浅谈物理教学中的光学知识
光学知识在初中教材中有两章,是初中物理知识的主要内容之一,它涉及到光的直线传播,光的反射,光的折射,面镜和透镜的成像及其应用。这部分知识的一些基本概念,学生容易出现模糊的认识,甚至错误的认识。下面是对此类问题作出的归纳总结,希望得到同行的批评指正,以期不断提高。
一、光线和光束
光线和光束是几何光学的基本概念,是讲授几何光学基本定律和讨论光学器具成像的基础。
光线是表示光传播途径的有向几何线段。光线是利用光的直线传播而从光束中抽象出来的概念。物体发出的光束,用一条带箭头的直线来表示光的传播方向——光线。光线是光束的抽象结果,实际是不存在的,而光束是客观存在的。
光束是通过一定面积并以有限速度传播的电磁波。在波动光学中,光束是通过一定面积的真实的一束光。光是有能量的,进入眼睛可以产生视觉,但那不是光束,光束本身是不能被人看到的,我们利用烟雾发生漫反射可以看到光传播的路径。用一条光线是不能表示出来平行光束、发散光束、会聚光束三种情况的。
二、影和像
影是由于光在均匀、透明介质中沿直线传播,当光遇到不透明物体时,有一部分光被物体挡住,其余光线继续按原来的方向沿直线传播,在物体后面光不能到达的区域所形成的阴影部分便产生了影。在某区域内完全看不到光源发出的光,则该区域称为本影;在某区域只能看光源发出的部分光,则该区域为半影。
像是由于光的直线传播(小孔成像)、光的反射(面镜)或折射(透镜)形成的,无论是虚像还是实像,其外形、颜色、结构都与真实的物体一样,反映了物体的真实面貌。像的大小与物体到光学元件的距离有关。实像是由真实的光形成的,用光屏能接收到,眼睛在一定范围内也能看到(小孔成像除外);而虚像不是由真实的光形成,但一定有真实的光进入人眼,所以虚像只能用眼睛看到,用光屏接收不到。
三、小孔成像与凸透镜成像
小孔成像是由于光在均匀介质中沿直线传播形成的。根据光的独立传播原理,来自物体不同部位的光,互相没有影响地通过小孔,在光屏上成像。
小孔成像的特点:其一,像的形状与实物相同,与小孔的形状无关;其二,像的大小与物体、小孔和光屏三者之间的距离有关;其三,小孔越小,物体距小孔的距离越远,像越清楚,但像会越暗。小孔越小像越清楚,当然如果小孔太小,那么通过的光就会减少,像的亮度就减小了。而且孔太小还会发生衍射,这也会对成像有影响;孔太大成像就会模糊不清但由于进光量多会很亮,这是为什么呢?
原来当孔比较小的时候,来自物体上一个物点上的光通过小孔到光屏上,形成对应像点,例如物体c点发出的光就不会到达b处,所以也就不会发生c处发出的光与a处发出的光重叠,像就比较清晰;而如果孔大到一定程度,来自物体上某一个物点上的光通过较大的孔就是发散的光束,在屏上形成光斑;物体上不同部分发出的光就会发生重叠,像自然也就不清晰了。
凸透镜成像是由于光的折射形成的,它既能成实像也能成虚像,人眼可以直接观察到;而小孔成像只能用光屏承接。凸透镜成像,当物距一定时,像的大小、位置是确定的、唯一的;而小孔成像,当物体到小孔的距离一定时,像的位置、大小是不确定的,取决于光屏的位置。
上面讨论的几个光学基本概念,对于初中学生,不适合从理论上进行讲解,由于小孔成像与凸透镜成像是初中阶段非常重要的学生实验,解决问题的最好办法是教师根据知识要点有目的地、合理地设计探究性课题,通过实验来解决这些问题,形成清楚的认识。
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