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100902光学现象
光學現象
光 通常指能引起人視覺的電磁波。
廣義上講,光指全部電磁波。
至今爲止,人們知道的電磁波最短波長爲10-15米左右,最長爲107米左右,整個波長範圍稱爲電磁波譜。
其中,能引起人視覺的部分,頻率在3.9×1014赫到7.7×1014赫之間,稱爲可見光。
其餘不能直接引起人的視覺,只能借助儀器來進行觀察或測試,如紅外光(線),紫外光(線)等,叫不可見光。
從頻率範圍看,可見光只是整個電磁波中很小的一部分(如圖)。
發光體 能夠發光的物體。
通常指發出可見光的物體,也稱光源。
在茫茫宇宙中,有無數星體在常年累月地發光,我們把這類發光體叫天然發光體。
其中,對地球影響最大的是太陽,它每時每刻給地球帶來光和熱。
太陽的總輻射能量約爲3.83×1023千瓦,其中爲地球吸收的約爲1.74×1014千瓦。
另一類發光體是人工發光體。
最原始的人工發光體就是在人爲控制下的燃燒物,如火把、油燈等。
在人類發展史上,長時期使用燃燒物作爲照明用。
直到19世紀70年代末,T.A.愛迪生發明了白熾燈,人工發光體才走過了漫長的路程,向前跨進了一大步。
進入20世紀後,隨著科學技術的發展,人工發光體越來越先進,使用也越來越廣泛。
(見“光源”)
光源 能發光(電磁波)的物體。
通常指能發出可見光的物體。
可見光一般用於照明,不可見光一般用於工農業、醫療、通訊和科技方面。
光源分天然光源和人造光源兩大類。
人造光源的演變過程大致是:
19世紀以前,主要是燃燒的物體,如火把、油燈、蠟燭、煤氣燈等。
19世紀有了電光源,20世紀初製成氣體放電光源,50年代後,又製成放射性同位素光源和場致發光燈,60年代出現鐳射光源。
常見的人造光源主要有:
①熱輻射光源。
利用熱能激發的光源。
指原始的人工光源、弧光燈、白熾燈、碘鎢燈等,主要用於室內、室外照明。
②氣體放電光源。
利用氣體放電發光。
如低壓汞燈,高壓汞燈、氙燈、鈉燈等,主要用於室內、室外照明及各種攝影等。
③鐳射光源。
由原子受激輻射産生,具有高單色性、高定向性、高亮度性、高相干性等優點。
如固體、液體、氣體雷射器。
主要用於工農業、科技、醫療、通訊等方面。
另外還有發光二極體等。
在幾何光學中,能成像的物也稱爲光源。
它可以是自身發光的物體,也可以是其他光源照射而發光的物體,還可以是像。
太陽是一個巨大的光源 太陽是一顆碩大、熾熱的星體,每時每刻都在輻射出巨大的光和熱,其中約有22億分之一爲我們地球吸收,成爲地球上光和熱的主要源泉。
太陽發出的驚人的光和熱已經持續了幾十億年了,它使用的不是一般的可燃物,也不是一般的燃燒,而是太陽上極爲豐富的氫元素。
在太陽中心高溫(一千五百萬度)、高壓下,這些氫元素的原子核發生熱核反應,結合成氦,發出大量的熱。
這種反應從太陽內部到太陽表面持續不斷,使整個太陽成爲一個巨大的火球。
據推測,就是在太陽表面,溫度也在6000℃以上。
光是一種電磁波,是由物質內部原子的輻射産生的。
任何物質都有輻射現象,溫度越高,輻射越強。
我們日常所見的白熾燈,溫度超過1500℃時就可輻射出白光。
太陽表層的溫度高達6000℃以上,在這樣的高溫下,太陽輻射十分激烈,産生耀眼的光芒。
太陽內部核反應所消耗的氫,在太陽上極爲豐富,還可以供太陽持續使用幾十億年。
即使太陽上的氫全部使用完畢,人類總可以找到替代的光源。
因此,大可不必爲之擔憂。
紅外線 在電磁波譜中,可見光紅端與微波之間的電磁波。
又稱紅外光。
它的波長範圍約在7.0×10-7~1.0×10-3米之間。
由英國天文學家W.赫謝爾在1800年發現。
一切物體都在向外發射紅外線。
紅外線不能引起視覺,但它有極強的熱效應,較強的穿透能力和化學效應。
紅外線的這些特點被廣泛應用於工業、農業、國防和科技。
如在一般的攝像機上加上一個紅外探測器,黑暗中、水中或被霧遮擋的物體發射出的紅外線被攝像機的探測器接收,通過光學系統和掃描系統就可得到物體的圖像或照片。
這種攝像機甚至可以對人或物剛離開時留下的痕迹攝像或照相,在人體疾病診斷、材料探傷、敵情偵察上都有很高的實用價值。
現代生活中的紅外線烤箱就是利用紅外線的熱效應製成的。
紫外線 在電磁波譜中,可見光紫端與X光線之間的電磁波。
又稱紫外光。
它的波長範圍約在5.0×10-9~4.0×10-7米之間。
紫外光不能引起人的視覺,它是1801年德國物理學家裏特發現的。
紫外線能使照像底片感光,對多種物質有熒光作用,對生物有殺滅作用。
利用它的熒光作用,能激發不同物質發出不同顔色的光。
如常見的日光燈就是利用紫外線激發熒光物質發光的光源。
在醫療、保潔上利用紫外線來消毒,殺滅細菌。
如醫院裏將洗滌後的衣物、醫療器件等再用紫外線照射進行消毒。
養殖場所、食品加工部門也往往對人或物體用紫外線進行短時照射,進行消毒。
在工業、農業上紫外線的用途也很多。
一切高溫物體都能發射紫外線。
太陽是紫外線的主要發射源。
過強的紫外線,對人體的皮膚和眼睛有害。
因此不能用太強的紫外線照射人體。
大氣層中的氧和臭氧幾乎全部吸收了太陽紫外線。
所以保護臭氧層是人類保護環境的重要任務。
鐳射 原子核受激輻射時發出的光束。
原子核在受激輻射時,産生的光子性能(頻率、發射方向、初相位等)與入射光子相同。
這樣一個入射光子在受激輻射時,産生兩個光子,如此反復,使光大大加強,形成強光束。
鐳射的發現較晚,其理論是1917年科學家愛因斯坦提出的,50年代末得以實現,取名萊塞。
1960年世界上第一台紅寶石雷射器製成。
此後相繼出現各種類型的雷射器。
鐳射有很多突出的優點:
單色性高,即鐳射的波長一致。
如紅光的波長範圍爲6.0×10-7~7.0×10-7米,差別爲10-7米。
一束鐳射的波長差別只有10-17米;方向性強。
鐳射發射時的發散角極小,把它射到月球上,仍然很集中;亮度高。
由於鐳射波長單一,發射集中,它在極小的範圍內可以得到極高的亮度,目前已使用的大型脈衝鐳射,其亮度在太陽亮度的1014倍以上。
另外,鐳射在偏振性、相干性等方面也都具有突出的優點。
鐳射的上述優點,使其在各行各業都得到廣泛的應用。
鐳射的應用 激光輻射具有高定向性、高單色性、高相干性、高亮度及可調諧等優點,突破了以往光輻射的種種局限性,因而在科學、技術各領域得到廣泛應用。
①在工農業技術科學方面。
利用鐳射的高功率密度進行非接觸特種加工,如鐳射打孔、焊接、印刷及資訊儲存等。
利用其高單色性及可調諧性,化學上進行光學合成、光學提純、同位素分離等。
利用其高定向性可進行准直測量、軍事上進行制導。
鐳射是非常高頻率的相干電磁輻射,可用以作爲載波進行鐳射通訊。
與無線電通訊比,它具有資訊容量大、通訊距離遠、保密性高及抗干擾性強等優點。
使用光導纖維則不受氣候影響,直徑1釐米的光纖可同時傳送一萬多個電話。
雷射雷達和精密測量已投入使用。
鐳射全息術正在許多領域應用。
②在醫學、生命科學方面。
鐳射手術刀、鐳射針灸及輻照燒灼已普遍使用。
利用鐳射與生物體相互作用的各種效應,可研究細胞的生長變化規律,瞭解新陳代謝、遺傳、發育等生命過程。
各種鐳射診斷儀器,如鐳射顯微光譜分析儀,鐳射顯微鏡,鐳射血球計數儀等正在醫學和生命科學發展中表現出特殊效用。
鐳射治療疑難病症(如癌症)也正在開展。
③在軍事科學方面。
現在激光輻射武器的研製引起了各國注目。
利用輸出能力很強的雷射器,可摧毀敵方導彈、飛機、軍事衛星等,還可用來干擾、破壞敵方偵察、監視設備中的光學元件,使之失靈。
目前正在研製的X射線鐳射作戰衛星,不需精確瞄準便可一次摧毀多個目標。
此外,鐳射可産生超高溫、超高壓、超高速、超高場強等極端物理條件,便於人們去發現和研究新現象、新問題,及驗證科學上已有的結論。
因此,鐳射在基礎科學研究方面已被廣泛應用。
光的直線傳播 光沿直線行進的過程。
光在真空中沿直線傳播,光在同一種介質中也是沿直線傳播的。
人類最早記載光的直線傳播是我國春秋戰國時期,著名自然哲學家墨翟,他在其著作《墨經》中,對影、半影和小孔成像都作了完整的記載。
一百年後,歐幾裏德也指出光是直線傳播的。
光從一種介質進入另一種介質時,在其交界面要發生反射和折射。
反射光線和折射光線也是沿直線傳播的。
在幾何光學中,我們用直線表示光線和光線沿直線傳播的方向。
光速 光在真空中的傳播速度,用字母c表示。
它是物理學的基本常數之一。
目前,國際上公認的光速值是c=299792458±0.1米/秒。
在一般的使用中,取c=3.0×108米/秒。
光在介質中傳播時,其速度小於c,其大小與介質的性質即折射率有關。
光速被認爲是宇宙間物質運動的極限。
最早對光速進行測定是17世紀初,由於當時技術和測試手段的限制,測出的數值誤差較大。
到1849年,法國物理學家A.H.L.斐索用齒輪法首次在地面實驗室中成功地測出光速數值爲3.12×108米/秒。
1850年法國實驗物理學家傅科改進實驗方法,測得光速數值爲2.98×108米/秒。
1926年美國物理學家A.A.邁克爾孫測得的數值爲2.99796×108米/秒。
1927年,美國的埃文森通過鐳射頻率和在真空中的波長,根據c=fλ得到光的速度值爲c=299792458米/秒,這個數值被推薦爲目前光速的公認值。
隨著科學技術的發展和測量方法的改進,光的速度c將越來越精確。
由於光就是電磁波,所以電磁波在真空中的傳播速度也是c。
廣播、通訊用的無線電波是電磁波中的一種。
我們經常講,通過廣播、電視、電話、傳真能把某一個資訊在瞬息之間傳到世界上的任何一個地方,就是因爲電磁波以c這個極限速度在空中行進的原因。
影 光源發出的光,照射到不透明物體時,在物體的後方形成的暗區。
光源可以看作是由很多發光點組成的。
每個發光點都在物體後面形成影區,所有發光點的共同影區叫本影(圖中的A區)。
本影區完全沒有光線照射到。
在本影區的週邊,有部分發光點發出的光線照射到,部分發光點發出的光線照射不到,這部分區域叫半影區(圖中的B區)。
影在生産、生活中有很多應用。
在時鐘未發明之前,人們就是利用影來記錄時間和節氣的變化。
在一個有刻度的石盤中心處置一指標,利用太陽照射時,指標影子的指向,從刻度盤上得到時間或節氣的讀數。
這種儀器叫日晷。
晷就是太陽影子的意思,我國故宮中還保存有不少這種古代的計時儀器。
人們在日常生活中用以遮陽的傘、帽子就是影的應用。
照像、外科手術的無影燈也是影的應用。
日食 太陽被月球遮蔽的現象。
用光的直線傳播可以解釋這種現象。
如圖甲,月球在繞地球運行的過程中,三者處於同一直線或接近同一直線時,太陽上射來的光線,一部分被月球擋住,在地球上形成影(圖甲中的abcd,圖乙中的A區和B區)。
其中,bc爲本影區,ab、cd爲半影區(相對應的A區和B區)。
這時處在地球上bc區域內的人看不見太陽射來的光線,太陽完全被月球擋住,叫日全食。
處於ab、cd區域內的人,能看見太陽的一部分,叫日偏食。
顯然越靠近A區,偏食的程度越大。
由於月球繞地球運動的道軌不是一個圓,它離地球的距離時近時遠。
在月球離地球較遠時,産生如圖所示的情況。
這時,月球的本影未及地球,它的本影的延長部分在地球上形成一陰影。
這個陰影天文學上叫僞本影。
處於僞本影區的觀察者,能看見太陽的周邊部分,好像一個光環,這叫日環食。
日全食、日偏食、日環食統稱爲日食。
可見,日食的産生,從現象上看,是直線傳播的太陽光被月球遮擋而引起的。
下表列出1992年後,將要發生的日食的情況。
表 1992~2010年我國所能看到的日食
月食 月球進入地球的陰影,月面變暗的現象。
用光的直線傳播可似解釋這一現象。
如圖當太陽光直射地球時,在地球的另一面形成一條影帶。
這條影帶分爲本影和半影,本影區內沒有太陽射來的光,半影區內有太陽射來的部分光。
當月球沿軌道MN運行進入半影區時,叫半影月食。
部分進入本影區,叫月偏食。
全部進入本影區,叫月全食。
半影月食、月偏食、月全食統稱爲月食。
下表列出1992年後,將要發生的月食的情況。
表1992~2010我國所能見到的月食
光的反射定律 在光的反射現象中,確定反射光線方向的定律。
是幾何光學的基本定律之一。
光入射到兩種介質的分介面時,有部分返回原介質中,這種現象稱爲光的反射現象。
反射定律的內容是:
反射光線位於法線和入射光線所決定的平面內;反射光線和入射光線分別位於法線的兩側;反射角r等於入射角i。
若將光線沿反射線射入,這時的入射角爲r,根據反射定律,反射角爲i,反射光線必然沿原入射光線射出。
可見,在反射現象中,光路是可逆的。
鏡面反射 光線經光滑平面發生的有規則的反射現象。
它遵循反射定律。
如圖,當一束平行光線入射到鏡面MN時,由於各點的法線是平行的,所以反射光線也是平行的。
鏡面反射也叫鏡反射或規則反射。
漫反射 光線射到物體粗糙的表面時,無規則地向各個方向反射的現象。
如圖,當一束平行光線射到粗糙表面MN時,每條光線都遵循反射定律,由於粗糙表面上各點的法線方向不同,光線反射後,沿不同的方向射出,形成漫反射。
大多數物體表面是粗糙的,由於漫反射的作用,我們能從各個方向看到它。
平面鏡 反射面爲平面的鏡。
根據光的反射定律,平行光線經平面鏡反射後仍爲平行光線,會聚光線經平面鏡反射後仍爲會聚光線,發射光線經平面鏡反射後仍爲發射光線(如圖)。
光點發出的發散光線經鏡面反射後,反射光線的反向延長線相交於一點(如圖(3)),這一點是發光點S的像。
物體(光源)通過平面鏡所成的像是虛像,與物等大、正立,左右倒置,並與鏡面距離相等。
平面鏡成像可用作圖法求得。
如圖。
物體ABC置於平面鏡MN前。
從A點引出任一光線AO交平面鏡於O,根據反射定律。
AO的反射光線爲OP,OP的反向延長線爲OQ。
再從A向鏡面作重直光線AR,由於垂直入射的光線它的反射線沿原路反射回來,其反向延長線交OQ於A′,A′點就是A點的像。
根據像、物與鏡面對稱等距的特點,分別作B點、C點的像B′、C′,連接A′、B′、C′,A′B′C′就是物ABC的像。
當光線入射到鏡面MN時,如果保持入射光線不變,將鏡面轉過θ角,反射光線將偏轉2θ角。
這是因爲鏡面轉過θ角時,法線也轉過θ角。
設轉過θ角後,反射光線與原反射光線的夾角爲x,設鏡面轉動前後的入射角、反射角分別爲i、r,i′、r′。
因:
x=r+θ—r′=r+θ—(i—θ)=r—i+2θ,由於r=i,所以x=2θ。
利用這個特點,可將微小變化放大,光學上稱爲光杠杆放大作用。
使兩個以上的平面鏡固定保持一定的夾角叫角鏡。
現代建築在房屋裝飾時,常用角鏡。
物體通過角鏡可成多個像,改變鏡的夾角,像的個數可隨之改變,像個數n與鏡角的關係爲n=360°/α—1(α爲鏡夾角)。
如角鏡的鏡角α=90°時,n=360°/90°—1=4—1=3,即像的個數爲3。
平面鏡成像 見“平面鏡”。
虛像 反射光線或折射光線的反向延長線相交而成的像。
物體發出的光線經光學系統(面鏡、透鏡、棱鏡或它們的組合)反射或折射後,或會聚或發散。
當光線發散時,其反向延長線會聚形成與物體相似的圖景,這就是虛像。
放大鏡、望遠鏡、顯微鏡所成的像都是虛像。
虛像不能顯示在螢幕上,也不能使照像底片感光,只能用眼直接觀察。
平面鏡成像規律 見“平面鏡”。
潛望鏡 利用光的反射,改變光線的傳播方向,以觀察到人不能直接看到的物體虛像的儀器。
最簡單的潛望鏡是用兩塊鍍銀面相對平行的平面鏡組成(如圖)。
用全反射棱鏡(直角棱鏡)代替平面鏡,其效果更好。
如果將望遠鏡與潛望鏡組合起來,效果和用途就更大了。
潛望鏡主要用於軍事中。
如潛伏在坑道中的軍事人員,將潛望鏡的一個反射鏡面伸出坑道,在坑道內,通過另一個反射鏡面,就可以觀察到遠處的人或物。
如果在伸出坑道的反射鏡面前組合上望遠鏡,還可提高觀察的效果和增大觀察的範圍。
球面鏡 反射面爲球面的反射鏡。
可用以成像或改變光的傳播方向。
我國古代對球面鏡就有認識,其中,北宋科學家沈括對球面鏡的曲率和成像的大小關係有過詳細的論述。
球面鏡中,反射面爲凹面的稱爲凹面鏡,簡稱凹鏡;反射面爲凸面的稱爲凸面鏡,簡稱凸鏡。
如圖,過球面鏡頂點O和球面中心C的連線爲球面鏡的主光軸,簡稱主軸。
一束平行於主軸的光線射向凹鏡時,根據反射定律,反射光線會聚於主軸上的一點F(圖乙),F稱爲凹鏡的焦點。
由於F點是反射光線交會而成,稱爲實焦點。
當平行於主軸的光線射向凸鏡時,反射光線發散出去,但發散光線的反向延長線相交於主軸上的F′點,F′點是凸鏡的焦點,由於是反向延長線交會而成,故稱虛交點。
實焦點和虛焦點統稱球面鏡的焦點,焦點到頂點O的距
球面鏡的用途很廣。
利用凹鏡對光線會聚的特點製成太陽竈。
由於光路是可逆的,將光源置於凹鏡的焦點處,光線經凹鏡反射後,光線平行。
手電筒、汽車頭燈就是根據這一原理製成的。
利用凸鏡對光線的發散作用,將凸鏡安置在汽車上或馬路拐彎處,可以增大司機的後視面。
凹面鏡 見“球面鏡”。
凸面鏡 見“球面鏡”。
球面鏡的焦點 見“球面鏡”。
太陽竈 把太陽能作爲能源的一種裝置。
由於凹面鏡對光線有會聚,將凹鏡直對太陽光時,經反射後的光線會聚於一點這一點將産生很高的溫度。
採用適當的裝置,就可以利用這一點的高溫。
小的太陽竈用於家庭生活,如燒水、做飯。
一個反射面積爲2m2的太陽竈,在太陽輻射較強的時候,15分鐘,可使3千克左右的水(常溫水)沸騰。
具估算,這樣的太陽竈,如每年使用200天,5年內,可省煤1500千克。
探照燈 一種用於遠距離照明用的裝置。
如圖,它是由抛物面反射鏡(面鏡的一種)、放在它焦點處的強光源、殼體、轉動機構和底座組成。
從光源發出的光線,經抛物面反射後成爲平行光線射向空中,其照明距離可達萬米以上。
探照燈主要用於航空、航海、軍事中,小型探照燈在工礦、建築等行業中也經常使用。
小孔成像 光源(物體)通過小孔所成的像。
西元前300多年,我國《墨經》中就已經對這種現象作過描述。
它是光沿直線傳播的最好證明。
小孔成像的原理如圖所示。
在光源(圖中的蠟燭火焰)A和螢幕C之間放置一擋板B,B上有一小孔。
在光源A上,a、b、c三點發出的光線經小孔後,射到螢幕上的a′、b′、c′三點,得到與光源同樣的像。
從螢幕上可知,這個像是倒立的實像。
光源通過小孔能否到清晰的倒立實像,取決於孔的大小。
孔太大只能到一個光斑,孔太小得到的不是像,而是其他圖樣。
太陽光照射樹木,有可在樹下看見許多圓形亮斑,這是太陽通過樹葉之間的小孔在地面上所成像。
墨翟 又稱墨子,約西元前468年~前367年,春秋戰國時期的思想家、治家,墨家學派的主要創始人。
他及其弟子的代表著作甚多,在其重要著《墨經》中,闡述了若干極其重要的自然科學成果。
如在物理學方面,他初步闡明了運動的相對性,力和運動變化的關係,杠杆原理等。
墨翟對光學的主要貢獻是光的直線傳播、光與影的關係,小孔成像、平面鏡成像規律,凹面鏡成像現象、凸透鏡成像規律等。
墨翟在光學上的貢獻是世界上最早對幾何光學的系統論述,比歐洲人早數百年。
針孔照相機 利用小孔成像原理製成的簡易相機。
一般認爲是照相術的先驅。
其結構和原理如下圖所示。
直徑相當的圓筒a、b,使a能吻合地插入b中。
a的一端用黑色紙板(或塑膠板)封閉,在其上打一個1~3毫米的小孔,另一端開口。
b的一端開口,另一端粘接一個能插進膠片的狹縫。
將a的開口端插進b的開口端,人眼通過b端的透明膠片觀看景物通過a端小孔在膠片上所成的像。
只要調節a、b的長度,可從b端膠片上觀察到前方物體在膠片上所成的清晰的倒立實像。
如果把透明膠片換成感光膠片,只要控制好曝光時間,膠片上就可留下物體的像。
針孔照相機沒有實用價值,但它所體現的小孔成像的原理早在我國戰國時期就被古人發現並加以說明,是我國古代對光學的一個重要貢獻。
光的折射現象 光入射到兩種介質的分介面時,部分光線從第一種介質進入第二種介質,行進方向發生偏折,這種現象叫光的折射現象。
如圖所示,折射現象遵循如下規律:
(1)折射線位於入射線和法線決定的平面內;
(2)折射線與入射線分別位於法線的兩側;(3)入射角i的正弦值與折射角r的正弦值之比爲一常數,即sini/sinr=n。
常數n的大小取決於兩種介質的光學性質及光的波長。
光在折射現象中,光路是可逆的。
當入射光線從真空(或空氣)射入任何介質時,入射角i總大於折射角r,所以折射光線總是向法線偏折。
根據光路的可逆性,當光線從介質射入真空(或空氣)時,入射角則小於折射角。
光的折射現象在幾何光學中佔有重要地位。
棱鏡 用透明材料(如玻璃、石英)製成的多面體。
是重要的光學元件。
棱鏡按形狀可分爲三棱鏡、直角棱鏡、五棱鏡等;按性質和用途可分爲折射棱鏡和反射棱鏡。
圖爲棱鏡中最簡單的三棱鏡。
光線入射和出射的平面叫側面,與側面垂直的平面叫主截面,三棱鏡的主截面是三角形。
兩個側面的夾角叫頂角。
如圖,當光線從空氣中經M點射入棱鏡時,根據光的折射規律,∠1>∠2,光線MN向棱鏡的底部偏折。
從N點進入空氣時,∠3<∠4,光線再次向棱鏡底部偏折。
偏折程度取決於組成棱鏡的物質和入射光的波長。
同一棱鏡,對不同波長的光偏折程度不同。
因此,白光通過三棱鏡後,分解成各種色光,在螢幕上形成一條彩色光帶。
透鏡 兩個側面爲折射面的透明體。
透鏡是將光線折射成像的光學元件。
如圖,透鏡的兩個側面或是球面,或一面是平面。
中央部分比邊緣部分厚的叫凸透鏡,因爲能會聚光線,又叫會聚透鏡。
凸透鏡按其形狀分爲雙凸、平凸和凹凸三種,常用如圖
(1)中d的符號表示。
凹透鏡按其形狀分爲雙凹,平凹和凸凹三種,常用圖
(2)中d的符號表示。
透鏡中,連接兩個側面曲率中心的直線叫透鏡的主光軸,簡稱主軸(圖中的C1C2)。
兩個側面與主軸交點之間的距離叫透鏡的厚度。
厚度與兩曲率半徑相比可以忽略的叫薄透鏡。
常用的透鏡中,絕大多數爲薄透鏡。
當光線通過薄透鏡的某一點時,方向不發生改變(如圖中的MN),這一點叫薄透鏡的光心(圖中的O),對雙凸或雙凹透鏡而言,光心位於它們的中心處。
通過光心的光線,可以有無數條,它們稱爲副光軸,簡稱副軸(圖中的MN)。
透鏡的用途很廣,大凡光學儀器中,都要使用它。
凸透鏡對平行光線的會聚作用 平行光線通過凸透鏡後,發生的會聚現象。
如圖,凸透鏡是中央厚、兩頭薄的透明體。
它可以看作是由棱鏡(兩頭是三棱鏡)和中間部分的透明柱體組成。
當平行光線射向凸透鏡時,相當於光線分別射向棱鏡和柱體,由於棱鏡對光線有偏折作用,光線都要向底部偏折,射向柱體的光線,方向不改變。
這樣,光線經過凸透鏡偏折以後,將發生會聚。
如果凸透鏡上下對稱,偏折以後的光線,將會聚於一點。
凹透鏡對平行光線的發散作用 平行光線通過凹透鏡後,發生的發散現象。
如圖,凹透鏡是中央薄兩頭厚的透明體,它可以看作是兩頭的棱鏡和中央部分的透明柱體組成。
當平行光線射向凹透鏡時,相當於光線分別射向棱鏡和柱體,由於棱鏡對光線有偏折作用,光線都要向底部偏折,射向柱體的光線,方向不發生改變。
這樣,光線通過凹透鏡折射後,將發散出去。
如果凹透鏡上下對稱,發散出去的光線也是對稱的,它們的反向延長線,將會聚於一點。
透鏡的焦點 平行光線經透鏡折射後,折射光線(或反向延長線)的交點。
折射光線的交點稱爲實焦點,折射光線的反向延長線的交點稱爲虛焦點。
如圖,由於凸透鏡使平行光線會聚,所以凸透鏡有實焦點,凹透鏡使平行光線發散,所以凹透鏡的焦點爲虛焦點。
設想平行光線從透鏡的另一側(與圖相反的方向)射向透鏡,折射後的光線(或反向延長線)仍會相交於一點,所以透鏡有兩個焦點。
根據光路的可逆性,當光線自凸透鏡焦點發出,經凸透鏡折射後,折射光線平行。
同樣的道理,一束將會聚於凹透鏡焦點的光線,經折射後,折射光線也是平行光線(如圖)。
上面所說的平行光線,是平行於主軸的光線,經折射後,折射光線(或反向延長線)的交點都在主軸上,這樣的焦點稱爲主焦點。
如果入射光線不與主軸平行,而與副軸平行,折射後的光線(或反向延長線)仍會相交於一點,這一點不在主軸上,稱爲透鏡的副焦點。
(如圖)。
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