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)知識基礎(chǔ)上進(jìn)一步學(xué)習(xí)光學(xué)應(yīng)用方面的知識．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．

從知識結(jié)構(gòu)看，*節(jié)介紹透鏡的基本知識、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)生實驗是理解透鏡成像規(guī)律的基礎(chǔ)，也是關(guān)鍵．教學(xué)中應(yīng)充分注意這一點，以免學(xué)生在學(xué)習(xí)時只是機(jī)械地套用公式或死記一些結(jié)論．

這一章的重點是透鏡的成像規(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)生對基本知識的理解和運用的情況．會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，有助于理解和運用知識解決物理問題．因此，在幾何光學(xué)的教學(xué)中加強光路圖的基本訓(xùn)練，對以后學(xué)習(xí)其他知識會有好處．

單元劃分本章可分為兩個單元．

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

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光線的會聚作用和發(fā)散作用的道理．

2．知道透鏡的主軸、光心、焦點和焦距等概念的含義．

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

說明：

1．由于學(xué)生在初中時就學(xué)過一些幾何光學(xué)的基本知識，因此如果上來就按步就班地講什么是透鏡的光心、焦點等知識，往往會使學(xué)生感到乏味，引不起興趣，因此對這些基本知識的理解、掌握也就不能更深入一步．為了引起學(xué)生的興趣，可利用實驗和提問的方法來學(xué)習(xí)這部分知識．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)生很可能會回答：凸透鏡對光線起會聚作用，凹透鏡對光線起發(fā)散作用．教師進(jìn)而可提問：這種會聚或發(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)生一起通過做實驗、復(fù)習(xí)，講解光心、主軸、焦點、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說明通過薄透鏡光心的光線方向不變的特點．

雖然學(xué)生在初中學(xué)過焦點、焦距的知識，但是他們對這些概念的理解應(yīng)該說是比較粗淺的，教師應(yīng)該運用前一章學(xué)過的棱鏡對光線的作用的知識幫助學(xué)生從道理上分析凸透鏡為什么對光線起會聚作用，凹透鏡為什么對光線有發(fā)散作用；前者的焦點為什么是實的，虛焦點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．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有什么不同？焦距反映了透鏡的什么光學(xué)特性等．只有對這些基本概念有正確的理解，才能在后面的學(xué)習(xí)中少犯錯誤，或不犯錯誤．

3．對于透鏡對光線的作用，應(yīng)使學(xué)生明白：凸透鏡具有會聚作用，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聚的．相應(yīng)地，凹透鏡對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，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，那么這種透鏡對光線的作用同玻璃透鏡對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，是否講這個知識應(yīng)當(dāng)視學(xué)生的具體情況而定，如果學(xué)生基礎(chǔ)較差，可能會因為講這部分知識而影響對課文所講玻璃透鏡對光線的作用的理解．

4．凹透鏡的虛焦點的概念是初學(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)律實驗雖然學(xué)生在初中做過，但是初中對這部分知識的要求是比較低的，另外時間也已過了很久．因此有必要同學(xué)生一起做此演示實驗或?qū)W生分組實驗．實驗前讓學(xué)生根據(jù)日常生活中已有的有關(guān)照相的知識或初中學(xué)過的知識回答物體在焦距和2倍焦距兩側(cè)不同位置時，像的位置、大小及虛實情況應(yīng)該是怎樣的，然后做實驗加以驗證．通過實驗應(yīng)使學(xué)生理解：焦點是像的虛實的分界點，2倍焦距處是實像大小的分界點．

同樣，要做好凹透鏡成像的演示實驗或?qū)W生實驗．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)生在初中時又沒有做過凹透鏡成像的實驗，所以要注意加強凹透鏡成像實驗的教學(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．會根據(jù)物與像的關(guān)系以及透鏡的基本知識，正確地畫單個透鏡成像的光路圖．

3．能應(yīng)用作圖法的知識解決有關(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)生樹立一個正確的物、像關(guān)系，在介紹特殊光線前，應(yīng)使學(xué)生對透鏡成像的概念有正確的理解．可結(jié)合點光源經(jīng)凸透鏡成實像和虛像的實驗進(jìn)一步說明，實像是通過透鏡的所有折射光線會聚于一點形成的；虛像是所有折射光線的反向延長線交于一點形成的．點光源經(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只要知道兩條由同一物點發(fā)出、經(jīng)透鏡折射后其光路為已知的折射光線，就可以確定該物點的像．而利用焦點和光心的性質(zhì)可知有三條特殊光線在作圖時是很方便的．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)生體會作圖時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)生只會根據(jù)三條光線作圖，而沒有真正領(lǐng)會物和像的關(guān)系．可在給學(xué)生布置或講解運用三條特殊光線作圖的問題的同時，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點發(fā)出的1、2兩條光線經(jīng)透鏡折射后分別過P、Q點，求像點在什么位置，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，即可求出像點的位置．

2．學(xué)生在作圖時常常犯凸凹透鏡符號不分、虛實焦點用錯、兩個焦點不知該用哪個、隨便找兩條光線的交點就認(rèn)為是像點等錯誤．老師在教學(xué)中應(yīng)有意識地在這些方面加強訓(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物點組成的，而每一個物點又與其像點有著一一對應(yīng)的關(guān)系。像點是由同一個物點發(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，而不同物點的反射光線或折射光線（或者它們的反向延長線）的交點不是像點。所有的像點組成了像。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，這個問題會變得更容易．

3．對于物在軸線上一點的成像問題，不好直接用三條特殊光線來作圖，因為此時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點的像P’，則過P’點垂直于主光軸的線段與光軸的交點S’即為S點的像．

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)用它們解決單個透鏡成像的有關(guān)問題．

3．理解放大率的概念，并能綜合運用透鏡成像公式的知識解答有關(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，正值對應(yīng)于實像，負(fù)值對應(yīng)于虛像．凸透鏡成像公式的運用一般可分兩類情況：一是知道所成的像的虛、實．若為虛像，公式中的p’為負(fù)值；若為實像，公式中的p’為正值．二是不知道所成像的虛、實．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)點是清楚、直觀、便于理解；公式法的優(yōu)點是、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，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，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，用公式法；分析比較復(fù)雜的成像情況時，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算過后，再用作圖法加以驗證．

＊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)過晶狀體等一個綜合的凸透鏡在視網(wǎng)膜上形成倒立、縮小的實像，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，像距會不同；而用眼睛觀看遠(yuǎn)近不同的物體時，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、近點和明視距離等概念．在講眼睛的近點時，可用簡單的方法讓學(xué)生測自己眼睛的近點．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，到看不清手上的指紋為止，此時手指到眼睛的距離基本上就是眼的近點．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，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)膜上的是一個倒立的實像，但是人的感覺卻是正立的實像，這是為什么？回答這個問題不能從光學(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，在視網(wǎng)膜上成的是倒立的實像，人們的感覺就是正立的實像：

＊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凸透鏡，一個是焦距很小的物鏡，一個是焦距長一些的目鏡．兩個凸透鏡的放置特點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時說：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于物鏡而言的．其實，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，而非整個天體．平行光線與主軸的夾角為用眼直接觀察天體時的視角，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)主要是兩個凸透鏡，這只是個簡化的說法．其實它們的物鏡和目鏡一般來說都是由兩個或兩個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．