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1、用心 爱心 专心 初二物理初二物理寒假专题寒假专题 光学光学上海科技版上海科技版 本讲教育信息本讲教育信息 一 教学内容 寒假专题 光学 主要内容 专题 1 镜子小史 专题 2 平面镜作图题解题指导 专题 3 时钟问题 专题 4 我国古代的光学成就 专题专题 1 镜子小史 镜子小史 古代人类最初是从江河池水中看到自己的形象的 因此曾有过以水为镜的阶段 在江 河池水中看像 受自然条件限制 刮风 下雨时水面不平 或水流浑浊就看不清像了 于 是从生活经验中发展到用器皿盛水照像 这就是 水镜 最早是用陶盆盛水来看自己的形 象 我国西安半坡村出土的原始社会的文物中 就有用来盛水的陶器 后来有了铜盆 又
2、用铜盆盛水 利用 水镜 只能俯首看像 不能抬头 到了青铜时代 由于铜面能反光 人们便直接用铜面照像 由此产生了铜镜 战国时期 由于社会生产关系发生大变革 各 种工艺技术发展很快 铜镜制作技术不断提高 铜镜背面多用浅浮雕或镶嵌金银丝 做出 各种图案 成为精美的工艺品 青铜镜在我国用了三千多年 直到清朝末年才被玻璃镜代 替 玻璃镜是 600 多年前威尼斯人发明的 他们首先制作出了平玻璃板 接着发明了在平 玻璃板上镀金属 制成了镜子 起初玻璃板上镀的是锡和水银的混合物 水银蒸气有毒 对人有害 现在制镜用的是化学镀银工艺 也有镀铝的 专题专题 2 平面镜作图题解题指导 平面镜作图题解题指导 一 作图依
3、据的原理 1 光的反射定律 1 反射光线与入射光线 法线在同一平面上 2 反射光线和入 射光线分居在法线的两侧 3 反射角等于入射角 2 平面镜成像的特点 1 平面镜所成的像和物体到镜面的距离相等 2 像与物体 的大小相等 3 像与物体的连线与镜面垂直 二 作图的规范化要求 1 平面镜的反射面和非反射面不能混淆 平面镜的非反射面要画上短斜线 2 实际光线 入射光线和反射光线 要画成实线 并用箭头表示光行进的方向 实物用 实线表示 3 虚像 法线和光的反向延长线要用虚线表示 4 为了表示实物和虚像的对称点 实物和虚像都要标上箭头或字母 5 要符合光的反射定律和平面镜成像的特点 三 平面镜作图题的
4、类型和解法 1 确定平面镜的位置 1 根据入射光线和反射光线位置确定平面镜的位置解这类题的一般程序 找到入射光线和反射光线及其交点 用心 爱心 专心 画法线 根据光的反射定律知 反射角等于入射角 所以反射光线与入射光线的角 平分线即为法线 画平面镜 平面镜与法线垂直 例 1 太阳光与水平面成 45 角 照射到地面上 为了使光线成水平照到右边的墙上 地面上的平面镜与水平面应成多大的角度 本题的解答过程如下 如图 1 1 首先画水平面 以虚线 B B 表示 画带箭头的入射光线 AO 交 B B 于 O 根据题 意 反射光线应沿 B B 画带箭头的实线 OB 表示 则 AOB 180 45 135
5、作 AOB 的平分线 EO 则 i r 135 2 67 5 作 EO 的垂线 MN 即平面镜镜面位 置 此时镜面与水平面的夹角 NOB NOE r 90 67 5 22 5 2 根据像和物的位置确定平面镜的位置 例 2 在图 2 中 S 为发光点 S 在平面镜中的像点 在图中画出平面镜的位置 分析与解 根据平面镜成像规律中 像和物的连线跟镜面垂直 它们到镜面的距离相 等 这一特点 S 和 S 的连线的垂直平分线即为平面镜镜面位置 如图 2 例 3 如图 3 所示 A B 是物体 AB 在平面镜中所成的像 请你在图中画出平面镜的位 置 并用短斜线标出平面镜的背面 保留确定平面镜位置的有关线段
6、分析 本题是将例 2 的像点 S 换成了像 A B 物点 S 换成了实物 AB 其作图方法一 样 只需将物 AB 与像 A B 的任一对称点 比如 B B 连接起来再作 BB 的垂直平分线 MN 即可 2 确定物的位置 例 4 某发光点 S 发出的两条光线经平面镜反射后分别沿 O1A 和 O2B 方向射出 根据平 面镜成像规律 在图 4 中画出发光点 S 的位置 具体步骤 用心 爱心 专心 分析与解 1 根据光的反射定律 由 O1A O2B 这两条反射光线可分别作出与它们相 应的入射光线所在的直线 这两条直线的交点即入射光线的交点 也即为发光点 S 的位 置 具体步骤 作平面镜的法线 O1M
7、和 O2N 用铅笔作入射光线所在直线 O1S1和 O2S2 其交点 S 即为发光点的位置 最后由 S 向 O1和 O2作带箭头的入射光线 SO1和 SO2 如图 5 分析与解 2 将两条反射光线 O1A 和 O2B 用虚线反向延长 相交于 S S 即为像点的 位置 作出 S 关于镜面的对称点 S S 即为发光点的位置 过 S 点补画入射光线 SO1及 SO2 图 6 3 确定平面镜中像的位置 例 5 根据平面镜成像的特点 在图 7 中画出物体 AB 在平面镜 MN 中所成的像 分析与解 如图 8 所示 从 A 点任选两条入射光线作出它们的反射光线及反射光线 延长线的交点 A A 即是 A 在平
8、面镜中的像 用同样的方法作出 B 在平面镜中的像 B 用虚线连接 A B 并在 A 上加一个箭头 此时的 A B 即为 AB 在平面镜中的像 4 确定观察范围 例 7 用作图法在图 9 中作出人眼 A 通过平面镜 MN 所能观察到的范围 用心 爱心 专心 分析与解 过平面镜两端点 M N 作法线 画反射光线 MA 和 NA 根据反射角等于入射角画出入射光线 CM 与 BN CB 即为人眼能观察到的范围 专题专题 3 巧解时钟问题 巧解时钟问题 在学习初中物理 平面镜 一节内容以后 很多资料中出现下面的时钟问题 在平 面镜中看到时钟的指针如图所示 那么此时是什么时刻 对此问题许多同学感到有一定
9、困难 现将几种解法归纳如下 供同学们学习时参考 解法一 反看正读法 从题目纸的背面看图 采用常规的读数方法 容易读出此刻为 11 35 解法二 正看逆读法 按逆时针方向读数 图上的数字也相应按逆时针方向从小到大排列 不难读出此时为 11 35 如图一所示 解法三 十二扣除法 将时钟上的时间按常规读法读出时间后 再从十二中减去这个时刻即为实际时刻 如 图二所示 常规读法时间为 0 25 则实际时间为 12 00 0 25 11 35 解法四 对称法 平面镜成像特点之一是像与物左右颠倒 因此可以根据轴对称图形的性质得出结论 即该时刻为 11 35 专题专题 4 我国古代的光学成就 我国古代的光学成
10、就 我国古代光学以其辉煌成就震惊了世界科学界 也给我们留下深刻的启迪 一 光的直进性和小孔成像 春秋战国时期 墨家学派所著 墨经 的 经下 18 条记载了世界上最早的针孔成像 实验 景到 倒 在午有端 与景长 说在端 此处 景 即影或像 到 即倒 午 指遮光屏 端 即小孔 这句话的意思是 物体的影或像所以倒转 是由于屏上有 一点状小孔 入射光线在孔中相交的缘故 墨经 的 经说 还就倒像的形成机理作了说 明 景 光这人 煦 照 若射 下者之人也高 高者之人也下 足蔽下光 故成景于 上 首蔽上光 故成景于下 意思是说光照人 人体反射后如同箭一样直进 通过 针孔在屏幕上见到的人之下部在高处 人的上部
11、在低处 其原因在于 发自足部的光线被 用心 爱心 专心 遮去了下面部分 所以成影在上 发自头部的光线被遮去了上面部分 所以成影在下 如 图所示 宋元之交的赵友钦也研究过小孔成像 因其方法及意义而放在后面专门介绍 二 平面镜反射及成像 墨家学派在其所著 墨经 中首先研究了光的反射 经说 景 日之光 反烛人 则景在日与人之间 通常日光照人之影在来光方向的另一侧 但若日光经平面镜反射之后 再照人体 则影落在太阳与人体之间了 这是一个演示光线反射的绝好实验 如图所示 墨经 还研究了平面镜成像 经下 21 条 临鉴而立景倒 这里的 鉴 指 平面铜镜 意思是说人若俯临镜子立着 平面镜水平放置 则所成之像是
12、头部朝下颠倒的 墨经 还描述了平面镜成像种种 指出像的形状 颜色 远近以及正倒都与物体相对称 也指出若物体移动像亦移动 物体距镜面近了像也随之变近 反之亦然 三 球面镜成像 墨家学派在所著 墨经 中记录了凹面镜成像的两种情况 经下 22 条 鉴洼 景一小而易 一大而正 说在中之外 内 此处 洼 即 凹 鉴洼 即凹面镜 中 是指球面中心与焦点之间的区域 这句话是说 凹面镜成像 一种情况是缩小而倒立 一 种情况是放大而正立 这是由于物处于 中 的外 内的不同而造成的 这一条是墨家实 验者从远处走近凹面镜时所观察成像情况的真实记录吧 经下 23 条记述了凸面镜成像 的实验 鉴团 景一 说在刑之大 经
13、说 鉴者近 则所鉴大 景亦大 其远 所鉴小 景亦小 而必正 是说凸面镜成像仅有一种情况 物体放在镜前无论距离远 所 都在镜后形成正立缩小的虚像 但像的缩小尺度却与物体的位置有关 物体靠近镜时 像相对大些 远离镜时像就小些 但都是正立像 对几何光学曾有过许多杰出贡献的北宋科学家沈括 也做过凹面镜实验 阳燧面洼 以一指迫而照之则正 渐远则无所见 过此遂倒 意思是说 当物 手指 在镜面与焦点 之间时成正像 在焦点时无像 在焦点以外时成倒像 应特别指出的是 沈括发现有一个 无所见 成像在无限远 的物体位置 焦点 并指出这一位置是正 倒像的分界点 这些都是墨家所不及的 四 制镜技术及其理论研究 在齐家文
14、化遗址出土的圆形铜镜是距今四千年的史前产物 夏 商 西周 铜制平面 镜更是大量制造 并由平面镜发展为球面镜 这些 为春秋战国时期的光学研究奠定了物 质基础 制镜技术的发展 诞生了登峰造极之作 西汉的 透光镜 这是一种青铜铸造 的面镜 能通过光线反射使屏幕上映出铜镜背面铸造的图案文字 透光镜及其制作方法于 西汉中 后期传到日本 到明朝前后日本也能制造了 并称之为 魔镜 但 魔镜 为什 用心 爱心 专心 么能 透光 这一问题在欧洲科学界整整争论了一个世纪却仍未找到答案 最早揭开 魔 镜 之谜的是北宋科学家沈括 在他的理论指导下 复旦大学和上海博物馆的研究人员终 于在 1975 年复制出具有 透光
15、性能的铜镜 使此失传的技艺重放光彩 对于透光镜能够反射背面花纹的原因 沈括认为 文虽在背 而鉴面隐然有迹 这 是说在镜的正面也有一幅与背面花纹相对应的图案 只是此图案痕迹太细微 人眼不能辨 识罢了 但当光反射在屏上时由于光程变大 长光程的放大效应就会在幕上显示出镜面的 图案 是什么原因使得 鉴面隐然有迹 呢 沈括认为是铸镜时冷却速度的不同所致 世有透光鉴 原其理 以为铸时薄处先冷 唯背文差厚 后冷而铜缩多 文虽在背 而鉴面隐然有迹 所以于光中现 其意思是铜镜的厚度并非均匀 铸造时有铭文图案的地 方较厚 冷却得慢 收缩程度大 无铭文图案的地方较薄 冷却得快 收缩程度小 这种 收缩率的差异就造成了
16、 鉴面隐然有迹 从而揭开了 透光镜 的奥秘 五 赵友钦的光学实验 宋末元初的赵友钦通过大型针孔实验 既论证了光的直进性 又说明了光源大小 强 度与针孔的大小 距离 以及像的大小 亮度之间的关系 实验装置实验装置 赵在楼下两个相邻房间地面各挖一圆形 直径 4 尺 旱井 左井深八尺右井深四 尺 左井内放一高四尺的桌子 将两个直径四尺的圆板密插 1000 支点燃的蜡烛后放在桌上 和地上作为光源 再在井口加盖其中心开孔的板 以楼上顶板为屏 如图所示 实验步骤 实验步骤 1 令光源 小孔 像屏距离不变 使两孔的大小不同 孔大者像明亮 孔小者像暗淡 其窍宽者所容之光较多 乃千景皆狭而迭砌稠密 所以浓 窍窄者所容之 光较少 乃千景皆狭而迭砌稀薄 所以淡 形象地说明了 景 的照度与孔径的关系 2 改变光源形状 像的形状也发生变化 例如将有井千烛光中的东边 500 支吹灭 楼板上的像在两边则变暗 这是 小景随日月亏食 的模拟实验 3 改变孔的大小和形状 孔小时 所成像和光源的形状相同 孔大时 所成像与孔 的形状相同而与光源形状无关 4 改变像距和物距 仅改变像距时 像的大小 照度随像距的变化而变化 像距
