第三章 光和眼睛

3.1 光世界巡行

本节通过“手影游戏”和“研究光的色散现象”两个活动，引出光源概念、光的直线传播原理，以及光线、光速和色散概念。

本节学习要点

● 认识光的直线传播原理。

● 知道光线是人们假想的物理模型。

● 知道光速是自然中物体运动速度的极限。

● 认识光的色散现象。

本节学习支架

1．怎样认识光线？

在物理学中，常用带箭头的线条来描述一些物理现象。

这种带箭头的线条，不仅能形象、直观地表示一些物理现象的特征，甚至能大致说明这些物理现象中量值的变化。

例如，描述光的传播方向和行径的光线。我们以后还要学习的描述力的力线，即力的示意图和力的图示法；描述场的磁感线和电场线，以及描述流体运动的流线等。这些带箭头的线条都是人们假想出来的，在客观上并非存在。因此，物理学中把人们根据某些现象的特征，在头脑中想象出来的能直观、形象地描述这些现象特征的带箭头的线条，统称为“假想模型”。这种假想模型在帮助我们揭示自然奥秘的过程中，具有十分重要的作用，是人类在理性思维中所创造出来的一种重要的科学方法。

2．怎样认识并记忆光速？

科学家爱因斯坦最先指出：光速是自然中物体运动速度的极限。

光速是自然中不变的量值。物理学中把自然中那些非常重要的不变的量值称为常数。大凡物理学中的常数，通常都要求同学们记住！

人们常常采用一些趣味记忆的方法来记忆，例如，光在真空中每秒传播的距离是299792458米，于是，趣味记忆便是“二舅舅吃酒二试吾爸”。

3．光为什么沿着直线传播？

严格地说，光只有在均匀透明的物质中传播，其路径才是直的。

通常情况下空气、水、玻璃等物质都是均匀透明的。因此，光在空气、水和玻璃中传播的路径是直的。依据前面八个学习物理的理念中提到的“大自然总是要使其系统结构内部的能量耗损降到最低为止，以确保其系统结构的稳定与和谐”的特性，那么，光在均匀物质中只有做匀速直线运动，才是光程最短，最节省时间，最节省能量，也是最稳定和最简单的线路结构。难怪牛顿说：“自然不做无用之事，只要少做一点就成，做多了却是无用，因为自然喜欢简单，而不爱用什么多余的原因来夸耀自己。”可见，大自然比人类更加知道怎样简单，如何稳定，也更加懂得怎样节约时间和如何节省能量！

这就是我们为什么倡导同学们学习大自然，拜大自然为老师的道理。

4．光的色散现象是谁首先发现的？又是怎样发现的？

1664年，牛顿在房子里把窗户遮得严严实实，只留下一个小孔，让太阳光通过小孔射到房内的三棱镜上，如图3-1所示意，发现光屏上呈现出由各种颜色组成的彩色光斑，并以红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫为序排列，紫光偏折得最大，红光偏折得最小。

接着牛顿以严谨的科学态度做了三个实验：

实验一：让阳光通过三棱镜被分解成有序排列的彩色光带，并把这种现象叫作色散。

实验二：把分解的某一色光再经过三棱镜，则该色光不再分解，并把这种现象称作单色光。

实验三：最后把分解出来的所有色光统统再经过三棱镜，它们又复合成原来的阳光，并把这种现象称作复色光。

是牛顿首先用逻辑关系严密的三个实验事实，让人们无可辩驳地确信阳光是由红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七种色光组成的。

红、绿、蓝三种色光，是无法用其他色光混合而成的，这三种色光通常称为光的三基色。把三基色光按不同比例混合，就可以获得各种不同的色光，自然光中多数都是复色光。例如，数码照相机、摄像机、彩色电视机中的图像所呈现出五彩缤纷的画面，就是由光的三基色按照不同比例混合而成的复色光所形成的。这与自然中物体发出的声音，也多数都是多频率组合的声音一样。

这一事实再一次证明了自然中事物的多样性和统一性的辩证观点。

5．光的颜色是由什么因素决定的？

我们在前面已探究到声音的音调，是由物体振动的频率决定的。

如果同学们学会使用类比的方法，应用自然中的物质既是多样的，又是统一的观点，提出“光的颜色可能也是由组成光的微粒振动的频率所决定的”猜想，那就非常值得赞赏。因为这种猜想涉及历史上科学家们曾对光的本质的探究。历史上，科学家们就曾对光的本质提出了两种猜想，一是“波动说”；二是“粒子说”，并形成了两大派，争论了很长时间，最后还是科学家爱因斯坦用“事物总是具有两面性”的辩证观点，统一了两大派科学家的争论。他提出为什么就不能说光既具有“波动性”，又具有“粒子性”呢？科学研究表明，光的颜色的确是由光子的振动频率所决定的。因此，同学们在学习物理的过程中，要培养自己大胆猜想的意识和精神，进而训练自己科学猜想的能力。

在这里，我们还能领悟到科学家爱因斯坦站在辩证唯物思想的制高点上，“一览众山小”的效果。

这也是我们强调要让同学们吸纳并接受辩证唯物思想观点的原因。

3.2 探究光的反射规律

本节通过“观察光的反射现象”和“探究光的反射规律”两个活动，提出问题，引出光的反射概念，以及用光线来描述光的反射现象中的入射光线、反射光线、法线、入射角、反射角等概念，进而归纳出光的反射规律。

本节学习要点

● 认识光的反射规律。

● 知道镜面反射和漫反射是本质相同，但效果不同的反射现象。

● 了解光反射现象的应用。

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1．光的反射规律是怎样得出的？

前面我们曾说过，“任何观察实验都不可能揭示事物的本质”。

从“光的反射”实验观察中，我们只能收集到光反射的一些特征和某些量值之类的证据，而收集到的这些证据必须进入大脑加工，即通过理性思维的过程，才能得出结论。课本中“金钥匙”栏目中介绍的“一般说来，规律是在实验的基础上，对实验证据进行分析和归纳得到的，归纳就是从实验事实中找出因果联系的一种理性思维方法”正是这一理性思维方法在帮助我们揭示光的反射规律这个本质。可见，光的反射规律是通过观察实验和理性思维两个过程得出的。这一事实说明人类只有从感性上升到理性，才能揭示事物的本质。

2．怎样认识镜面、镜面反射和漫反射？

所谓镜面，指的是物体光滑的平面。

例如，平静的水面、光滑的黑板和桌面等，均可称作镜面。

不要误认为只有平面镜的镜面才是镜面。

所谓镜面反射，指一束平行光投射到镜面上，光按照光的反射规律，对称地反射出一束平行光的现象。

不要误认为只有平行光射到平面镜上，才会出现镜面反射。

所谓漫反射，指一束平行光投射到粗糙不平的物体表面上，同样也是按照光的反射规律，只不过将平行的入射光向各个方向反射，进而使平行光分散变弱的现象。

不要误认为漫反射不遵循光的反射规律。

3.3 探究平面镜成像特点

本节通过“镜前观像”和“探究平面镜成像时像与物的关系”两个活动，引出实像和虚像概念，分析归纳出平面镜成像时，像与物的关系。进而说明平面镜的应用、凹面镜和凸面镜的作用及其应用。

本节学习要点

● 知道平面镜成像时像与物的关系。

● 认识实像和虚像，并能区分它们。

● 认识各种面镜（平面镜、凹面镜、凸面镜）的特点，了解它们的一些应用。

● 在希腊古奥运遗址奥林匹亚，用凹面镜点燃圣火的原理以及意义。

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1．怎样认识实像和虚像？

课本上把能够呈现在光屏上的像，叫作实像，把不能呈现在光屏上，只能用肉眼观察到的像，叫作虚像。这里说的虚像，指不是实际光线到达光屏上所形成的像，而是通过平面镜的反射光进入我们眼睛，并在眼睛的视网膜上所成的像。但是，在视网膜上所成的像均是实像。

因此，课本上说的“只能用肉眼观察到的像”这句话，必须要跟前面“不能呈现在光屏上”这句话联系起来理解。

总之，实像是实际光线会聚形成的，而虚像则是实际光线的反向延长线会聚形成的。

不论是实像，还是虚像，它们在我们眼睛的视网膜上所成的像，都是实像。

2．怎样认识自然中的对称美？

对称是自然与生俱来的，并被人类直觉到的一种质朴的美。

例如，自然界中蝴蝶美丽的双翼，人类和各种禽兽的五官肢体，甚至皮毛上的纹理，都蕴含着对称的因素。可见，对称美赋予了世界灵动的生命。

光的反射以及平面镜成像中像与物的对称，就是自然中最质朴的一种对称美的表现。于是，人类模仿大自然在建筑上体现对称美。

如北京的紫禁城、故宫建筑群以中轴的对称，堪称中国建筑的瑰宝，它们让我们体验到祥和与庄严之间的协调美。摩天大楼、桥梁等的对称，体现出现代生活节奏的韵律美。这里再一次证明大自然是人类最伟大的导师。

3．怎样才能快速判断互成角度的平面镜成像的个数？

当两个平面镜之间的夹角为θ时，根据数学归纳的方法，我们得出物体在两个平面镜之间所成像的个数为个。但是，能否同时看到这么多像与观察者眼睛的位置有关。

4．在希腊古奥运遗址奥林匹亚，用凹面镜点燃圣火的原理以及意义在哪里？

图3-2为2016年里约奥运会点燃圣火仪式的部分壮观场景。

圣火点燃的物理原理并不复杂：利用正午12点强烈阳光平行入射到凹面镜上以及凹面镜聚焦（聚集光能）的作用，使焦点处的温度升高到足以让火炬点燃的程度。

但是，点燃奥运圣火的意义却大大超出火炬被点燃的最简单的物理原理。

圣火象征了古希腊的文明，传递了人类更高、更快、更强的奥林匹克精神，体现了人类渴望宽容、团结、和平的奥林匹克价值观的实现。

人们坚信无论是在人类中出现的恐怖与战争，还是在自然中发生的各种重灾大难，它们都永远熄灭不了大慈大悲的太阳神点燃的圣火，也永远阻止不了圣火对更高、更快、更强的奥林匹克精神和宽容、团结、和平的奥林匹克价值观的永恒传承。

这就是信仰的力量，它支撑着、激励着和鞭策着人类永不放弃这一崇高的追求！

3.4 探究光的折射规律

本节通过“观察光的折射现象”和“探究光的折射规律”两个活动，引出光的折射以及用光线描述光的折射中折射光线、法线、入射光线、折射角和入射角等概念，进而归纳出光的折射规律。

最后再列举生活中和自然中光的折射现象。

本节学习要点

● 认识光的折射规律，并能用它解释自然和生活中光的折射现象。

本节学习支架

怎样认识光的折射规律？

当我们再一次用前面“学习物理的八个理念”中提到的“大自然总是要尽可能地使其系统内部的能量耗损降低到最低为止，以确保其系统结构的稳定与和谐”这一特性来认识光的折射现象时，同学们就会有“居高临下，一览众山小”的愉悦。

例如，水总是从高处往低处流，趋向水平状态才能稳定；热总是从高温处向低温处转移，趋向温度相等的热平衡状态才能稳定；物体的重心越低，越稳定；各种流线体在运动中的能量损耗最小，也是最稳定的结构。

这些现象，统统都是上述的自然特性在诸多方面的具体表现。

同样，光在两种不同物质中运动也是如此。

例如，光在水中运动的速度比在空气中慢，于是，当光从空气进入水中时，便自然又精准地选择出一条折射结构的线路，如图3-3所示，并把光程长的一段留在空气中，进而使光在这两种物质中均能保持光程最短的匀速直线运动。这样，既节省了时间，又节省了能量，同时也确保了光在这两种物质中运动，其线路结构的简单、和谐与稳定。

如图3-3所示，AO与OB 是光在空气和水中所选择的路程最短的直线，且光把更多的时间留在速度更快的空气中运动，这样，比沿着AB直线运动更节省时间和能量。同样，人类学习大自然，建造环城高速，其中道理跟光的折射规律相似。如图3-4所示，因城中红绿灯、行人和道路堵塞等因素的影响，故汽车穿城而过的速度比环城的速度要慢。

这里再一次证明，大自然懂得如何节省时间和能量，知道怎样才能维持其系统结构的简单、和谐与稳定。难怪爱因斯坦说：“世界赋予的秩序和谐，我们只能以谦卑的方式不完全地把握其逻辑的质朴性的美。”他又说：“一切科学工作都要基于这种信仰，确信宇宙存在并应该有一个完全和谐的结构。今天，我们比任何时候都没有理由让自己人云亦云地放弃这个美妙的信仰。”

3.5 奇妙的透镜

本节通过“观察透镜对光的作用”和“测量凸透镜的焦距”两个活动，引出描述透镜的主光心、光轴、焦点（虚焦点）、焦距等一些主要概念。认识平行主光轴的光线通过凸透镜折射后会聚在主光轴上的一点，就是凸透镜的焦点。知道凸透镜具有会聚光的作用，凹透镜具有发散光的作用。学会测量凸透镜焦点的方法。

本节学习要点

● 认识各种透镜和描述透镜的一些主要概念。

● 知道凸、凹两种透镜的功能，了解它们的一些应用。

● 会测量凸透镜的焦距。

本节学习支架

1．怎样认识凸、凹透镜的会聚和发散作用以及透镜的实、虚焦点？

只要我们将两只三棱镜如图3-5所示的两种方式放置，便可理解它们为什么一个具有会聚作用，一个具有发散作用。

凹透镜发散光线的反向延长线的交点，就是凹透镜的虚焦点，凸透镜会聚光线的交点就是凸透镜的实交点，虚、实焦点均落在主光轴上。

2．怎样认识透镜的光心和主光轴？

在透镜中总是有这样的一个点，当光不论从哪个方向射入并通过透镜中的这个点时，光的传播方向不会发生改变。那么，这个点就叫作透镜的光心，如图3-6中“0”所示，图中跟虚线所示的透镜中心面垂直的带箭头的光线，也就是当将透镜竖直放置时，水平穿过光心的光线就是主光轴。透镜具有光心、主光轴和焦点等非常重要的性质，它们能决定透镜成像的虚实、大小和正倒。

3.6 探究凸透镜成像规律

本节安排了一个较为完整的“科学探究凸透镜成像规律”的内容。

本节学习要点

● 经历科学探究过程，熟悉科学探究的七个基本要素，学会科学探究。

● 熟悉并理解凸透镜成像的规律。

● 认识放大镜，了解放大镜的功能。

本节学习支架

怎样用做光路图的方法来寻找凸透镜成像的规律？

前面我们学习了“通过透镜光心的光线，其方向不变”, “平行于主光轴的光线一定通过透镜另侧的焦点”。那么，根据几何知识，两条直线交叉便可确定一点的位置。于是，我们便可利用这个几何知识，采用作光路图的方法尝试寻找凸透镜成像的规律，进而证明实验探究的结论是正确的，如图3-7所示。

3.7 眼睛和光学仪器

本节通过“研究近视眼镜和远视眼镜”“认识照相机”“认识显微镜”和“认识望远镜”四个活动展开，目的是让同学们认识科学探究凸透镜成像规律的价值，即它的用途极其广泛。

本节学习要点

● 知道大自然为人类造化的眼睛是一部无与伦比的高级照相机。

● 知道远视和近视的校正方法和原理。

● 知道照相机、显微镜和望远镜的基本原理都是凸透镜的成像规律。

本节学习支架

1．人类从哪里获得灵感创造并研制出各种光学仪器？

人类是从大自然那里获得灵感，进而创造并研制出各种光学仪器的。

例如，大自然造化的人类眼睛，就是一台无与伦比的最灵敏、最高级的照相机。它通过视神经系统把所摄取到的信息，快速传递到大脑进而产生视觉。同时，又能及时灵敏地通过晶状体自动调节焦距，进而在视网膜上形成清晰的像。大自然还赋予人类一副大脑和一双灵巧的手，让人类发挥想象，通过探究、创造、发明，进而研制出人类眼睛所不及的各种光学仪器，如，放大镜、眼镜、显微镜和望远镜等。

因此，同学们要尊重大自然、热爱大自然、保护大自然，恭恭敬敬地拜大自然为老师！

2．世界上发明第一台望远镜的人是谁？

伽利略1609年发明了世界上第一台能放大32倍的天文望远镜。

他在一根管子两端各放置一凸一凹两个透镜，眼睛贴近凹透镜观察远处物体，物体被移近了许多。于是，他利用这台望远镜发现了一些新的天体。这为当时被封建教会所封杀的哥白尼、布鲁诺的“日心说”给予了有力的支持。因此，1611年宗教界发出警告，不准宣传他的发现，并处罚他终身监禁在家里。图3-8就是伽利略发明的第一台望远镜的实物照片。图3-9是伽利略望远镜的结构示意图。

本章值得思考与探究的问题

1．请列举出关于光的直线传播原理应用的3个实例。

2．光速和声速相差非常大，请用光速与声速之间的差距，自编一道物理问题（问答题和计算题均可）。

3．古诗中有“举杯邀明月，对影成三人”的佳句，请从科学和文学两个方面来说明这一佳句的含义。

4．图3-10中“隐身术”用到了相互成直角的平面镜和花墙板，请说出其中的光学原理，并根据这一原理制作一个微型的隐身装置，隐去布娃娃的下身，只留下布娃娃的头部，并在班级展示“隐身术”的微型装置。

5．商场卖水果的地方，常在水果的后面安装平面镜的作用是什么？

6．白光进入三棱镜后，分解出来的各单色光在三棱镜另一侧的位置有什么不同？什么色光的位置在最上方？什么色光的位置在最下方？请根据这个事实猜想一下，其中的原因可能是什么？

7．冬天，我们在火炉旁看到物体被扭曲的现象，其中的原因是什么？

8．让我们就地取材，从近视的同学那里取下一副近视眼镜，再从爷爷或奶奶那里借一副老花眼镜，参照图3-11所示的方式进行以下尝试：

将两副眼镜前后位置对调，反复调整两镜之间的距离，直到看清远方的物体。请把观察到的现象记录在下面的方框中。

9.1969年，阿波罗11号飞船登上月球时，在上面安装了一个重30千克的反射器。这个反射器能够把任何方向入射的光线都向后转，即沿原来方向反射回去。在地球上用强度足够强的激光发射器与接收装置，记录激光从射出到返回原点的时间，就能非常精确地计算出地球到月球的距离。假设你是这个项目的总工程师。

（1）请构思、设计这个反射器，并说明它的原理。

（2）如果记录激光从射出到返回原点的时间是2.56秒，请计算出地球与月球之间的距离。

10．图3-12是达·芬奇著名的画作《最后的晚餐》。画面中间是耶稣，两边分列12位门徒。你能从光的色彩、明暗和人物的姿态和面部表情上，指出叛徒犹大在画中的位置吗？请试一试。