光线和光束

　　1、光线和光束

　　光线和光束是几何光学的基本概念，也是讨论光学器件成像问题的基础，因此有必要先对光线和光束作些说明和讨论。

　　（1）光线

　　表示光传播途径的有向几何线称为光线。光是一种波动，在各向同性介质中，光线是垂直于波阵面的直线。例如，从点光源发出的光，它的波阵面是以点光源为中心的球面，它的每条光线则是以点光源为中心的球的径线；在远离光源的地方，光在小范围内的波阵面趋于平面，每条光线近似于相互平行的线。

　　光线只是一个数学抽象，是一个几何概念，光线表示光传播的方向，也是光能量传播的方向，光线不是光束，不能把很窄很细的一束光叫做光线（留待后文说明）。

　　初中光学不涉及光的波动本性，因此教材是先讲光（在均匀介质中）沿直线传播，而后才这样写道：

　　“由于光是沿直线传播的，我们就可以沿光的传播路线画一条直线，并在直线上画上箭头表示光的传播方向。这种表示光的传播方向的直线叫做光线。”

　　这段叙述，突出光线的两个要点：

　　其一，光线代表光的传播路线，表示光的传播方向。

　　其二，光线是画出来的一条带箭头的线，隐含着：光线是一条有向的几何线。

　　在不涉及光的波动本性时，这种讲法基本上突出了光线概念的基本要点。限于学生的接受程度，这样定义光线的概念，是初中阶段讲授概念的较好方法。

　　在研究面镜、透镜以及由此组成的光学仪器等实际问题时，借助于光线的概念以及一些实验定律和几何定律，可以很简便又相当准确地解决问题。这种不涉及到光的本性问题，仅以几何定律和某些实验定律为基础的光学，称为几何光学或光线光学。

　　研究光的波动性的光学，称为波动光学。几何光学所研究的对象实际上就是波动光学中当波长趋于零的极限情况，几何光学属于波动光学的一部分。

　　（2）光束

　　具有一定关系的光线的集合，也就是光波波阵面的法线的集合，称为光束。

　　如果光束中所有光线本身或其延长线交于同一点，这种光束称为同心光束。同心光束可分为发散光束、会聚光束和平行光束三种，平行光束的光线交点位于无限远。在均匀的各向同性介质中，发散光束和会聚光束与球面波相对应，平行光束与平面波相对应，如图3－1所示。

　　如果光束中所有光线或其延长线不交于同一点，这种光束称为非同心光束。本书“水中物体成像问题”专题中，对于水下点光源所发出的元光束，斜向人射水面、其折射光束就是非同心光束，这种不相交于一点而又有一定关系的光线的集合，又称像散光束。

　　中学阶段不讨论像散问题，只讨论与同心光束有关的问题。从图3－l可知，在平面上表示同心光束至少要用两条光线，这两条光线常常用来表示同心光束的轮廓线；反之，两条光线就可以表示一同心光束。

　　（3）光线和光束的教学问题

　　光线和光束是几何光学的基本概念，是讲授几何光学基本定律和讨论光学器件成像的基础。光线表示光传播的途径，几何光学中的光路就是用光线来表示的，讲授光的反射定律和折射定律时，用光路图来表示光传播方向变化的情况；讨论各种光学器件成像的光路图，则是用几条光线（光线的集合）来表示光束经过光学器件前后，顶角大小的变化（发散或会聚）与顶点位置的变化可见，讨论几何光学的各种问题，离不开光线和光束这两个基本概念。

　　基本概念的教学，历来是中学物理教学的重点和热点在此，就初中光学有关光线和光束的教学，谈几点意见，和大家一起讨论。

　　①教学应紧扣教材，不要随意拔高和加深，但教师本人应做到心中有数。

　　限于学生的接受程度，初中物理教学中有些问题，无法作严格的定义和透彻的说明，而教材中又出现这些词语，教师在教学中更是要经常用到它。对这类教学问题，笔者认为宜采取“含蓄”“模糊”的办法处理，但教师本人应做到心中有数。

　　“光束”概念就是这类问题的一个代表，教材没有对它下定义，但教材中却有光束这个词，教师在教学中更是多次要用到它。所谓“含蓄”“模糊”的处理办法，就是在教学中教师也不对它下定义，更不去追求定义的严谨与科学，只要使用无误就尽管使用这个词（概念）。

　　“光线”概念是这类问题中的另一个代表，教材已经对它下了一个附合学生接受程度的定义，教师不必再拔高和加深，只按此定义讲授即可。因为，不切合学生实际的拔高和加深，不仅对学生的学习无助，反而可能扰乱学生的思维，增加学生的负担；其次，某些重要概念的深刻理