第24讲光与视觉

第二十四讲 光与视觉
一、竞赛要点和热点
1、形成视觉的条件 光的反射
（1）形成视觉的条件 形成视觉的条件是物体上发出的光或反射光必须传播到我们眼里，被眼接收。上述条件是必要条件而非充分条件。
（2）光的反射
①光在传播过程中遇到两种介质的分界面时返回原介质中的现象叫做光的反射。光投射到任何物体表面都会反射，只不过反射强弱有别，都遵循光的反射定律。
②关于光的反射定律，应抓住：入射光线、反射光线、法线三线共面（共面）；入射光线、反射光线分居法线两侧（异侧）；反射角等于入射角这三层意思。
③镜面反射和漫反射都遵循光的反射定律，漫反射使我们能从不同方向看到本身不发光的物体。平面镜成像、水中的倒影等现象都是由于光的反射形成的。
2、光的折射
①光从一种介质进入另一种介质传播时产生的偏折现象叫做光的折射。光折射的特点是：光从空气斜向射入水或玻璃中时，折射光线偏向法线方向；光从水或玻璃斜射入空气中时，折射光线偏离法线方向；折射光线与入射光线、法线在同一平面上。
②光只有斜射入界面时才发生折射。光垂直界面入射时，光线沿着该方向进入另一物质，不发生方向偏折，此时，入射角为0°，折射角是0°，反射角也是0°。
3、凸透镜成像
（1）透镜的有关特征 光心、主光轴、（虚、实）焦点、焦距
凸透镜：中间厚、边缘薄，对光有会聚作用，常见的有放大镜、老花眼镜等。
凹透镜：中间薄、边缘厚，对光有发散作用，常见的有近视眼镜等。
（2）实像与虚像的区别
实像：实际光线会聚而成，可以在光屏上显示出来，还可以在照相机底片上感光显现。
虚像：实际光线的反向延长线相交而成，不能在光屏上显示出来，也不能使照相机的底片感光，它只能通过人的眼镜观察到。理解两点：①能在光屏上呈现出来的像一定是实像。②实像与虚像都可由光的反射或折射形成。
（3）两种光具成像规律对比
种类 成因 物距u 像距v 像性质 应用
平面镜 如图所示，S为一发光点，由S发出的光被平面镜反射后，其反射光线的延长线必交于一点S′这一点即为S的（虚）像。遵循光的反射定律。 任意 u＝v 等大对称虚象 潜望镜
凸透镜 物体发出或反射的光经凸透镜折射后，折射光线会聚或其反向延长线相交而形成。遵循光的折射规律。 u＜f v＞u 正立放大虚象 放大镜
f＜u＜2f v＞2f 倒立放大实象 幻灯机
u＞2f f＜v＜2f 倒立缩小实象 照相机
理解两点①平面镜成的虚象跟物体是对称的，即上下一致，前后对应，左右互换的关系。凸透镜成的实象与物体的关系：上下倒置、左右互换。（虚象无此关系）
②凸透镜成像应抓住
a．两个分界点 焦点：是实象与虚象的分界点，在焦点上不成象。两倍焦距点：是成放大实象与缩小缩小实象的分界点，物在两倍焦距上成等大实象。
b．像的正立、倒立 正立的像一定是虚象；倒立的像一定是实象，像与物分居镜两侧。
c．像随物在主轴上移动，其方向的一致性：物沿着主轴向前移动，实象和虚象也沿着主轴向前移动。物在沿垂直主轴上做上、下移动时，虚象移动方向跟物体移动方向一致，但实象移动方向恰好相反，即物向上移，像要向下移。
4、视觉
（1）眼的主要结构有晶状体、瞳孔和视网膜，它们类似于照相机中的凸透镜、光圈和胶片。眼球中的晶状体是我们能够看清物体的关键部件。
（2）视觉的形成：物体上的光线从瞳孔进入，通过晶状体，把物体的像成在视网膜上，视网膜上的感光细胞接收到光的信息，并通过视神经把信息传递给大脑，于是产生视觉。
（3）视觉缺陷
近视：晶状体过凸或眼球前后径过长，成像在视网膜前，可以佩带凹透镜矫正。
远视：晶状体弹性变小或眼球前后径过短，成像在视网膜后，可以佩带凸透镜矫正。
（4）视觉的延伸 主要的光学仪器有：平面镜、凸面镜、凹面镜、望远镜及显微镜。
二、拓展提高
1、回归反光膜
我们夜晚乘车行进在高速公路上时，当车灯发出的光照在路边的标志牌或路面上时，牌上的字非常醒目，道路的行车线上有许多明亮的光斑，好像它们是一些发光的体。这是怎么回事呢 原来，在这些物体的表面上有—层称为回归反光膜的物质。
采用回归反光膜作为表面，即使入射角在相当大范围变化，大部分的光也都会沿入射方向返回，因为在这种反光膜的表面上均匀地密布着许多细微的特殊光学元件。这类元件有两种：球形反射元件和立方角体光学元件。
将一束平行光射向水珠时，光线经折射一反射一再折射后，不再是平行光，如右图(a)所示，这就是水珠的散射现象，因此不能用水珠来实现光束的回归反射。如果用折射率比较大的玻璃珠(n＝1．8—2)来代替水珠，这种玻璃珠可以实现回归反射，如右图(b)。球形反光元件就是用直径足够小的这种玻璃珠做成的。
自行车的尾灯、公路两侧栏干或路面上向前的标志灯等，多为这种元件制作的。
2、眼镜的度数
近视眼和远视眼患者需要配戴适当焦距的眼镜，通常市场上的眼睛片用度数来表示规格，近视和远视程度越严重，所需配戴眼镜的度数越大，从而使镜片发散或会聚光线的本领越大。统一规定，眼镜片的度数在数值上等于透镜焦距（以m为单位）的倒数的100倍，设镜片度数用字母D表示，则D＝100/f。例如：200度的近视眼镜片，它的焦距就是0.5m。
三、例题分析
例1 由点光源S发出的一束入射光AB，射在镜面MN上，如图所示，图中CD是由S发出的另一束入射光的反射光线，请在图中画出点光源S的位置。
分析和解 本题利用光的反射定律和平面镜成像特点作图确定点光源S的位置。其解答方法有两种：
方法一：直接作出反射光线CD的入射光线，与另一条入射光线AB相交于S，S即为所求的点光源位置。
方法二：先作出入射光线AB的反射光线BE，并反向延长与另一条反射光线CD的反向延长线相交于S′,作出S′关于镜面的对称点S，S即为所求的点光源位置。 答案：如下图。
例2 在使用照相机时，下列说法正确的是 （ ）
A．拍摄远景时，应当将镜头向前伸 B．拍摄近景时，应当将镜头向前伸
C．阴天拍摄景物时，应当开大光圈 D．阴天拍摄景物时，应当缩小光圈
分析与解 使用照相机时，需要景像清晰，曝光适度，采用调节光圈、距离、曝光时间的方法满足要求。一般情况下，物体固定不动，物距确定，根据具体情况改变像距使物体在胶片上成清晰的像。
物体在镜头2倍焦距之外，远处物体所成的像离透镜较近．所以拍摄远处景物时，应当减小镜头与胶片之间的距离。胶片无法移动，只能将镜头后移，反之，在拍摄近景时，应当加大胶片与镜头的距离，将镜头向前移。由此可判定A不正确，选项B正确。
光圈的作用是让光从所开的孔中通过，控制进入镜头的光量。放大或缩小光圈，能改变进入照相机的光量的多少，不会影响像的完整性。在阴天，景物发出或反射的光线较弱，拍摄时应加大光圈。故选项C正确，D不正确。答案：B、C
例3 如图所示，有一正方形的不透光房间，其中的一面墙上开有一个圆形小孔，这面墙的对面有一个正方形的平面镜。一个人靠在与平面镜垂直的一侧墙面上，当有一束垂直于圆孔的平行光通过圆孔射到平面镜上时，他能看到的是( )
A．镜面上有一个圆形的亮斑 B．整个正方形镜子的形状
C．整个房间都是亮的 D．感到整个房间是一片黑暗
分析与解 此题考查的是光的反射定律及镜面反射、漫反射有关知识。解答此题时，很容易“想当然”地认为镜面上有一个圆形的亮斑。根据题意，光线垂直射人到镜面上，由光的反射定律可知，光线沿原方向反射，通过圆孔出去，没有光线射到房间其他地方，所以整个房间是一片黑暗；也没有光线射到这个人眼中，所以他什么也看不到。如果房内空气中有许多灰尘，根据光的漫反射，那么他能够看到“一束”灰尘。答案 D
例4 如图所示，有一竖直放置的平面镜MN，在平面镜前45厘米处有一与平面镜平行放置的平板ab，在ab靠镜面的一侧有一点光源S，现要在离平面镜5厘米的PQ虚线上的某一处放一平行于平面镜的挡光板，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，则挡光板的最小宽度CD是 。
分析与解 解决本题的关键是正确画出光路图。很多同学不小心就会画出图甲，根据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。仔细分析发现光线DB是不存在的，因为它对应的入射光线被CD挡住了。图乙为完整的光路图，包括对应的入射点，相关的入射光线与反射光线。由光路图可知，挡光板CD的上表面是反射光线的分界线，下表面是入射光线的分界线。
根据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）如右图所示,这个眼睛存在什么视力问题 （2）要想使这个眼睛得当矫正，应当配戴什么眼镜？为什么这样做能使眼睛看清楚物体？
分析与解 (1)由图可以看出，物体成像在视网膜前，说明该患者眼睛近视．
(2)应配戴近视眼镜(凹透镜)进行矫正．因为凹透镜可以对光线适当发散，发散之后的光线再经过晶状体折射后，就能使像成在视网膜上．答案 略。
四、能力训练
1．一束光线与平面镜成30 角，则反射光线与入射光线的夹角为 ( C )
（A）60 （B）90 （C）120 （D）150
2．下列事实中，看到的是物体实象的是（ B ）
(A) 观赏站在浅水中的天鹅及其倒影 (B) 看幻灯机放映的图象
(C) 从潜望镜中观察景物 （D）从显微镜下观察植物茎的切片
3．用白粉笔在平面镜上画一幅画，在黑暗的房间里，用手电筒正对着镜面照射，那么人站在镜的正面或侧面去看平面镜上画的那幅画，下列说法哪句正确 ( B )
（A）正面看时，画较清楚
（B）侧面看时，画较清楚
（C）正面看或侧面看时都——样清楚
（D）正面看或侧面看时都一样不清楚
3．从点光源S发出四条光线，从空气射到水面上，发生折射， 在图中所画的光线中，可能正确的是( 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．某人用一块四周有点缺损的凸透镜做成像实验，则他在光屏上得到的像与用未缺损的凸透镜做成像实验相比( C )
(A) 所成的像毫无变化 (B) 所成的像四周也有缺损
(C) 像的大小、正倒、位置均无变化，但略显暗些
(D) 看缺损程度，如四周缺损较多时，不能成完整的像
5．如右图所示，用手电筒对着平面镜中的像照射时，观察到像比原来亮多了，其原因是( B ) (A) 光射到像上，所以会变亮
(B) 光反射到物上，物变亮，所以像也变亮
(C) 镜子比原来亮，所以像也比原来亮
(D) 有光照射，更便于观察，所以觉得像比原来亮
6．某人站在用光滑金属包装的圆柱子前面，看到圆柱子里自己的像，则像和人相比较( D )
(A) 变胖了，变高了 (B) 变瘦了，变高了
(C) 变胖了，高度不变 （D）变瘦了，高度不变
7．为了防盗，在门上装有一个“猫眼”，使屋内的人能看清楚屋外的人(是一个正立缩小的像)，而屋外的人却看不清屋内的人，则猫眼是 ( C )
（A）凸面镜 （B）凹面镜 （C）凹透镜 （D）凸透镜
8．在做凸透镜成像的实验中发现，当物距u＝5cm时，凸透镜成正立的像，当物距u＝8cm时，成倒立的像；则：( B )
（A）当u＝4厘米时，成放大的实像 （B）当u＝9厘米时，成放大实像
（C）当u＝14厘米时，成倒立、缩小的像 （D）当u＝7厘米时，成倒立的实像
10．如图所示，点光源S正对圆孔，距离为a，透过圆孔的光在
后面的大屏上得到一个圆斑。若在孔上嵌一凸透镜，则光屏上
立刻出现一个清晰的亮点，则该透镜的焦距、圆孔与光屏之间
的距离分别为( B )
（A）1/2a，1/2a（B）1/2a，a（C）a，a （D）a，2a
11．科学老师用某种方法在长方形玻璃缸内配制了一些白糖水。两天后，一位同学用激光笔从玻璃缸的外侧将光线斜向上射入白糖水，发现了一个奇特的现象：白糖水中的光路不是直线，而是一条向下弯曲的曲线(如图所示)。关于对这个现象的解释，同学们提出了以下猜想，其中能合理解释该现象的猜想是( C )
(A) 玻璃缸的折射作用
(B) 激光笔发出的光线不绝对平行
(C) 白糖水的密度是不均匀的，越深密度越大
(D) 激光笔发出的各种颜色的光发生了色散
12．如图所示，一根长度为L的直薄木条上有两个观察小孔，两小孔之间的距离为d，d恰好是某个人两眼间的距离。当木条水平放置时，此人想通过两观察孔看见此木条在平面镜M里完整的像，那么所选用的平面镜宽度至少是( D )
（A）L／2 (B)d／2 (C)L+d/2 (D)L—d/2
13．平面镜MO和NO为两个侧面的一个黑盒子里有一个点光源S，黑盒子的一侧面EN上开有一小孔P(如图所示)。一个观察者在盒外与EN平行的方向走过时，通过P孔能看到S所发出的光的次数为( D )
（A）1次 （B）2次 （C）3次 （D）4次
14．把由同种玻璃制成的厚度为d的立方体A和半径为d的半球体B分别放在报纸上，且让半球的凸面向上(如图所示)。从玻璃上方透过玻璃向下分别观察A、B中心处报纸上的文字，下面观察记录正确的是( 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中的字一样高
(D)看到B中的字和没有放玻璃时一样高
15．电影银幕都用粗白布是因为粗白布能产生 漫反射 ，使观众都能看清电影。
16．常用的体温计的刻度部分为正三棱柱截面，正面是圆弧形，这样可看清体温计内比较细的水银柱，便于读数，这是因为圆弧形玻璃的作用相当于 凸透镜 ，使我们能看到水银柱放大后的 虚 像。
17．自行车尾灯能够把车后任何方向射来的光都朝着相反方向反射回去，这是因为尾灯上安装了 多组互成直角的平面镜或回归反光膜 。
18．小峰身高1．80米，眼睛距头顶8厘米。他直立在水平地面上照镜子。如果他想从竖直挂在墙上的平面镜里看到自己的脚，这面镜子的底边离地面的高度不应超过 0．86米。
19．小明的爷爷和爸爸都是老花眼，爷爷的老花眼严重
一些，小明的妈妈则是近视眼。他们的三副眼镜都
放在报纸上，如图所示。现在爸爸要看书，让小明
把眼镜递给他，小明应该拿图 乙 中的那一副。
20．图3—20表示分别从凸透镜的两倍焦距和一倍焦距处射向透
镜的光线，请在图中画出它们通过透镜后的光路。（P是与透
镜距离等于2倍焦距的主轴上的点）。
21．如图所示，水平光具座上的S为一个点光源，P是中心带圆孔的不透光纸板，圆孔内可以嵌入一个凸透镜L，Q是—个光屏。S、P、Q的中心轴线在同一水平线上。已知Q与p的距离为a。当P中没有嵌入凸透镜时，在光屏Q上出现一个圆形光斑，这个光斑的直径恰是中心圆孔直径的3倍。当把凸透镜L嵌入圆孔中，光屏Q上的光斑直径与P中心圆孔直径恰好相等。试求：
(1)凸透镜L的焦距有两个可能的值，通过作图法确
定这两个可能的焦距的值。
(2)若将P和Q固定不动，将光源S向左移动，试说明如何根据光斑的变化情况确定凸透镜的焦距是哪一个
答案 （1）f1＝a/2，f2＝a／4 （2）当光源稍向左移动时，如果光斑变小，则透镜的焦距为f1；如果光斑变大，则透镜的焦距为f2。