顯微鏡原理

透鏡成像及其應(yīng)用

概述:這一章是在上一章所學(xué)知識(shí)基礎(chǔ)上進(jìn)一步學(xué)習(xí)光學(xué)應(yīng)用方面的知識(shí)．透鏡成像的問題是幾何光學(xué)中非常重要的內(nèi)容之一，學(xué)好這部分知識(shí)可使學(xué)生掌握單一透鏡成像的基本規(guī)律，為以后的進(jìn)一步學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)，同時(shí)也可以使學(xué)生基本上了解生活中大多數(shù)助視儀器的原理．

從知識(shí)結(jié)構(gòu)看，*節(jié)介紹透鏡的基本知識(shí)、成像規(guī)律，第二節(jié)、第三節(jié)講述用不同的方法來描述、表示這種規(guī)律，后面三節(jié)介紹眼睛、顯微鏡以及望遠(yuǎn)鏡等多個(gè)透鏡的成像問題．本章在編寫上力求講清基本概念，使學(xué)生從根本上理解透鏡的成像規(guī)律．

做好有關(guān)的演示及學(xué)生實(shí)驗(yàn)是理解透鏡成像規(guī)律的基礎(chǔ)，也是關(guān)鍵．教學(xué)中應(yīng)充分注意這一點(diǎn)，以免學(xué)生在學(xué)習(xí)時(shí)只是機(jī)械地套用公式或死記一些結(jié)論．

這一章的重點(diǎn)是透鏡的成像規(guī)律，包括透鏡成像作圖法和成像公式的理解和應(yīng)用．通過本章的學(xué)習(xí)應(yīng)使學(xué)生對(duì)透鏡控制光線的作用及其成像規(guī)律有比較深刻的理解．正確地畫出光路圖，是解決幾何光學(xué)問題的重要方法和手段．光路圖體現(xiàn)了光的傳播和成像的過程，過程清楚，才能作出正確的光路圖．因而能不能正確地作出光路圖，反映出學(xué)生對(duì)基本知識(shí)的理解和運(yùn)用的情況．會(huì)畫光路圖是解決幾何光學(xué)問題的一種基本技能，本書加強(qiáng)了這方面的訓(xùn)練．一般來說，作圖可以把情景和過程具體化、形象化，有助于想像和表達(dá)問題的物理情景，有助于理解和運(yùn)用知識(shí)解決物理問題．因此，在幾何光學(xué)的教學(xué)中加強(qiáng)光路圖的基本訓(xùn)練，對(duì)以后學(xué)習(xí)其他知識(shí)會(huì)有好處．

單元?jiǎng)澐直菊驴煞譃閮蓚€(gè)單元．

*單元：*節(jié)至第三節(jié)．主要學(xué)習(xí)透鏡對(duì)光線的作用和透鏡成像規(guī)律，這是本章的重點(diǎn)．

第二單元：第四節(jié)至第五節(jié)．學(xué)習(xí)較復(fù)雜的光學(xué)儀器的原理．

一、透鏡

教學(xué)要求：

1．知道什么是凸透鏡、什么是四透鏡，懂得凸透鏡和凹透鏡對(duì)光線的會(huì)聚作用和發(fā)散作用的道理．

2．知道透鏡的主軸、光心、焦點(diǎn)和焦距等概念的含義．

3．了解透鏡成像的各種情況，會(huì)應(yīng)用這些知識(shí)解釋簡單的透鏡成像問題．

說明：

1．由于學(xué)生在初中時(shí)就學(xué)過一些幾何光學(xué)的基本知識(shí)，因此如果上來就按步就班地講什么是透鏡的光心、焦點(diǎn)等知識(shí)，往往會(huì)使學(xué)生感到乏味，引不起興趣，因此對(duì)這些基本知識(shí)的理解、掌握也就不能更深入一步．為了引起學(xué)生的興趣，可利用實(shí)驗(yàn)和提問的方法來學(xué)習(xí)這部分知識(shí)．可以向?qū)W生提問：透鏡在控制光的傳播中起著很重要的作用，那么它在對(duì)入射光線的繼續(xù)傳播中起著怎樣的作用呢？學(xué)生很可能會(huì)回答：凸透鏡對(duì)光線起會(huì)聚作用，凹透鏡對(duì)光線起發(fā)散作用．教師進(jìn)而可提問：這種會(huì)聚或發(fā)散的規(guī)律是怎樣的呢？這樣就將學(xué)生一步步引到了問題的實(shí)質(zhì)上．

2．在學(xué)生積極參與、思考、回答這些問題的基礎(chǔ)上，教師和學(xué)生一起通過做實(shí)驗(yàn)、復(fù)習(xí)，講解光心、主軸、焦點(diǎn)、焦距等概念．這里光心的概念是比較難理解的，屬新學(xué)內(nèi)容．教學(xué)中可像教材那樣，借助光線通過平行玻璃板方向不變的知識(shí)說明通過薄透鏡光心的光線方向不變的特點(diǎn)．

雖然學(xué)生在初中學(xué)過焦點(diǎn)、焦距的知識(shí)，但是他們對(duì)這些概念的理解應(yīng)該說是比較粗淺的，教師應(yīng)該運(yùn)用前一章學(xué)過的棱鏡對(duì)光線的作用的知識(shí)幫助學(xué)生從道理上分析凸透鏡為什么對(duì)光線起會(huì)聚作用，凹透鏡為什么對(duì)光線有發(fā)散作用；前者的焦點(diǎn)為什么是實(shí)的，虛焦點(diǎn)的物理含義又是什么等問題，為后面的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)．可用復(fù)習(xí)、討論的方法學(xué)習(xí)這部分知識(shí)．例如，可向?qū)W生提問：為什么通過光心的光線傳播方向不發(fā)生改變？凸透鏡和凹透鏡的焦點(diǎn)有什么不同？焦距反映了透鏡的什么光學(xué)特性等．只有對(duì)這些基本概念有正確的理解，才能在后面的學(xué)習(xí)中少犯錯(cuò)誤，或不犯錯(cuò)誤．

3．對(duì)于透鏡對(duì)光線的作用，應(yīng)使學(xué)生明白：凸透鏡具有會(huì)聚作用，是指它可以使出射光線向主軸偏折，而不是說從凸透鏡射出的光線必然是會(huì)聚的．相應(yīng)地，凹透鏡對(duì)光線的作用也并非指經(jīng)過四透鏡的光線必然是發(fā)散的．可用圖21－l向?qū)W生說明此問題．

在講透鏡的作用時(shí)，可提一下：如果透鏡不是由折射率大于空氣的玻璃組成，而是由折射率小于空氣的材料組成，那么這種透鏡對(duì)光線的作用同玻璃透鏡對(duì)光線的作用正好相反．這樣說明一下，可以防止學(xué)生機(jī)械地記憶，看問題交全面些．但是，是否講這個(gè)知識(shí)應(yīng)當(dāng)視學(xué)生的具體情況而定，如果學(xué)生基礎(chǔ)較差，可能會(huì)因?yàn)橹v這部分知識(shí)而影響對(duì)課文所講玻璃透鏡對(duì)光線的作用的理解．

4．凹透鏡的虛焦點(diǎn)的概念是初學(xué)者不易掌握的．教學(xué)中要注意克服這一難點(diǎn)的教學(xué)，速度可放慢一些，讓學(xué)生多練練，為下一節(jié)作圖法的教學(xué)打下良好的基礎(chǔ)．

5．凸透鏡的成像規(guī)律實(shí)驗(yàn)雖然學(xué)生在初中做過，但是初中對(duì)這部分知識(shí)的要求是比較低的，另外時(shí)間也已過了很久．因此有必要同學(xué)生一起做此演示實(shí)驗(yàn)或?qū)W生分組實(shí)驗(yàn)．實(shí)驗(yàn)前讓學(xué)生根據(jù)日常生活中已有的有關(guān)照相的知識(shí)或初中學(xué)過的知識(shí)回答物體在焦距和2倍焦距兩側(cè)不同位置時(shí)，像的位置、大小及虛實(shí)情況應(yīng)該是怎樣的，然后做實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證．通過實(shí)驗(yàn)應(yīng)使學(xué)生理解：焦點(diǎn)是像的虛實(shí)的分界點(diǎn)，2倍焦距處是實(shí)像大小的分界點(diǎn)．

同樣，要做好凹透鏡成像的演示實(shí)驗(yàn)或?qū)W生實(shí)驗(yàn)．凹透鏡所成的像均為虛像，虛像的概念本身就比較難理解，加之學(xué)生在初中時(shí)又沒有做過凹透鏡成像的實(shí)驗(yàn)，所以要注意加強(qiáng)凹透鏡成像實(shí)驗(yàn)的教學(xué)．

二、透鏡成像作圖法

教學(xué)要求：

1．掌握三條特殊光線的畫法．

2．會(huì)根據(jù)物與像的關(guān)系以及透鏡的基本知識(shí)，正確地畫單個(gè)透鏡成像的光路圖．

3．能應(yīng)用作圖法的知識(shí)解決有關(guān)的問題．

4．不討論虛物成像的問題．

說明：

1．從以往的教學(xué)來看，由于學(xué)生對(duì)為什么需要三條特殊光線缺少理解，特別是凸、凹透鏡各自的特殊光線有什么特點(diǎn)分不清，所以常常出現(xiàn)亂用的情況．為了開始就給學(xué)生樹立一個(gè)正確的物、像關(guān)系，在介紹特殊光線前，應(yīng)使學(xué)生對(duì)透鏡成像的概念有正確的理解．可結(jié)合點(diǎn)光源經(jīng)凸透鏡成實(shí)像和虛像的實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步說明，實(shí)像是通過透鏡的所有折射光線會(huì)聚于一點(diǎn)形成的；虛像是所有折射光線的反向延長線交于一點(diǎn)形成的．點(diǎn)光源經(jīng)凹透鏡成像的概念亦應(yīng)使學(xué)生正確地理解．

在學(xué)生對(duì)透鏡成像的概念有了較正確的理解后，即可引導(dǎo)學(xué)生理解用作圖法求像時(shí)只要知道兩條由同一物點(diǎn)發(fā)出、經(jīng)透鏡折射后其光路為已知的折射光線，就可以確定該物點(diǎn)的像．而利用焦點(diǎn)和光心的性質(zhì)可知有三條特殊光線在作圖時(shí)是很方便的．這樣就很自然地引出了如何畫三條特殊光線的問題．

講過這部分內(nèi)容后，應(yīng)注意使學(xué)生體會(huì)作圖時(shí)常用的三條特殊光線是為了作圖方便而選用的，不是物體只發(fā)出這三條光線．以防止學(xué)生只會(huì)根據(jù)三條光線作圖，而沒有真正領(lǐng)會(huì)物和像的關(guān)系．可在給學(xué)生布置或講解運(yùn)用三條特殊光線作圖的問題的同時(shí)，布置或討論一些用特殊光線無法作出，而用物像關(guān)系可得出結(jié)論的練習(xí)．例如可結(jié)合類似課本練習(xí)一第（3）題的問題說明物和像的位置一旦確定，折射光線也就成為已知，而無需去找什么特殊光線．還可以利用類似下面的題來說明

這一問題：已知S點(diǎn)發(fā)出的1、2兩條光線經(jīng)透鏡折射后分別過P、Q點(diǎn)，求像點(diǎn)在什么位置，透鏡是凸的還是凹的（圖21－2），說明只要知道任意兩條經(jīng)透鏡折射后的光線，即可求出像點(diǎn)的位置．

2．學(xué)生在作圖時(shí)常常犯凸凹透鏡符號(hào)不分、虛實(shí)焦點(diǎn)用錯(cuò)、兩個(gè)焦點(diǎn)不知該用哪個(gè)、隨便找兩條光線的交點(diǎn)就認(rèn)為是像點(diǎn)等錯(cuò)誤．老師在教學(xué)中應(yīng)有意識(shí)地在這些方面加強(qiáng)訓(xùn)練．例如可結(jié)合類似課本練習(xí)二第（1）題練習(xí)焦點(diǎn)的利用．結(jié)合作圖法進(jìn)一步講清物像間的關(guān)系．物體是由許許多多個(gè)物點(diǎn)組成的，而每一個(gè)物點(diǎn)又與其像點(diǎn)有著一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。像點(diǎn)是由同一個(gè)物點(diǎn)發(fā)出的光線經(jīng)過反射或折射后，反射光線或折射光線（或它們的反向延長線）的交點(diǎn)，而不同物點(diǎn)的反射光線或折射光線（或者它們的反向延長線）的交點(diǎn)不是像點(diǎn)。所有的像點(diǎn)組成了像。例如，圖21－3中的PQ并不是AB的像．另外，在作圖法教學(xué)中應(yīng)提醒學(xué)生，利用光的可逆性考慮問題，常常是很有效的方法．例如，在課本練習(xí)二第（1）題zui后一圖的作圖中，如果用光的可逆性來考慮，這個(gè)問題會(huì)變得更容易．

3．對(duì)于物在軸線上一點(diǎn)的成像問題，不好直接用三條特殊光線來作圖，因?yàn)榇藭r(shí)這三條特殊光線都重合．此種情況可用輔助法來求像．如圖21－4所示，要求S點(diǎn)的像，我們可以作垂直于主光軸的線段PS，而后用特殊光線作出P點(diǎn)的像P’，則過P’點(diǎn)垂直于主光軸的線段與光軸的交點(diǎn)S’即為S點(diǎn)的像．

三、透鏡成像公式

教學(xué)要求：

1．了解透鏡成像公式的推導(dǎo)過程．

2．了解透鏡成像公式的物理含義，并能應(yīng)用它們解決單個(gè)透鏡成像的有關(guān)問題．

3．理解放大率的概念，并能綜合運(yùn)用透鏡成像公式的知識(shí)解答有關(guān)的問題．

說明：

1．根據(jù)國家技術(shù)*1993年12月頒布的《量和單位》，物距和像距的符號(hào)分別為p和p’·

2．凸透鏡成像公式的教學(xué)應(yīng)在上一節(jié)作圖法的基礎(chǔ)上，盡可能地引導(dǎo)學(xué)生自己推導(dǎo)．這樣學(xué)生就會(huì)比較容易理解和掌握成像公式，也容易引起他們學(xué)習(xí)的興趣．可啟發(fā)學(xué)生從凸透鏡成實(shí)像的光路圖的分析中找相似三角形、建立幾何關(guān)系得出凸透鏡的成像公式和放大率公式．

3．推導(dǎo)出成像的公式后，教師再引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步分析公式中各量取正負(fù)值的情況．對(duì)于凸透鏡成像公式，焦距f和物距、戶在什么情況下都是正值，只有像距有正負(fù)之分，正值對(duì)應(yīng)于實(shí)像，負(fù)值對(duì)應(yīng)于虛像．凸透鏡成像公式的運(yùn)用一般可分兩類情況：一是知道所成的像的虛、實(shí)．若為虛像，公式中的p’為負(fù)值；若為實(shí)像，公式中的p’為正值．二是不知道所成像的虛、實(shí)．如果是求像距戶’，則情況比較簡單，求出的像距是正值，像是實(shí)像，求出的像距是負(fù)值，像是虛像．如果是求物距或者焦距，則須先知道像的虛實(shí)或借助于其他方法（如作圖法或凸透鏡成像的規(guī)律）確定像是實(shí)像還是虛像．

4．透鏡成像的作圖法以及公式法是研究透鏡成像問題中既有區(qū)別又有的兩種不同的方法．作圖法的優(yōu)點(diǎn)是清楚、直觀、便于理解；公式法的優(yōu)點(diǎn)是、各物理量間的關(guān)系一目了然．應(yīng)使學(xué)生了解這兩種方法各自的特點(diǎn)，知道在什么情況下使用作圖法，什么情況下使用公式法，什么情況下兩者結(jié)合使用．通常，在只需要了解成像的大致情況時(shí)，用作圖法；在需要準(zhǔn)確了解成像的位置、放大的倍數(shù)等情況時(shí)，用公式法；分析比較復(fù)雜的成像情況時(shí)，常常將兩種方法結(jié)合起來使用，即便是只需用公式法的情況，也常常是在用公式法計(jì)算過后，再用作圖法加以驗(yàn)證．

＊四、眼睛

教學(xué)要求：

1．知道眼睛的光學(xué)構(gòu)造．

2．理解眼睛成像的基本原理．

3．了解視力缺陷的成因及其矯正方法．

4．理解視角的概念并能用來解釋有關(guān)的現(xiàn)象．

說明：

1．眼睛的教學(xué)應(yīng)緊緊圍繞眼睛的作用相當(dāng)于一個(gè)凸透鏡，來講解眼睛的構(gòu)造、成像原理等．學(xué)習(xí)過眼睛的構(gòu)造，學(xué)生就可以了解用眼睛觀察物體，從物體發(fā)出的光線經(jīng)過晶狀體等一個(gè)綜合的凸透鏡在視網(wǎng)膜上形成倒立、縮小的實(shí)像，分布在視網(wǎng)膜上的感光細(xì)胞將這種刺激通過視神精傳給大腦，人們就看到了這個(gè)物體．接著教師可以問學(xué)生：用某一凸透鏡使距離不同的物體成像，像距會(huì)不同；而用眼睛觀看遠(yuǎn)近不同的物體時(shí)，像都成在視網(wǎng)膜上，即像距不變，這不是跟透鏡成像規(guī)律相矛盾了嗎？這樣就引出了眼睛的調(diào)解作用．眼睛的調(diào)解要注意講清眼睛的遠(yuǎn)點(diǎn)、近點(diǎn)和明視距離等概念．在講眼睛的近點(diǎn)時(shí)，可用簡單的方法讓學(xué)生測自己眼睛的近點(diǎn)．如可讓學(xué)生用眼觀看自己的指紋，然后逐漸把手指向眼睛移動(dòng)，到看不清手上的指紋為止，此時(shí)手指到眼睛的距離基本上就是眼的近點(diǎn)．講過眼睛的調(diào)節(jié)作用后，可進(jìn)一步向?qū)W生提出由于生理上的原因，有些人單靠自身眼睛的調(diào)解已不能使像成在視網(wǎng)膜上，這種情況應(yīng)如何處理的問題．這樣就提出了視力缺陷及其矯正的問題．在講解視力缺陷及其矯正時(shí)，一定要向?qū)W生說明用眼衛(wèi)生的道理和重要性．

2．講過眼睛的成像原理后，有的學(xué)生可能要問：物體通過眼睛后成在視網(wǎng)膜上的是一個(gè)倒立的實(shí)像，但是人的感覺卻是正立的實(shí)像，這是為什么？回答這個(gè)問題不能從光學(xué)成像原理去解釋，而應(yīng)從生理的角度去解釋．人的眼睛與生具來就已習(xí)慣于這種視覺感受，即看物體時(shí)，在視網(wǎng)膜上成的是倒立的實(shí)像，人們的感覺就是正立的實(shí)像：

＊五、顯微鏡和望遠(yuǎn)鏡

教學(xué)要求：

1．知道顯微鏡的基本構(gòu)造．

2．理解顯微鏡和望遠(yuǎn)鏡是如何增大視角的．

說明：

1．顯微鏡、望遠(yuǎn)鏡的教學(xué)應(yīng)主要放在儀器的光學(xué)構(gòu)造和光路圖的分析上．通過對(duì)光路圖的分析，使學(xué)生了解顯微鏡、望遠(yuǎn)鏡增大視角的原理．顯微鏡的整體結(jié)構(gòu)及使用方法學(xué)生在初中生物課中已經(jīng)學(xué)習(xí)和練習(xí)過，這里應(yīng)以顯微鏡的光學(xué)構(gòu)造為主．顯微鏡的光學(xué)構(gòu)造可向?qū)W生說明，它的主要部分是兩個(gè)凸透鏡，一個(gè)是焦距很小的物鏡，一個(gè)是焦距長一些的目鏡．兩個(gè)凸透鏡的放置特點(diǎn)是使兩次都成放大的像，以便增大視角．

2．教材在介紹顯微鏡物鏡和目鏡的特點(diǎn)時(shí)說：物鏡的焦距很短，目鏡的焦距較長．說目鏡的焦距較長是相對(duì)于物鏡而言的．其實(shí)，由于顯微鏡的放大率與物鏡和目鏡的焦距均成反比，所以物鏡和目鏡的焦距都很小，只是為了保證顯微鏡具有一定的視野，目鏡的焦距才做得稍長些．

3．應(yīng)提醒學(xué)生注意，開普勒望遠(yuǎn)鏡光路圖中來自無限遠(yuǎn)處三條平行的光線，是發(fā)自無限遠(yuǎn)處天體的同一點(diǎn)，而非整個(gè)天體．平行光線與主軸的夾角為用眼直接觀察天體時(shí)的視角，天體經(jīng)透鏡兩次成像后，視角得到了明顯的放大．

望遠(yuǎn)鏡的角放大率與物鏡和目鏡的焦距之比成正比，因此望遠(yuǎn)鏡的光學(xué)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是物鏡焦距長，目鏡焦距短．說顯微鏡和望遠(yuǎn)鏡的光學(xué)結(jié)構(gòu)主要是兩個(gè)凸透鏡，這只是個(gè)簡化的說法．其實(shí)它們的物鏡和目鏡一般來說都是由兩個(gè)或兩個(gè)以上的透鏡組合而成的．

4．反射式望遠(yuǎn)鏡放大視角的原理同開普勒望遠(yuǎn)鏡相同，只是所用的光學(xué)元件不同．反射式望遠(yuǎn)鏡用凹面鏡代替凸透鏡，使望遠(yuǎn)鏡口徑保持足夠大成為可能．