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【第5.01讲】光的聚散

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【第5.01讲】光的聚散

同学们好!欢迎来到物理老师讲物理。

今天我们进入第5章,这一章我们专门讨论透镜。


说起凸透镜,你最熟悉的一定是放大镜。对,由于凸透镜能够放大图像,生活中“放大镜”一词几乎成了“凸透镜”的代名词。但是,凸透镜可不仅仅只有放大图像这一个功能。它的威力可大了。



《淮南万毕术》是我国西汉时期所著的,一本记录奇异变化的书,其中就记载了一种有趣的取火方法:

“削冰令圆,举以向日,以艾承其影,则火生。”

它说,把冰块削成一定的圆弧形,向着太阳举起,再将艾草放在它所形成的光影下,就起火了。冰火两重天,以冰取火,在两千多年前的先人看来,是一则匪夷所思的奇闻趣事。今天看来,不过是利用冰制的透镜聚光而已。


我猜,你肯定也试过用放大镜点火,在太阳下用凸透镜将阳光会聚到一点,形成一个很亮的光斑,在这个光斑处如果放些易燃物,很容易就起火了。这种点火方法,在野外没有其它点火装置的时候,还是很有用的。但同时,如果不注意,也会酿成大祸。


据报道,2015年2月26日上午10点多,大连市高新区某小区的房子突然失火,消防官兵经过近一个小时的扑救,才将火扑灭。事后调查发现,起火原因竟是阳台上放的一个装饰品,它是一个篮球大小的玻璃球。阳光通过这个玻璃球,聚焦在屋内的纸制品上,引发了大火。

你知道吗,在山林中,被随手乱扔的饮料瓶也会成为森林火灾的隐患。装了水的饮料瓶就是一个凸透镜,如果碰上合适角度的阳光,很容易点燃地上的枯树叶。


透镜有凸透镜,还有凹透镜。中间厚、边缘薄的是凸透镜;边缘厚、中间薄的是凹透镜。


说到凹透镜,你又会想到什么呢?很多同学戴的近视眼镜就是凹透镜。凹透镜对光有发散作用。


透镜的作用,本质还是光的折射。光线射入透镜发生一次折射,从透镜中射出时又发生一次折射,再结合透镜表面的弧度,两次折射的结果就能让光线会聚或发散。凸透镜对光有会聚作用,凹透镜对光有发散作用。


这里的“作用”二字要细细琢磨,它是相对于入射光,比较而言的。以会聚作用为例,只要折射光比入射光更聚拢,它就是起到了会聚作用。但这不等于说,折射光一定聚集于某一点。请看课程文稿的图1,图中的几种情况都属于会聚作用。光线经过凸透镜,有可能会聚于某一点,也有可能是平行光,还可能是发散的光束。

同样的,发散作用也是相对于入射光比较而言的。

图1:凸透镜的会聚作用


光说会聚作用和发散作用,还是太粗放了。如何定量描述会聚或发散作用呢?如果有两个透镜,如何比较它们的会聚或发散能力,谁更强呢?

要说明这个问题,需要先明确几个概念:

1.薄透镜:厚度远小于球面半径的透镜。

2.主光轴:通过透镜两个球面球心的直线叫作主光轴,简称主轴。如果作图,就是垂直于透镜的一条直线,常用点划线表示。

2.光心:主光轴上有一个特殊的点,经过这个点的光线不会被透镜改变方向,这一点就是光心。通常薄透镜的光心位于透镜的中心。

3.焦点:凸透镜能将沿主光轴方向的平行光会聚于某一点,这一点也在主光轴上,被称为焦点。

图2:凸透镜的焦距


有了上述知识,我们就可以比较两个不同的凸透镜了。用比较短的距离就能将平行光会聚成一点的,会聚能力更强。那些需要更长的距离才能会聚成一点的凸透镜,会聚能力更弱。这个距离,也就是焦点到光心的距离,我们称为焦距,常用英文字母f表示。焦距代表了一个凸透镜的会聚能力,凸透镜的焦距越小,对光的会聚作用就越强。

一般来说,凸透镜中间凸出得越厉害,会聚能力就越强,焦距越短。


现在,我提一个问题:如果在焦点处放一个点光源,它发出的光线通过凸透镜,会怎么变化呢?

我们前面学过“光路可逆”,在透镜中光路依然可逆。既然平行光通过凸透镜,会聚于焦点,那么焦点处发出的光线,就会反过来,变成平行光。有些探照灯或汽车大灯,在光源前安装一套凸透镜,就可以使发散的光线变成平行光。

图3:凸透镜的光路


那么,凹透镜有没有焦距呢?

也有的,凹透镜的焦点是平行光线被发散后,反向延长线的交点。同样,焦点到光心的距离就是凹透镜的焦距。关于凹透镜的焦距,大纲上没有要求,你了解一下就可以了。

图4:凹透镜的焦距



【小结一下】

这一讲,我们了解到:

1.透镜包括凸透镜和凹透镜,中间厚、边缘薄的是凸透镜;边缘厚、中间薄的是凹透镜。

2.凸透镜对光有会聚作用,凹透镜对光有发散作用。凸透镜的焦距可以表征透镜的折光能力,凸透镜的焦距越小,对光的会聚作用就越强。

3.与主光轴平行的平行光通过凸透镜,会聚于焦点。从焦点发出的光线,通过凸透镜变成平行光。



【思考题】

透镜的表面,一定要是球面吗?

好了,咱们下一讲再见!




【备课手稿】


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同学们好!欢迎来到物理老师讲物理。

今天我们进入第5章,这一章我们专门讨论透镜。


说起凸透镜,你最熟悉的一定是放大镜。对,由于凸透镜能够放大图像,生活中“放大镜”一词几乎成了“凸透镜”的代名词。但是,凸透镜可不仅仅只有放大图像这一个功能。它的威力可大了。



《淮南万毕术》是我国西汉时期所著的,一本记录奇异变化的书,其中就记载了一种有趣的取火方法:

“削冰令圆,举以向日,以艾承其影,则火生。”

它说,把冰块削成一定的圆弧形,向着太阳举起,再将艾草放在它所形成的光影下,就起火了。冰火两重天,以冰取火,在两千多年前的先人看来,是一则匪夷所思的奇闻趣事。今天看来,不过是利用冰制的透镜聚光而已。


我猜,你肯定也试过用放大镜点火,在太阳下用凸透镜将阳光会聚到一点,形成一个很亮的光斑,在这个光斑处如果放些易燃物,很容易就起火了。这种点火方法,在野外没有其它点火装置的时候,还是很有用的。但同时,如果不注意,也会酿成大祸。


据报道,2015年2月26日上午10点多,大连市高新区某小区的房子突然失火,消防官兵经过近一个小时的扑救,才将火扑灭。事后调查发现,起火原因竟是阳台上放的一个装饰品,它是一个篮球大小的玻璃球。阳光通过这个玻璃球,聚焦在屋内的纸制品上,引发了大火。

你知道吗,在山林中,被随手乱扔的饮料瓶也会成为森林火灾的隐患。装了水的饮料瓶就是一个凸透镜,如果碰上合适角度的阳光,很容易点燃地上的枯树叶。


透镜有凸透镜,还有凹透镜。中间厚、边缘薄的是凸透镜;边缘厚、中间薄的是凹透镜。


说到凹透镜,你又会想到什么呢?很多同学戴的近视眼镜就是凹透镜。凹透镜对光有发散作用。


透镜的作用,本质还是光的折射。光线射入透镜发生一次折射,从透镜中射出时又发生一次折射,再结合透镜表面的弧度,两次折射的结果就能让光线会聚或发散。凸透镜对光有会聚作用,凹透镜对光有发散作用。


这里的“作用”二字要细细琢磨,它是相对于入射光,比较而言的。以会聚作用为例,只要折射光比入射光更聚拢,它就是起到了会聚作用。但这不等于说,折射光一定聚集于某一点。请看课程文稿的图1,图中的几种情况都属于会聚作用。光线经过凸透镜,有可能会聚于某一点,也有可能是平行光,还可能是发散的光束。

同样的,发散作用也是相对于入射光比较而言的。

图1:凸透镜的会聚作用


光说会聚作用和发散作用,还是太粗放了。如何定量描述会聚或发散作用呢?如果有两个透镜,如何比较它们的会聚或发散能力,谁更强呢?

要说明这个问题,需要先明确几个概念:

1.薄透镜:厚度远小于球面半径的透镜。

2.主光轴:通过透镜两个球面球心的直线叫作主光轴,简称主轴。如果作图,就是垂直于透镜的一条直线,常用点划线表示。

2.光心:主光轴上有一个特殊的点,经过这个点的光线不会被透镜改变方向,这一点就是光心。通常薄透镜的光心位于透镜的中心。

3.焦点:凸透镜能将沿主光轴方向的平行光会聚于某一点,这一点也在主光轴上,被称为焦点。

图2:凸透镜的焦距


有了上述知识,我们就可以比较两个不同的凸透镜了。用比较短的距离就能将平行光会聚成一点的,会聚能力更强。那些需要更长的距离才能会聚成一点的凸透镜,会聚能力更弱。这个距离,也就是焦点到光心的距离,我们称为焦距,常用英文字母f表示。焦距代表了一个凸透镜的会聚能力,凸透镜的焦距越小,对光的会聚作用就越强。

一般来说,凸透镜中间凸出得越厉害,会聚能力就越强,焦距越短。


现在,我提一个问题:如果在焦点处放一个点光源,它发出的光线通过凸透镜,会怎么变化呢?

我们前面学过“光路可逆”,在透镜中光路依然可逆。既然平行光通过凸透镜,会聚于焦点,那么焦点处发出的光线,就会反过来,变成平行光。有些探照灯或汽车大灯,在光源前安装一套凸透镜,就可以使发散的光线变成平行光。

图3:凸透镜的光路


那么,凹透镜有没有焦距呢?

也有的,凹透镜的焦点是平行光线被发散后,反向延长线的交点。同样,焦点到光心的距离就是凹透镜的焦距。关于凹透镜的焦距,大纲上没有要求,你了解一下就可以了。

图4:凹透镜的焦距



【小结一下】

这一讲,我们了解到:

1.透镜包括凸透镜和凹透镜,中间厚、边缘薄的是凸透镜;边缘厚、中间薄的是凹透镜。

2.凸透镜对光有会聚作用,凹透镜对光有发散作用。凸透镜的焦距可以表征透镜的折光能力,凸透镜的焦距越小,对光的会聚作用就越强。

3.与主光轴平行的平行光通过凸透镜,会聚于焦点。从焦点发出的光线,通过凸透镜变成平行光。



【思考题】

透镜的表面,一定要是球面吗?

好了,咱们下一讲再见!




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