黑板光学
Blackboard Optics
几何光学是以光线为基础、研究光的传播和成像规律的一个重要的实用性分支学科。在几何光学中，把组成物体的物点看作几何点，把它所发出的光束看作无数几何光线的集合，光线的方向代表光能的传播方向。在此假设下，根据光线的传播规律，在研究物体被透镜或其他光学元件成像的过程，以及设计光学仪器的光学系统等方面都显得十分方便和实用。
我们将介绍一种被称之为黑板光学的演示实验系统，它可以方便地演示几十种几何光学实验现象，是课堂教学的好帮手。
常用的反射镜有平面镜、凸面镜、凹面镜等，曲面透镜主要有双球面凸透镜、单球面凸透镜、双球面凹透镜、单球面凹透镜等。它们看似简单，用途却极其广泛。特别是它们的组合，可以组成多种光学系统。
实验装置
1.光源，该光源能产生5束平行光束，光源外盒的一个面上装有强磁性磁钢，可稳定把光源盒吸附在金属面黑板上。
2.凹面镜，该凹面镜镀有反射膜，它装在带有磁钢的支架上，能吸附在金属面黑板上。
3.凸面透镜，它同样装在带有磁钢的支架上，也能很方便地吸附在金属面黑板上。
现象观察
1.光源盒吸附在黑板上，光束出射方向上吸附装有凹面镜的支架，如图1所示。接好光源的电源，稍做调整。仔细观察入射光线和反射光线，可以看到：尽管入射凹面镜的光线是平行光，但反射光并不交于一点——近轴光线交于近点，旁轴光线交于远点，可见点物成点像的理想成像条件被破坏。
图1 光源与凹面镜演示图
2.把凹面镜支架换成凸面透镜支架，如图2所示。接好光源的电源，稍做调整。仔细观察入射光线和透射光线，可以看到：入射到凸面透镜的光线是平行光，透射光基本可认为交于一点，该点就是凸面透镜的焦点。凸面透镜的折射光成像时，点物成点像的理想成像条件虽同样被破坏，但它在满足近轴条件的情形下，仍可较好地成像。
图2 光源与凸面透镜演示图(www.xing528.com)
现象解密
反射光成像不论是实像或虚像，能理想成像的只有平面镜，即所谓的点物成点像。凹面镜虽然也同样遵守反射定律，但由于是球面反射，法线都通过圆心，对于离轴距离不等的平行光线，入射角都不相同，因此反射光就不可能交于一点。
透镜成像则遵守折射定律，理想成像条件已经被破坏。事实上，如果我们把图2中的单球面平凸透镜旋转180°，即平面面向入射的平行光，则成像质量大为降低：近轴光线交于远点，旁轴光线交于近点，这种现象被称为球面像差。球面像差是5种单色像差之一，顾名思义，是由于透镜的表面是球面引起的。在光学仪器制造过程中，球面像差是必须要消除的。
应用拓展
黑板光学实验系统可演示多种光学实验，设备简单，操作方便，演示效果十分明显。图3给出部分演示用光学器件，这些实验可应用于高中物理课堂教学等。图4给出了部分实验照片。
图3 实验中其他几种常见的透镜等
图4 部分实验照片
思考题
1.焦点与像点是不是同一类型的点？
2.一块透镜通常存在哪些缺点？
3.为什么只用一块透镜不能作为照相机的镜头？
4.测量一块单凸透镜的焦距，误差大概在什么范围？
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