光學儀器(如照相機、投影器、顯微鏡、雙眼望遠鏡、望遠鏡等)極大地拓寬了我們觀察世界的視野。眼鏡使數以萬計的人可以舒適的閱讀或看事物。你有沒有想過是哪一種光學元件使這一切成為可能?答案是一個簡單的透鏡。透鏡是一塊由兩個面組成的并且其中至少一個是曲面的透明材料。
擁有兩個向外突出的球面的透鏡被稱為雙凸透鏡或凸透鏡。這種透鏡的邊緣較中間薄。擁有兩個向內彎曲的球面的透鏡被稱為雙凹透鏡或凹透鏡。這種透鏡的邊緣比中間厚。讓我們了解一下一些與透鏡相關的術語。
透鏡的中心被稱為其光學中心。通常由字母O表示。對于凹透鏡和凸透鏡,每個表面形成球形的一部分。通過光學中心并通過球面中心的直線被稱為透鏡的主軸。主軸與透鏡的表面垂直。球面透鏡的有效直徑被稱為透鏡的孔徑。他決定了能有多少光線穿過透鏡。在這里,我們需要限制對薄鏡片的討論,因為薄鏡片的孔徑較其曲率半徑小。
讓我們理解光線透過凸透鏡時發生折射的基礎。可以認為凸透鏡中心由許多帶有極小玻璃調板的三棱鏡排列組成。每個棱鏡的底指向透鏡的主軸。我們知道光線射入棱鏡后折射向棱鏡的底后射出。
現在,讓我們觀察一下當光線與主軸平行射入透鏡時會發生什么?我們可以觀察到這些光線在射入和射出透鏡時發生了折射。首先,它們會向著各自棱鏡的底彎曲,然后向著主軸射出。因此,在光線通過透鏡折射后,它們會在透鏡主軸另一側的一個點會聚。這個點被稱為透鏡的焦點或主焦點,通常用F表示。在這里,折射線實際上在焦點相會;因此,凸透鏡具有實焦點。因為凸透鏡能夠會聚射入其中的光線,所以又被稱為會聚透鏡。
我們能夠看到穿過棱鏡最頂端和最低端的光線折射最大,并且越靠近主軸的光線折射越小。這是因為頂端和底端(讀錯)的棱鏡折射面間的角度最大。越靠近主軸,該角度越小。這就使光線的折射相應減小。在中心,光線不會發生折射,因為玻璃表面是平行的。穿過光學中心的光線射出時不會偏離原先的路徑。
一片表面向外彎曲的并且能夠使射入其中的光線會聚的玻璃被稱為凸透鏡。從光學中心到焦點的距離被稱為透鏡的焦距,焦距用f表示。依據符號規定,凸透鏡的焦距是正值。
表面具有較大彎曲弧度的厚鏡片可以使光線產生更大折射,因此,其焦距更短。因此,較厚的凸透鏡的會聚能力更強。
讓我們觀察一下如果與主軸成一定角度的平行光束射入透鏡會發生什么。在折光通過凸透鏡后,它們會折射到焦點所在平面內的某個點。穿過所有這樣的點并與主軸垂直的平面被稱為透鏡的焦平面。
如果與主軸平行的光線攝入這種透鏡會在透鏡另一側形成什么?這種透鏡對(多讀會)從另一側射入的光線具有相同的作用。因此,凸透鏡擁有兩個焦距,通常用F1和F2表示,一個焦點在透鏡的一側,另一個透鏡的另一側,并且兩者與光學中心的距離相等。
依照光的可逆性原理,穿過凸透鏡焦點的光線在透鏡的另一側射出時,其方向與主軸平行。已經了解凸透鏡對不同光線的作用,現在讓我們觀察一下是怎樣形成的影像。因為物體的不同位置,凸透鏡會在不同位置形成大小和性質不同的影像。因此,這些透鏡被應用于照相機、望遠鏡等以形成我們看到的影像,有趣的是,我們的眼睛也是一種透鏡。透鏡是一片擁有兩個表面,其中至少一面彎曲的折光介質。
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