去掉光屏在哪儿能看到像？

何艳阳

一、问题的提出

在做“凸透镜成像规律”实验中，谈到实像时，教师们经常会问学生这样一个问题：我们是利用光屏来接收和观看像的，如果去掉光屏，在光屏的位置用眼睛看，能否看到像？很多教师给的答案是：可以看到，因为眼睛的视网膜也相当于光屏，用视网膜代替光屏，所以能看到。一位教授在讲课中也提到了这个问题，他指出：在原来光屏的位置看，是看不到像的，能看到像的位置应该在其后面明视距离以外。我又上网查了一些这方面的文章，有的文章中提到：不用光屏，实像依然存在，只要站在实像后方逆着像点射来的光线观察，就能看到实像。上面三种说法都认为去掉光屏能看到像，不同的是，对看到像的位置说法不同。究竟哪种说法对呢？还是先通过实验检验一下吧。

二、实验探究

我在实验室做了如下实验：在光具座上依次摆放点燃的蜡烛、凸透镜、光屏。调整光屏的位置找到清晰的像。去掉光屏，在光屏的位置用眼睛观察，却看不到清晰的像。从光屏的位置向前移动，看到的是模糊不清的烛影；从光屏的位置向后移动，最初，在一定范围内看到的是倒立的不太清楚的像，继续后移，当移动到距原光屏位置较远以后，就能看到倒立的、清晰的像了。我又改变物距重做了几次实验，并记录了相关数据（如表1所示）。

通过该实验我们发现：去掉光屏，在原来光屏的位置是看不到清晰的像的，要在距离原光屏位置25cm以外才能看到清晰的像。

三、理论分析

带着这个问题和实验结果，我又问了一位物理特级教师，他指导我从理论上对上述现象进行了分析。

如图1所示，通过作图，我们可以找到物点A的像点A′，由于所有射向透镜的光线经折射后都将会聚于像点A′，没有光屏的情况下这些折射光线继续直线传播，所以用眼睛能看到A的像点的范围应在图2中的EA′F内；同理，能看到物点B的像点B′的范围应在图2中的C B′D内，所以人眼能看到AB完整像的范围应在图2中的EOD内。实像A′B′作为眼睛晶状体的“虚物”在视网膜上再次成像（图2中未画出），这个视网膜上的像距离“虚物”A′B′的距离应大于或等于一般人的明视距离25cm，如果不同人的明视距离不同，眼睛的调焦能力不同，不同人能看清楚像的位置会有些不同，应大于或等于自己的明视距离。所以不用光屏而直接用眼睛看，只能在原光屏右侧的部分区域（图2中的EOD内）并且距离原光屏位置为人的明视距离以外才能看清像，即能看到像的范围如图3中的阴影部分。

四、新问题的提出

既然实像A′B′作为眼睛晶状体的“虚物”在视网膜上再次成像，我所看到的“像——虚物”应该就在原来光屏的位置，为什么在前面的实验中我感觉是在透镜里看到的像呢？

这位特级教师解释说：如果在实验中调整你的视线，不让透镜的外框等因素干扰，光线适合，应该能在原光屏的位置看到像。

五、再次实验的发现

在前面的实验中，我并没有在“空中—原光屏的位置”看到像，而是通过透镜看到的。所以我又带着怀疑的心情重新做了实验。在这次的实验中，刚开始似乎只能通过透镜才能看到像。于是我有目的地在原光屏的位置去找像，我不断向后移动眼睛的位置，并不断改变参照物，当盯住原光屏的底座和烛焰的像而忽视透镜的存在时，我确实看到了悬在空中的烛焰的倒像！慢慢地左右移动眼睛时，我发现这个像始终在原光屏的这个位置不动。

说实话，教了十多年的书，我还是头一次这样换个角度去看这个实验。看到了以前没有看到或没有注意到的现象——空中的烛焰。但要看到上面“虚物”的效果并不太容易，需要实验条件和观察者的意志力，还需要有一定的观像技巧，并注意观像范围等。

为了让实验效果更加明显，我尝试着做了如下改进：在纸箱的一侧挖一个比透镜直径略小的圆孔，用胶带把透镜粘在圆孔处，使得黑色边框被挡住，只露出透明镜片，纸箱对应的另一侧剪下一部分以不挡住蜡烛为宜。这样再重新做上面的实验时，已经不用太多的意志力即可看清上面的现象，并且效果更为明显了。

六、新的设想

在分析实验的过程中，我又有了新的设想：将上面的实验装置继续改进（如图4所示），用不透光的材料将物与透镜封装起来，使透镜处于黑暗的环境中，照亮物体，测好距离，让人站在图中阴影区域观察，就会有这样的实验效果：你在某区域看到空中有一个物体，当你用手去抓，却什么都没有抓到（中国科技馆中就有类似的小实验）。当然，利用凹面镜成实像也可以这样观察。我们可以通过这样的实验帮助学生观察“实像”，既能加深学生对所学知识的理解，又能提高学生的学习兴趣。

（本文发表在《物理通报》2011年第12期）