凸透鏡一定使光線會聚嗎?

蔣龍成 陳海韜

(1. 蘇州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,江蘇 蘇州 215006; 2. 蘇州市實(shí)驗(yàn)中學(xué),江蘇 蘇州 215010)

初中物理教材中,關(guān)于透鏡的描述是這樣的:利用光的折射可以制成各種改變光路的器件,其中應(yīng)用最普遍的是透鏡．透鏡有兩類:中間比邊緣厚的叫凸透鏡;中間比邊緣薄的叫凹透鏡．凸透鏡對光線有會聚作用,凹透鏡對光線有發(fā)散作用．筆者調(diào)查部分學(xué)生和教師關(guān)于透鏡對光的作用問題時(shí),幾乎所有學(xué)生甚至部分教師的回答都是凸透鏡使光線會聚,凹透鏡使光線發(fā)散．當(dāng)問及該規(guī)律成立的條件時(shí),許多學(xué)生都表示沒有考慮過．凸透鏡使光線會聚,凹透鏡使光線發(fā)散在任何條件下一定成立嗎?若不一定,則該規(guī)律成立的條件是什么?本文將以凸透鏡為例,探討凸透鏡對光的作用規(guī)律．

圖1 折射定律圖

我們知道,透鏡是利用光的折射規(guī)律改變光路的,如圖1所示,PQ為折射率分別為n1和n2兩介質(zhì)的分界面,根據(jù)折射定律有

n1sinθ1=n2sinθ2,

因此光線的偏折情況取決于兩種介質(zhì)的折射率．

1 當(dāng)周圍介質(zhì)折射率n1小于透鏡折射率n2時(shí)

如圖2所示,將玻璃透鏡放置于空氣中,由于玻璃透鏡的折射率n2大于空氣的折射率n1,根據(jù)折射定律n1sinθ1=n2sinθ2,有sinθ1>sinθ2,θ1>θ2,類似可得θ4>θ3,此時(shí)凸透鏡使光線會聚．初中物理教材中的結(jié)論一般都是指這種情況．

圖2 玻璃透鏡在空氣介質(zhì)中的光路圖

2 當(dāng)周圍介質(zhì)折射率n1大于透鏡折射率n2時(shí)

若在水中吐了一個(gè)空氣泡,此空氣泡中間比邊緣厚,相當(dāng)于空氣凸透鏡．如圖3所示,當(dāng)空氣透鏡在水介質(zhì)中,周圍水的折射率大于空氣透鏡折射率,根據(jù)折射定律

n1sinθ1=n2sinθ2，

由于n1>n2,所以sinθ1

因此,當(dāng)外部環(huán)境介質(zhì)折射率大于凸透鏡折射率時(shí),凸透鏡使光線發(fā)散．

圖3 空氣透鏡在水介質(zhì)中的光路

3 當(dāng)周圍介質(zhì)折射率n1等于透鏡折射率n2時(shí)

若周圍介質(zhì)折射率n1等于透鏡折射率n2時(shí),相當(dāng)于光在同一種介質(zhì)中傳播,光線將不會發(fā)生偏折,而是直線傳播．

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

圖4

(1) 實(shí)驗(yàn)裝置和器材.

如圖4所示,我們利用兩個(gè)平凹鏡粘合使其中間形成凸透鏡狀的空氣介質(zhì),相當(dāng)于空氣透鏡置于玻璃介質(zhì)中,此時(shí)外部環(huán)境介質(zhì)折射率大于凸透鏡折射率，根據(jù)前述結(jié)計(jì)，此時(shí)若用平行光入射凸透鏡，凸透鏡將使光線發(fā)散．用紅外線筆作為光源,為了使光路可見,將器材放置于墨水中,以便觀察和記錄光路．

(2) 實(shí)驗(yàn)結(jié)果.

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示,從圖中可以清楚地看出,當(dāng)外部環(huán)境介質(zhì)折射率大于凸透鏡折射率時(shí),光線通過凸透鏡向外發(fā)生偏折,確實(shí)使光線發(fā)散．

圖5 實(shí)驗(yàn)光路顯示圖

5 結(jié)語

本文主要分析并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了凸透鏡改變光路的規(guī)律取決于外部環(huán)境介質(zhì)的折射率和透鏡本身的折射率,當(dāng)透鏡折射率大于周圍環(huán)境介質(zhì)折射率時(shí),凸透鏡對光線有會聚作用;當(dāng)透鏡折射率小于周圍環(huán)境介質(zhì)折射率時(shí),凸透鏡對光線有發(fā)散作用．類似的,也可以用同樣的方法討論凹透鏡對光的作用規(guī)律．

許多物理現(xiàn)象或者結(jié)論都是在一定條件下才成立．當(dāng)條件發(fā)生改變時(shí),現(xiàn)象可能也會隨之改變．因此,在看待物理問題時(shí),我們不僅需要關(guān)注其現(xiàn)象,更要關(guān)注現(xiàn)象背后的本質(zhì)．這樣才能真正理解其物理規(guī)律．

參考文獻(xiàn)：

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