张朋友

G633.7

大家对凸透镜成像并不陌生，凸透镜所成的实像实际上是折射光线会聚而形成的，我们都用光屏来承接，这时你会发现通过凸透镜所成的烛焰的像是在一个范围内都可以接收到的，而在这个范围内都很清晰，这是为什么呢？原来烛焰这个物体沿着主光轴方向是具有一定的“厚度”的，也就是说对应不同厚度的物点有着不同的物距，当然不同的物点在另一侧的成像的位置要有所不同，即像距不同，所以我们会在不同的位置（在一定的范围内）接收到烛焰的像。但是你仔细观察或思考就会发觉：在不同位置的像实际上只是烛焰所成的完整的立体的像的一部分，是烛焰所成像的一个垂直于主光轴的截面图（若光屏垂直于主光轴），而不是完整的烛焰的像。那么，如何去呈现完整的烛焰的像呢？如何使不同的角度的学生同时观察到烛焰的立体的完整的像呢？带着这种想法，我着手去进行了实验设计。这次的实验与以往的实验有所不同，以往的实验中像只是呈现在平面上，而这次我的目的是力图将像呈现的与原来的物体的形状相同，即得到一个立体的像，而且在不同的角度都可以观察到这个像。那么，这个立体的像用什么去承接呢？这是一个棘手的难题，于是我做了如下的探究：

方案一、用一个与主光轴方向垂直但可以沿着主光轴方向振动的普通光屏去承接。

这个想法的思路是：既然不同物距的物点成像的像距不同，便可以通过将光屏分别放置于距离凸透镜远近不同的位置就可以接收到不同位置的像了，通过对振动频率的调节和视觉的暂留特点，我们便可以看到一个立体的完整的像。要让光屏沿着主光轴方向振动并不难办到，可以利用电推子的原理，但这个方案只是做了一下思考，并没有付之于行动。原因其一是：大家都知道，我们的视觉暂留是有一定的时间的，当振动着的光屏，在不同的位置承接到烛焰的像时，时间间隔太大，就会造成不同位置的像在不同的时刻展现，达不到立体的效果；如果时间间隔太短，由于视觉暂留，我们的视觉还停留在前面的影像时，而后面的影像已经呈现在光屏上了，这会造成像无清晰的边界，最后只看到中间位置的像，无法看到最大像距和最小像距时的像。原因之二是：反射面的光屏的反射的方向是有限的，这会局限于某一特定的范围才可以看到像，其他的方向不能看到像。于是这一想法只是停留在用手实现模拟振动，并没有制作振动光屏。

方案二、用与主光轴垂直但可以沿着主光轴方向做弧线运动的光屏承接像。想法同方案一，又由于方案一的原因，搁浅。不过初步试验，发现效果比方案一要好一些。

方案三、用滚动光屏来承接像。

想法基于方案三，用一个安置在主光轴上的滚动光屏来承接成在不同位置的像，适当调节光屏的转动速度，可以接收到近似立体的像，但是可以观察到像的范围较小。

方案四、用烟室承接（或掺有少许牛奶的水来承接）。

这个方案的想法很完美，光可以在烟室中的不同位置会聚而成像，又因为光在小的颗粒上会发生散射，能使不同位置的学生同时看到散射的光，便可以从不同的观察位置看到像了。不同像距的位置均可以接收折射光线，所以物体的不同物距的物点同时可以成像在不同像距的位置，看来这个方案很好，可以很好地解决物体在不同位置同时成像和在不同位置同时观察的难题。但是实际效果真的如人所愿吗？非也，通过实验发现实际上并没有形成烛焰的立体的像，只是成像的位置的光变强，光线在烟室中形成了一个相对着的两个圆锥形。这是什么原因呢？分析如下：光線在烟室中，会聚到成像点之后，并没有截止到成像点位置，而是还在继续传播，这样便成了两个相对的圆锥的形状光带，没有形成立体的烛焰的像。尽管人们从不同的角度可以观察到光，但是光所成的像的轮廓不清晰，看不到立体的烛焰的像。（利用带有少许牛奶的水所做的实验与烟室实验相似，不再赘述）

虽然这次凸透镜成立体的可以多方向观察到的像的实验没有成功，但是在这一过程中的思考很是令人欣慰，围绕如何呈现立体的像，如何能从不同的角度观察到像来思考、设计不同的接收装置，然后做测试，最后还要理性地进行优缺点的分析，无疑体现了物理人的实验和探索精神、严谨的治学态度。我相信，在未来的某一天，新的构想会再次形成，新的验证会再次实现。改革实验的现状、不断地追求完美，我要身体力行，同时希望能给有幸读到我这篇文章的人一个勇于创新的激励。