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【第5.04讲】凸透镜成像1阶应用

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【第5.04讲】凸透镜成像1阶应用

同学们好!欢迎来到物理老师讲物理。

我们已经知道了凸透镜的成像规律,这些规律在生活中都有应用吗?这一讲我们就来谈谈它们的应用。


我们先来聊聊放大镜。

放大镜的结构很简单,就是一个凸透镜。上一讲我们已经知道,放大镜成的是正立、放大的虚像,物距u < f。所以它适用“物远像变大,物近像变小”的规律。放大镜离物体越近,成像越小;离物体越远,成像越大。但是,如果离得太远,达到或超过焦距,就看不到像了。为了方便使用,放大镜一般选用焦距比较大的凸透镜。


接下来,我们一起探究照相机的原理。

随着技术的发展,我们所用的照相机变得越来越小。最开始只有照相馆里有,那个照相机有一个箱子那么大,还要藏在一块黑布底下。后来逐渐普及了胶卷,相机变成可随身携带的物件,可以塞进旅行背包里。现在几乎人人都是摄影师,每个人的手机几乎都有照相功能,其中的摄像头等模块大概只有指甲盖那么大一点。

不论相机是大还是小,它们都有一个镜头和一个感光元件。镜头的作用相当于凸透镜,它可能是一个透镜,也可能是为了照片更完美,而精心搭配的一组透镜。感光元件的作用相当于光屏,胶片机用的可以感光的底片作为感光元件,数码相机用的是电子元件来感光。

镜头到感光元件的距离是像距,被拍摄的景物到镜头的距离是物距。显然,物距比像距要大得多,物体的尺寸也比感光元件的尺寸大得多。所以,照相机的原理适用“物远像近小”这一规律。物距u>2f,像距位于1倍焦距和2倍焦距之间,成倒立缩小的实像。我们使用相机的时候,看到的像往往并不是倒立的,那是因为相机并没让我们直接观看镜头所成的像,而是被加工成正立的图像再给我们看的。

一般相机中的胶片或电子感光元件的位置都是固定的,它不像我们做实验时的光屏,可以前后移动。那相机是如何调整像距,以适应远近不同的各种景物的呢?胶片是死的,人脑是活的呀。让镜头移动不也一样可以嘛。摄影中所说的“调焦”,实际就是前后移动镜头,使光屏上的像变清晰。


如果拍摄一个人的特写,都希望像大一点,这时你需要拿着相机前进,离被拍的人更近一些,“物近”才“像远大”嘛。像是大了,可也变远了。没关系,重新调焦,把镜头往前伸,就可以得到清晰的照片了。一“进”、一“伸”,两个动作搞定。

不过,你要知道,单人特写的像是大了,突出了个人,同时,照片包含的景物可就少了。

拍近处的景物,与拍单人特写同理,“进伸”就可以了。


如果是拍集体照,人多,范围大。这时你就要拿着相机后退,离被拍的人远些,否则会有人拍不进画面。可“物远像近小”哇,像也近了。因此,还得将镜头向后缩。这样就得到了清晰的照片。也是两个动作:“退”、“缩”。

这里“小”的意思,不是说照片变小了,而是照片中每个人的像很小,而且人越多,个人的像就越小。没办法,事情就是这样的,有得必有失。

拍远处的景物,与拍集体照同理同法,“退”、“缩”就是了。


再来,我们说说投影仪和幻灯机。

在投影仪流行之前,常用幻灯机,有时也叫投影仪。跟我们现在用的投影仪不同,幻灯机需要用幻灯片。幻灯片就像相机的底片一样,是一种透明的胶片,光线透过这种胶片可以呈现出图像。幻灯机的作用,就是用一束强光将幻灯片的图像投影到幕布上。每看完一张幻灯片,需要手动取下来,再换一张放上去。为了方便操作,很多幻灯机被造成水平放置幻灯片,光线向上投射。但是我们不能都去看天花板,于是又加一块平面镜,改变光路,让光线投射到墙上。

同样的,幻灯机也有一个凸透镜,它能把幻灯片的图像放大,在幕布上形成一个放大的实像。注意观察,你会发现,幕布距离凸透镜比幻灯片远得多。因此幻灯机的成像原理是物距位于1倍焦距和2倍焦距之间,像距v>2f,成倒立、放大的实像。因为实像是倒立的,所以我们需要把幻灯片倒过来放,这样我们就可以看到正的图像了。若想成像更大一点,就将凸透镜向下调,减小物距,“物近像远大”,像就变大了,同时还要搬动幻灯机,退远一点,因为像变大的同时,像距也增大了。反之,若要成像小一些,就反其道而行之。

现在常用的投影仪,幻灯片是数字化的,通过与电脑相连,将电脑中的图像投影到幕布上。但是其成像的原理也大同小异。还有包括电影放映机,也是类似的原理。虽然现在老式的幻灯机已经被淘汰了,但是考试还会考到这个内容,为了应试,你还是要掌握幻灯机的原理。


【小结一下】

放大镜、照相机、投影仪,这三个实例,正好对应凸透镜成像的三种阶段的成像规律。

放大镜:u < f,成正立、放大的虚像。

投影仪:f < u < 2f,成倒立、放大的实像。

照相机:u>2f,成倒立、缩小的实像。


【思考题】

观众正在观看幻灯机投射的一个人物的照片,如果将幻灯片向人物的左手方向移动,墙上的投影会向哪个方向移动?

这一讲我们聊的都是单一凸透镜成像,即便是相机镜头那样透镜组,其原理也可以等效为一个凸透镜。如果我们暂且给这种应用取个名字,叫“1阶应用”的话。那么,下一讲,我们要聊的就是,2阶应用甚至多阶应用,以显微镜和望远镜为代表,它们由多个透镜接续成像,实现了更牛的功能。而且,无论是显微镜还是望远镜的发明,它们都曾经改变过历史。

咱们下一讲再见!



【备课手稿】


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【第5.04讲】凸透镜成像1阶应用

同学们好!欢迎来到物理老师讲物理。

我们已经知道了凸透镜的成像规律,这些规律在生活中都有应用吗?这一讲我们就来谈谈它们的应用。


我们先来聊聊放大镜。

放大镜的结构很简单,就是一个凸透镜。上一讲我们已经知道,放大镜成的是正立、放大的虚像,物距u < f。所以它适用“物远像变大,物近像变小”的规律。放大镜离物体越近,成像越小;离物体越远,成像越大。但是,如果离得太远,达到或超过焦距,就看不到像了。为了方便使用,放大镜一般选用焦距比较大的凸透镜。


接下来,我们一起探究照相机的原理。

随着技术的发展,我们所用的照相机变得越来越小。最开始只有照相馆里有,那个照相机有一个箱子那么大,还要藏在一块黑布底下。后来逐渐普及了胶卷,相机变成可随身携带的物件,可以塞进旅行背包里。现在几乎人人都是摄影师,每个人的手机几乎都有照相功能,其中的摄像头等模块大概只有指甲盖那么大一点。

不论相机是大还是小,它们都有一个镜头和一个感光元件。镜头的作用相当于凸透镜,它可能是一个透镜,也可能是为了照片更完美,而精心搭配的一组透镜。感光元件的作用相当于光屏,胶片机用的可以感光的底片作为感光元件,数码相机用的是电子元件来感光。

镜头到感光元件的距离是像距,被拍摄的景物到镜头的距离是物距。显然,物距比像距要大得多,物体的尺寸也比感光元件的尺寸大得多。所以,照相机的原理适用“物远像近小”这一规律。物距u>2f,像距位于1倍焦距和2倍焦距之间,成倒立缩小的实像。我们使用相机的时候,看到的像往往并不是倒立的,那是因为相机并没让我们直接观看镜头所成的像,而是被加工成正立的图像再给我们看的。

一般相机中的胶片或电子感光元件的位置都是固定的,它不像我们做实验时的光屏,可以前后移动。那相机是如何调整像距,以适应远近不同的各种景物的呢?胶片是死的,人脑是活的呀。让镜头移动不也一样可以嘛。摄影中所说的“调焦”,实际就是前后移动镜头,使光屏上的像变清晰。


如果拍摄一个人的特写,都希望像大一点,这时你需要拿着相机前进,离被拍的人更近一些,“物近”才“像远大”嘛。像是大了,可也变远了。没关系,重新调焦,把镜头往前伸,就可以得到清晰的照片了。一“进”、一“伸”,两个动作搞定。

不过,你要知道,单人特写的像是大了,突出了个人,同时,照片包含的景物可就少了。

拍近处的景物,与拍单人特写同理,“进伸”就可以了。


如果是拍集体照,人多,范围大。这时你就要拿着相机后退,离被拍的人远些,否则会有人拍不进画面。可“物远像近小”哇,像也近了。因此,还得将镜头向后缩。这样就得到了清晰的照片。也是两个动作:“退”、“缩”。

这里“小”的意思,不是说照片变小了,而是照片中每个人的像很小,而且人越多,个人的像就越小。没办法,事情就是这样的,有得必有失。

拍远处的景物,与拍集体照同理同法,“退”、“缩”就是了。


再来,我们说说投影仪和幻灯机。

在投影仪流行之前,常用幻灯机,有时也叫投影仪。跟我们现在用的投影仪不同,幻灯机需要用幻灯片。幻灯片就像相机的底片一样,是一种透明的胶片,光线透过这种胶片可以呈现出图像。幻灯机的作用,就是用一束强光将幻灯片的图像投影到幕布上。每看完一张幻灯片,需要手动取下来,再换一张放上去。为了方便操作,很多幻灯机被造成水平放置幻灯片,光线向上投射。但是我们不能都去看天花板,于是又加一块平面镜,改变光路,让光线投射到墙上。

同样的,幻灯机也有一个凸透镜,它能把幻灯片的图像放大,在幕布上形成一个放大的实像。注意观察,你会发现,幕布距离凸透镜比幻灯片远得多。因此幻灯机的成像原理是物距位于1倍焦距和2倍焦距之间,像距v>2f,成倒立、放大的实像。因为实像是倒立的,所以我们需要把幻灯片倒过来放,这样我们就可以看到正的图像了。若想成像更大一点,就将凸透镜向下调,减小物距,“物近像远大”,像就变大了,同时还要搬动幻灯机,退远一点,因为像变大的同时,像距也增大了。反之,若要成像小一些,就反其道而行之。

现在常用的投影仪,幻灯片是数字化的,通过与电脑相连,将电脑中的图像投影到幕布上。但是其成像的原理也大同小异。还有包括电影放映机,也是类似的原理。虽然现在老式的幻灯机已经被淘汰了,但是考试还会考到这个内容,为了应试,你还是要掌握幻灯机的原理。


【小结一下】

放大镜、照相机、投影仪,这三个实例,正好对应凸透镜成像的三种阶段的成像规律。

放大镜:u < f,成正立、放大的虚像。

投影仪:f < u < 2f,成倒立、放大的实像。

照相机:u>2f,成倒立、缩小的实像。


【思考题】

观众正在观看幻灯机投射的一个人物的照片,如果将幻灯片向人物的左手方向移动,墙上的投影会向哪个方向移动?

这一讲我们聊的都是单一凸透镜成像,即便是相机镜头那样透镜组,其原理也可以等效为一个凸透镜。如果我们暂且给这种应用取个名字,叫“1阶应用”的话。那么,下一讲,我们要聊的就是,2阶应用甚至多阶应用,以显微镜和望远镜为代表,它们由多个透镜接续成像,实现了更牛的功能。而且,无论是显微镜还是望远镜的发明,它们都曾经改变过历史。

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