 (B) 看幻燈機放映的圖象
(C) 從潛望鏡中觀察景物 （D）從顯微鏡下觀察植物莖的切片
3．用白粉筆在平面鏡上畫一幅畫，在黑暗的房間里，用手電筒正對著鏡面照射，那么人站在鏡的正面或側面去看平面鏡上畫的那幅畫，下列說法哪句正確 ( B )
（A）正面看時，畫較清楚
（B）側面看時，畫較清楚
（C）正面看或側面看時都——樣清楚
（D）正面看或側面看時都一樣不清楚
3．從點光源S發出四條光線，從空氣射到水面上，發生折射， 在圖中所畫的光線中，可能正確的是( C )
（A）只有SA和SB （B）只有SB和SC
（C）只有SA和SC （D）只有SC和SD
4．某人用一塊四周有點缺損的凸透鏡做成像實驗，則他在光屏上得到的像與用未缺損的凸透鏡做成像實驗相比( C )
(A) 所成的像毫無變化 (B) 所成的像四周也有缺損
(C) 像的大小、正倒、位置均無變化，但略顯暗些
(D) 看缺損程度，如四周缺損較多時，不能成完整的像
5．如右圖所示，用手電筒對著平面鏡中的像照射時，觀察到像比原來亮多了，其原因是( B ) (A) 光射到像上，所以會變亮
(B) 光反射到物上，物變亮，所以像也變亮
(C) 鏡子比原來亮，所以像也比原來亮
(D) 有光照射，更便于觀察，所以覺得像比原來亮
6．某人站在用光滑金屬包裝的圓柱子前面，看到圓柱子里自己的像，則像和人相比較( D )
(A) 變胖了，變高了 (B) 變瘦了，變高了
(C) 變胖了，高度不變 （D）變瘦了，高度不變
7．為了防盜，在門上裝有一個“貓眼”，使屋內的人能看清楚屋外的人(是一個正立縮小的像)，而屋外的人卻看不清屋內的人，則貓眼是 ( C )
（A）凸面鏡 （B）凹面鏡 （C）凹透鏡 （D）凸透鏡
8．在做凸透鏡成像的實驗中發現，當物距u＝5cm時，凸透鏡成正立的像，當物距u＝8cm時，成倒立的像；則：( B )
（A）當u＝4厘米時，成放大的實像 （B）當u＝9厘米時，成放大實像
（C）當u＝14厘米時，成倒立、縮小的像 （D）當u＝7厘米時，成倒立的實像
10．如圖所示，點光源S正對圓孔，距離為a，透過圓孔的光在
后面的大屏上得到一個圓斑。若在孔上嵌一凸透鏡，則光屏上
立刻出現一個清晰的亮點，則該透鏡的焦距、圓孔與光屏之間
的距離分別為( B )
（A）1/2a，1/2a（B）1/2a，a（C）a，a （D）a，2a
11．科學老師用某種方法在長方形玻璃缸內配制了一些白糖水。兩天后，一位同學用激光筆從玻璃缸的外側將光線斜向上射入白糖水，發現了一個奇特的現象：白糖水中的光路不是直線，而是一條向下彎曲的曲線(如圖所示)。關于對這個現象的解釋，同學們提出了以下猜想，其中能合理解釋該現象的猜想是( C )
(A) 玻璃缸的折射作用
(B) 激光筆發出的光線不絕對平行
(C) 白糖水的密度是不均勻的，越深密度越大
(D) 激光筆發出的各種顏色的光發生了色散
12．如圖所示，一根長度為L的直薄木條上有兩個觀察小孔，兩小孔之間的距離為d，d恰好是某個人兩眼間的距離。當木條水平放置時，此人想通過兩觀察孔看見此木條在平面鏡M里完整的像，那么所選用的平面鏡寬度至少是( D )
（A）L／2 (B)d／2 (C)L+d/2 (D)L—d/2
13．平面鏡MO和NO為兩個側面的一個黑盒子里有一個點光源S，黑盒子的一側面EN上開有一小孔P(如圖所示)。一個觀察者在盒外與EN平行的方向走過時，通過P孔能看到S所發出的光的次數為( D )
（A）1次 （B）2次 （C）3次 （D）4次
14．把由同種玻璃制成的厚度為d的立方體A和半徑為d的半球體B分別放在報紙上，且讓半球的凸面向上(如圖所示)。從玻璃上方透過玻璃向下分別觀察A、B中心處報紙上的文字，下面觀察記錄正確的是( AD )
(A)看到A中的字比B中的字高
(B)看到B中的字比A中的字高
(C)看到A、B中的字一樣高
(D)看到B中的字和沒有放玻璃時一樣高
15．電影銀幕都用粗白布是因為粗白布能產生 漫反射 ，使觀眾都能看清電影。
16．常用的體溫計的刻度部分為正三棱柱截面，正面是圓弧形，這樣可看清體溫計內比較細的水銀柱，便于讀數，這是因為圓弧形玻璃的作用相當于 凸透鏡 ，使我們能看到水銀柱放大后的 虛 像。
17．自行車尾燈能夠把車后任何方向射來的光都朝著相反方向反射回去，這是因為尾燈上安裝了 多組互成直角的平面鏡或回歸反光膜 。
18．小峰身高1．80米，眼睛距頭頂8厘米。他直立在水平地面上照鏡子。如果他想從豎直掛在墻上的平面鏡里看到自己的腳，這面鏡子的底邊離地面的高度不應超過 0．86米。
19．小明的爺爺和爸爸都是老花眼，爺爺的老花眼嚴重
一些，小明的媽媽則是近視眼。他們的三副眼鏡都
放在報紙上，如圖所示。現在爸爸要看書，讓小明
把眼鏡遞給他，小明應該拿圖 乙 中的那一副。
20．圖3—20表示分別從凸透鏡的兩倍焦距和一倍焦距處射向透
鏡的光線，請在圖中畫出它們通過透鏡后的光路。（P是與透
鏡距離等于2倍焦距的主軸上的點）。
21．如圖所示，水平光具座上的S為一個點光源，P是中心帶圓孔的不透光紙板，圓孔內可以嵌入一個凸透鏡L，Q是—個光屏。S、P、Q的中心軸線在同一水平線上。已知Q與p的距離為a。當P中沒有嵌入凸透鏡時，在光屏Q上出現一個圓形光斑，這個光斑的直徑恰是中心圓孔直徑的3倍。當把凸透鏡L嵌入圓孔中，光屏Q上的光斑直徑與P中心圓孔直徑恰好相等。試求：
(1)凸透鏡L的焦距有兩個可能的值，通過作圖法確
定這兩個可能的焦距的值。
(2)若將P和Q固定不動，將光源S向左移動，試說明如何根據光斑的變化情況確定凸透鏡的焦距是哪一個
答案 （1）f1＝a/2，f2＝a／4 （2）當光源稍向左移動時，如果光斑變小，則透鏡的焦距為f1；如果光斑變大，則透鏡的焦距為f2。

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