光學(xué)實(shí)驗(yàn)題

張義勇

一、重要的光學(xué)實(shí)驗(yàn)

1.光的色彩 顏色

（1）光的色散：一束太陽光（或白光）通過三棱鏡可以分解為紅橙黃綠藍(lán)靛紫等色光，說明白光是由多種色光混合而成的復(fù)色光.各種色光通過三棱鏡后，紅光偏轉(zhuǎn)角度最小，紫光偏轉(zhuǎn)角度最大.

（2）色光的混合：利用白光通過濾色鏡獲得相應(yīng)的單色光，將不同的單色光混合可以得到不同顏色的光.紅、綠、藍(lán)被稱為光的三原色.

（3）物體的顏色：人眼對(duì)顏色的感知來源于人眼接收到的色光.光源的顏色由其發(fā)出的色光所決定；透明體的顏色由其透過的色光所決定；不透明體的顏色由其反射的色光所決定.

2.探究平面鏡成像的特點(diǎn)

（1）實(shí)驗(yàn)操作：選取等大的兩根蠟燭（或棋子）A、B，用半透明玻璃板進(jìn)行實(shí)驗(yàn).將A放到玻璃板一側(cè)，人眼在A側(cè)通過玻璃板可以看到A的像A′.將B放到另一側(cè)并調(diào)節(jié)位置，當(dāng)人眼從各個(gè)角度看過去都覺得B與A′重合時(shí)，說明B處即為A′的位置.兩者重合也說明A′與B大小相等，由于A、B等大，可得像A′與物A大小相等.實(shí)驗(yàn)時(shí)還可以用刻度尺進(jìn)一步研究像與物到鏡面距離的關(guān)系.

（2）虛像：平面鏡成像的實(shí)質(zhì)是光的反射.蠟燭A發(fā)出的光線經(jīng)過平面鏡反射到達(dá)人眼，人眼感覺這些光線好像是由鏡子后面的A′發(fā)出的，這個(gè)A′就是蠟燭A的虛像，它并不是實(shí)際光線會(huì)聚的結(jié)果，因而無法在光屏上呈現(xiàn).

（3）實(shí)驗(yàn)結(jié)論：平面鏡所成的像是虛像，像和物大小相等，且它們到鏡面的距離也相等，像與物相對(duì)于鏡面對(duì)稱.

3.探究光的反射定律

（1）法線、入射角和反射角：將過入射點(diǎn)并垂直于鏡面的直線叫法線，入射光線與法線的夾角叫入射角，反射光線與法線的夾角叫反射角.

（2）實(shí)驗(yàn)操作：將有刻度的硬紙板垂直平面鏡放置，讓入射光線AO緊貼紙板入射，反射光線OB將緊貼紙板出射，就可以通過紙板看清AO和OB的傳播路徑，利用硬紙板上的刻度即可研究反射角與入射角的大小關(guān)系.將紙板F邊沿ON向后彎折，紙板的E、F兩側(cè)不在同一平面內(nèi)，就無法再看到OB的軌跡，可知反射光線在入射光線和法線所決定的平面內(nèi).

（3）實(shí)驗(yàn)結(jié)論：光反射時(shí)，反射光線、入射光線和法線在同一平面內(nèi)，反射光線、入射光線分居在法線兩側(cè)，反射角等于入射角.

4.探究光的折射特點(diǎn)

（1）折射角：折射光線與法線的夾角.

（2）實(shí)驗(yàn)操作：將玻璃磚平放在白紙上，先在玻璃磚的上下兩邊畫上線.用激光筆緊貼白紙照射，在光路上做上記號(hào)，就可以畫出光的傳播路徑（如圖所示）.利用此圖便可研究光在空氣和玻璃兩種介質(zhì)中發(fā)生折射時(shí)的規(guī)律.

（3）實(shí)驗(yàn)結(jié)論：當(dāng)光從一種介質(zhì)斜射入另一種介質(zhì)時(shí)，折射光線、入射光線和法線在同一平面內(nèi)；折射光線和入射光線分別位于法線兩側(cè)；入射角增大（或減?。r(shí)，折射角也隨之增大（或減?。?光垂直于介質(zhì)表面入射時(shí)，折射角等于零.當(dāng)光從空氣斜射入玻璃（或水）時(shí)，折射光線偏向法線，折射角小于入射角；當(dāng)光從玻璃（或水）斜射入空氣中時(shí)，折射光線偏離法線，折射角大于入射角.

5.測(cè)量凸透鏡的焦距

用平行光正對(duì)凸透鏡照射，在凸透鏡的后方移動(dòng)光屏，當(dāng)光屏上呈現(xiàn)最小最亮的點(diǎn)時(shí)，用刻度尺測(cè)出光屏與凸透鏡中心的距離即為焦距.

6.探究凸透鏡成像的規(guī)律

（1）物距、像距：物體到凸透鏡的距離為物距（u），像到凸透鏡的距離為像距（v）.

（2）實(shí)驗(yàn)操作：將蠟燭、凸透鏡和光屏依次放在水平桌面上，先將燭焰中心和光屏中心調(diào)節(jié)到凸透鏡的主光軸上，即讓燭焰中心、凸透鏡中心和光屏中心在同一直線且同一高度上.實(shí)驗(yàn)時(shí)，改變物距進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)，根據(jù)測(cè)得的多組數(shù)據(jù)分析凸透鏡成像的規(guī)律.

（3）實(shí)驗(yàn)結(jié)論：

7.模擬視力的矯正

近視眼看不清遠(yuǎn)處的物體，成像在視網(wǎng)膜之前，需要佩戴凹透鏡，使像向后移動(dòng)到視網(wǎng)膜上；遠(yuǎn)視眼看不清近處的物體，成像在視網(wǎng)膜之后，需要佩戴凸透鏡，使像向前移動(dòng)到視網(wǎng)膜上.

二、典型例題

考點(diǎn)1 光的色散

例1 一束太陽光通過三棱鏡折射后，被分解成七種顏色的光，在白色光屏上形成一條七彩光帶（如圖所示），這個(gè)現(xiàn)象叫光的 ，圖中A處為 色的光帶.如果將白色光屏換成紅色光屏，我們將

（選填“能”或“不能”）看到七彩光帶.

解析 太陽光通過三棱鏡被分解為多種色光的現(xiàn)象叫光的色散，其中紅光偏折角度小，紫光偏折角度大.如果換成紅色光屏，其只能反射紅光而且吸收其他色光，人眼將無法看清彩色光帶.

答案 色散、紅、不能.

考點(diǎn)2 平面鏡成像特點(diǎn)

例2 如圖所示，某同學(xué)在做“探究平面鏡成像的特點(diǎn)”實(shí)驗(yàn)時(shí)，將一塊玻璃板豎直架在一把直尺的上面，取兩段相同的蠟燭A和B，將A和B一前一后豎直立在直尺上.實(shí)驗(yàn)過程中，眼睛始終在蠟燭A的一側(cè)觀察.

（1）點(diǎn)燃蠟燭A，調(diào)節(jié)蠟燭B的位置，當(dāng) 時(shí)，B的位置即為A的像所在的位置.

（2）實(shí)驗(yàn)時(shí)，直尺的作用是便于比較像與物 的關(guān)系；兩段蠟燭相同是為了比較像與物 的關(guān)系.

（3）用平面鏡代替玻璃板，上述實(shí)驗(yàn)

（選填“能”或“不能”）進(jìn)行.

解析 由于實(shí)驗(yàn)時(shí)既要看清A的像又要看到B，只能用玻璃板.找到像的位置后，可以用刻度尺可以研究像與物到鏡面距離的關(guān)系.前后兩只蠟燭大小相等而且看上去重合可以說明像與物的大小相等.

答案 （1）A的像與B重合時(shí)；（2）到鏡面距離，大?。唬?）不能

考點(diǎn)3 光的反射定律

例3 為了探究光的反射規(guī)律，小明用如圖所示的裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，平面鏡置于水平桌面上.把一可沿ON折疊的白色硬紙板豎直放置在平面鏡M上.

（1）在實(shí)驗(yàn)中使用白色硬紙板能顯示

，也能方便地測(cè)量 .

（2）以法線ON為軸線，將白色硬紙板的B面繞法線ON向后旋轉(zhuǎn)，此時(shí)反射光線的位置 （選填“發(fā)生”或“不發(fā)生”）變化.

解析 用白色硬紙板顯示入射光線和反射光線的傳播路徑，再利用底部的量角器研究反射角與入射角的大小關(guān)系，將紙板B面翻折后，反射光線無法在紙板B上呈現(xiàn)，可見反射光線、入射光線和法線在同一平面內(nèi).

答案 （1）入射光線和反射光線，反射角和入射角；（2）不發(fā)生.

考點(diǎn)4 光的折射特點(diǎn)

例4 下表中記錄了不同入射角和對(duì)應(yīng)折射角測(cè)量數(shù)據(jù).

（1）請(qǐng)你結(jié)合圖，以光從空氣進(jìn)入玻璃的情況為例分析數(shù)據(jù)（光從空氣進(jìn)入其他透明介質(zhì)中也可得到具有相同規(guī)律的數(shù)據(jù)），對(duì)光從空氣進(jìn)入其他透明介質(zhì)中的規(guī)律加以總結(jié).

a.折射光線跟入射光線和法線在同一平面內(nèi)，并且分別位于法線兩側(cè)；

b. .

（2）請(qǐng)定量比較數(shù)據(jù).把你的新發(fā)現(xiàn)寫在下面： .

解析 初步分析數(shù)據(jù)可得，隨著入射角增大，折射角也相應(yīng)增大，但折射角總小于入射角.進(jìn)一步分析數(shù)據(jù)還可以發(fā)現(xiàn)，折射角與入射角成正比例的關(guān)系，但當(dāng)入射角較大時(shí)，這種正比例關(guān)系就不再成立.

答案 （1）入射角增大，折射角也增大，但折射角總是小于入射角；（2）入射角較小時(shí)，折射角r與入射角i近似成正比關(guān)系；當(dāng)入射角較大時(shí)，正比關(guān)系不再成立.

考點(diǎn)5 測(cè)量凸透鏡的焦距

例5 一束平行光線經(jīng)凸透鏡折射后的傳播方向如圖所示，由圖（a）可知，此透鏡的焦距大小約為 cm；若將一燭焰放在此凸透鏡左側(cè)2cm處，如圖（b），則透過透鏡可以看到一個(gè) 、 的虛像.

解析 利用平行于主光軸的光線穿過凸透鏡后會(huì)聚于焦點(diǎn)的性質(zhì)測(cè)量焦距，從圖中可以看出f=2.90cm.若將蠟燭放在凸透鏡前方2cm處，u

答案 2.90cm、正立、放大.

考點(diǎn)6 探究凸透鏡成像的規(guī)律

例6 在探究“凸透鏡成像規(guī)律”的實(shí)驗(yàn)中，小欣記錄的部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下表：

（1）表格中有幾項(xiàng)內(nèi)容漏寫了，請(qǐng)你幫助填補(bǔ)：

a ；b .

（2）實(shí)驗(yàn)過程中小欣觀察到第2次所成的像 （選填“大于”“等于”或“小于”）第1次所成的像.

（3）當(dāng)把蠟燭調(diào)到距離透鏡8cm的位置時(shí)，小欣發(fā)現(xiàn)無論如何移動(dòng)光屏，光屏上始終得不到像.為了觀察到這時(shí)所成的像，眼睛和蠟燭應(yīng)該在凸透鏡的

（選填“同”或“異”）側(cè).

解析 第1、2組實(shí)驗(yàn)時(shí)，u>2f，成倒立縮小的實(shí)像，第2次的物距小于第1次的物距，所成的像更大.當(dāng)物距為8cm時(shí)，u

答案 （1）縮小、倒立；（2）大于；（3）異.

考點(diǎn)7 視力的矯正

例7 在探究“近視眼的形成原因和矯正方法”時(shí)，冰蓉同學(xué)選擇了如下器材：蠟燭（模擬物體）、水凸透鏡（模擬人眼晶狀體，并與注射器相連）、光屏（模擬人眼視網(wǎng)膜）、光具座等.（注：水凸透鏡的凸起程度可以通過注射器注入或吸取水的多少來調(diào)節(jié)）

（1）她安裝并調(diào)整好實(shí)驗(yàn)裝置，將點(diǎn)燃的蠟燭置于透鏡前某一位置時(shí)，在光屏上得到了燭焰清晰的像；當(dāng)向水凸透鏡內(nèi)注入水，使透鏡更凸后，發(fā)現(xiàn)光屏上已無燭焰清晰的像，若要在光屏上再次得到燭焰清晰的像，應(yīng)在水凸透鏡前放置一塊 透鏡；若撤去放置的透鏡，應(yīng)將光屏 （選填“靠近”或“遠(yuǎn)離”）水凸透鏡，才能得到清晰的像.

（2）根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)，可知近視眼的形成原因是： .

解析 為模擬近視眼，向水凸透鏡中注水使其變厚，對(duì)光線的會(huì)聚本領(lǐng)更強(qiáng)，光線經(jīng)過凸透鏡就“提前”相交，蠟燭的像成在了視網(wǎng)膜之前.要讓像再次成在視網(wǎng)膜上，就應(yīng)該在凸透鏡前面加凹透鏡；如果不加凹透鏡，就需要讓視網(wǎng)膜向靠近凸透鏡的方向移動(dòng)，才能重新承接到燭焰清晰地像.根據(jù)模擬實(shí)驗(yàn)可以看出，近視眼的晶狀體比正常人眼的更厚，對(duì)光線的會(huì)聚本領(lǐng)更強(qiáng)，從而使物體的像成在了視網(wǎng)膜之前.

答案 （1）凹、靠近；（2）晶狀體較正常人眼更凸或變厚，或像成在了視網(wǎng)膜之前，或晶狀體對(duì)光線的偏折能力強(qiáng)或?qū)饩€的會(huì)聚能力強(qiáng).

三、例題解析

例1 小豪用如圖所示的實(shí)驗(yàn)器材探究“平面鏡成像特點(diǎn)”，請(qǐng)你完成下列問題：

（1）實(shí)驗(yàn)中觀察到蠟燭A在玻璃板后面有兩個(gè)幾乎重疊的像，這是由于

造成的；

（2）如果將蠟燭A向玻璃板靠近，像的大小會(huì) .

（3）移去蠟燭B，在其原來的位置上放一光屏，光屏上不能承接到蠟燭A的像，這說明平面鏡所成的像是 （選填“實(shí)”或“虛”）像.

（4）如果在某次實(shí)驗(yàn)中，無論如何移動(dòng)蠟燭B，都不能使其與A的像重合，可能的原因是 .

解析 平面鏡成像的原理是光的反射，成正立等大的虛像.由于玻璃板存在一定的厚度，前后兩面均能反射光線而成像，使人眼看到兩個(gè)像.在實(shí)驗(yàn)過程中一定要保證玻璃板與桌面垂直，否則像就會(huì)向上或下偏移，導(dǎo)致無論如何移動(dòng)蠟燭B都無法與A的像A′重合.

答案 （1）玻璃板有一定的厚度；（2）不變；（3）虛；（4）玻璃板未與桌面垂直.

例2 利用如圖裝置進(jìn)行“探究光的反射規(guī)律”實(shí)驗(yàn)：

（1）將一束光貼著紙板A沿EO射到O點(diǎn)，若將紙板B向前或向后折，此時(shí)在紙板B上看不到反射光，這樣做的目的是探究

.

（2）將紙板A、B置于同一平面后，若將一束光貼著紙板B沿FO射到O點(diǎn)，反射光將沿圖中的OE方向射出，說明光在反射時(shí) .

解析 將紙板B向前或向后折，就無法看到反射光線的軌跡，能證明反射光線、入射光線和法線在同一平面內(nèi).在第一次反射時(shí)，光線沿EO入射通過OF反射，第二次反射時(shí)光線沿FO入射通過OE反射，這被稱為“光路可逆”.

答案 （1）反射光線、入射光線和法線在同一平面內(nèi)；（2）光路可逆.

例3 在“探究凸透鏡成像規(guī)律”的實(shí)驗(yàn)中，各組使用相同焦距的凸透鏡進(jìn)行實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)過程中操作規(guī)范、測(cè)量準(zhǔn)確，該小組實(shí)驗(yàn)記錄如下表：

（1）隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，蠟燭越燒越短，燭焰在光屏上的像將向 （選填“上”或“下”）移動(dòng)，為了再次將像調(diào)節(jié)到光屏的中央，應(yīng)向 （選填“上”或“下”）調(diào)節(jié)凸透鏡的高度.

（2）請(qǐng)你根據(jù)上表信息，求出凸透鏡的焦距f= ；

（3）上表中實(shí)驗(yàn)序號(hào)4中像距為 .

（4）某次實(shí)驗(yàn)時(shí)，先將蠟燭和凸透鏡的位置固定，無論如何移動(dòng)光屏都無法接收到燭焰清晰的像，原因是 .

（5）實(shí)驗(yàn)中若在光屏上得到一清晰的實(shí)像，當(dāng)用黑色硬紙片遮住透鏡的上半部分，則所成的像將會(huì)怎樣變化？

.

解析 （1）在探究凸透鏡成像規(guī)律的實(shí)驗(yàn)中，需要先將燭焰中心、凸透鏡光心和光屏中心調(diào)節(jié)到同一直線、同一高度上.但隨著蠟燭燃燒，燭焰的位置下降，光屏上的像將向上移.要讓像重新成在光屏中央，就要將凸透鏡向下移.

（2）第3組實(shí)驗(yàn)符合“u=2f、v=2f，成倒立等大實(shí)像”的規(guī)律.由此可知f=10cm.當(dāng)這類問題以圖像形式出現(xiàn)時(shí)，仍然可從圖中找到u=v=2f的特殊點(diǎn)，并計(jì)算出f的數(shù)值.

（3）如圖將蠟燭放在A處，光線經(jīng)過凸透鏡最終會(huì)聚在B處.如果將蠟燭移到B處，由于光路可逆，光線必將會(huì)聚到A處，即成像在A處.對(duì)比本題第1、4組數(shù)據(jù)可以確定，當(dāng)物距為15cm時(shí)，像距必為30cm.

（4）只有當(dāng)u>f時(shí)，才能成實(shí)像在光屏上呈現(xiàn).如果將蠟燭和凸透鏡固定，無論如何移動(dòng)光屏都得不到像，很可能是因?yàn)橄灎T與凸透鏡之間的距離小于等于凸透鏡的焦距，導(dǎo)致不能成實(shí)像.

（5）凸透鏡成像的原理圖如上圖所示，由蠟燭燭焰中心A發(fā)出的一束光線經(jīng)過凸透鏡的會(huì)聚全部相交于光屏上的B點(diǎn)，A的像就成在B處.如果用黑紙板遮住凸透鏡的一半，則會(huì)聚到光屏上的光線變少，使成像變暗.但像的位置、正倒、大小都不會(huì)改變.

答案 （1）上、下；（2）10cm；（3）30cm；（4）物距小于等于焦距；（5）像變暗.