光与像（上）

我们凭借视觉感知周围世界的模样，欣赏风景，辨别方向，找准目标。然而，令人想不到的真相是，人眼所见到的一切并非真实的世界，而只是它们的“像”而已。

眼睛如何看世界

有的物体自身就能发光，我们称之为光源。像太阳、萤火虫、发光的鱼，它们在自然界本来就存在，属于自然光源；而工作的电灯泡、燃烧的煤气灶火焰，是人类加工形成的，属于人造光源。不能发光的物体，我们也能看到，是因为它们反射的光进入了人眼。

眼睛看物体遵循两个原则：一是只认进入眼睛的光线，而不问它从哪里来；二是迎着进入眼睛的光线反向找到相交点，默认这个“相交点”就是光的出处。比如S点发出的光线进入了人眼，人眼迎着光线，将光线反向延长，找到相交的S点（图1a），大脑认为光就是由S点发出的。如果S点是在平面镜前的，镜面的反射光线也会进入人眼（图1b），光线的反向延长线则交于S＇点，大脑会认为光是由S＇点发出的。客观上并没有S＇点，但人“真实”地感受到了。这个S＇点就是平面镜所成的虚像，大小与S点相等，和S点关于镜面对称（或者说成它们的连线与镜面垂直，到镜面的距离相等）。

实像与虚像的共同点是眼睛都能“看到”（其实是都有光线进入人眼），不同点是实像能呈现在光屏上，由实际光线相交而成；虚像不能呈现在光屏上，由实际光线的反向延长线“相交”而成。

所以，眼睛本身并不能区分物体、实像、虚像。我们之所以能区别它们，靠的是生活中获得的经验。

“潭清疑水浅”的奥秘

光从一种透明介质斜射入另一种透明介质时，在界面将改变传播方向，即发生折射。折射的基本规律是“哪边大，哪边大”——光在哪种介质中的传播速度大，在这种介质中，光线与法线的夹角就大。

假定水下的鱼A 发出的光线（或反射的光线）从水下斜射入空气时，在水面发生折射，折射光线会远离法线（空气中的光速大于水中的光速）。当这些光线进入人眼，人就“看到”了水下的“鱼”——A＇，这个A＇就是折射形成的虚像。因为折射角大于入射角，所以在人的视觉中，虚像的位置被抬高了（图2）。水下的每一个物体，在水面上的人看来，位置都是抬高的，所以水看上去变“浅”了。因此，有经验的渔民用鱼叉叉鱼时，要往看到的“鱼”的下方叉。

实际上射到水面上方的光线，它们的反向延长线并不能相交于水下同一点，所以从水面上方看到的水下虚像轮廓模糊，并不清晰。

不用到河边，在家就可以体验“潭清疑水浅”。在碗底放一枚硬币，眼可以看到；然后人往后退，直到刚好看不到硬币为止。让另一名同学往碗中加水（注意：慢慢加，不要让硬币移位），水面上升到一定位置时，你又能看到“硬币”了（图3）。你应该知道，看到的其实是硬币被抬高的虚像。换成看压在玻璃板下面的字呢？同样的道理，看到的也是位置被抬高的虚像。

如果把玻璃板竖起来，透过玻璃板看远处的物体呢？看到的是物体被拉近的虚像，而不是物体本身！

同样，地球之外的物体发出的光线射向地球时，由于介质不均匀，光线经过了多次偏折才进入人眼。当我们逆着光线将反向延长线相交来寻找物体时，看到的也都是虚像。是的，你从来没有看见过真正的太阳、月亮，看到的都是它们的虚像。

归纳一下，当反射形成虚像时，反射光线的反向延长线必定经过“像”；当折射形成虚像时，折射光线的反向延长线必定经过“像”。这对我们掌握光路作图非常有用。

探究小孔成像

这里的“小”，是相对物体到小孔距离与光屏到小孔距离来说的。如果把地面当作光屏，把太阳当作物体，那么树叶间的缝隙就可以看作“小孔”。夏天，浓密的树荫下，常见到地面上有圆形光斑，就是太阳通过树叶间的缝隙在地面所成的倒立、缩小的实像（图4）。

通过示意图，很容易理解小孔成像的原理。

物体两个端点A、B发出的光，通过小孔后沿直线传播，A点发出的光照射到光屏下端，形成像A＇；B点发出的光照射到光屏上端，形成像B＇。物体上所有点的像便组成了物体的像A＇B＇（图5）。这个像是实像——由实际光线相交而成的，能呈现在光屏上。光的直线传播导致像倒立。

我们在家里就可以探究小孔所成的像的大小与什么因素有关。

用大头针在黑纸上扎个孔，尽量让孔的周围保持平滑。在黑纸两侧分别放置白纸（光屏）和烛焰（物体）。关灯、拉窗帘，实验环境越暗越好。当观察到白纸上有烛焰倒立的像时，改变烛焰到小孔的距离或白纸到小孔的距离，会看到像的大小也发生变化。规律也是“哪边大，哪边大”——若烛焰到小孔的距离大于光屏到小孔的距离，则烛焰比像大；若光屏到小孔的距离大于烛焰到小孔的距离，则像比烛焰大。当然，像的大小与物体的大小也有关系。

（责任编辑：白玉磊）