第二節 描述透鏡
描述透鏡的詞彙


在上一節,我們用了柱面透鏡來探究透鏡如何折射光線。然而要留意,由於柱面透鏡只向一個方向彎曲(),因此只能在一個平面上會聚或發散光線。事實上,球面透鏡是較常用的類型,其表面彎曲成球形(見),能夠在對稱軸上 \(360{}^\circ \) 任何一個平面上會聚或發散光線。

為了方便以後的討論,現在介紹一些用來描述透鏡的詞彙:

光心主軸
透鏡的中心,稱為光心 (optical centre)(見)。通過光心並垂直於透鏡的直線,稱為主軸 (principal axis)。

主焦點焦距(凸透鏡)】
當一束平行光線垂直地射到凸透鏡上((a)),通過透鏡後的光束會會聚於主軸上某一點。這一點稱為主焦點 (principal focus)。而主焦點和光心之間的距離,就是凸透鏡的焦距 (focal length)。

主焦點焦距(凹透鏡)】
當一束平行光線垂直地射到凹透鏡上((b)),通過透鏡後的光束像是由凹透鏡後主軸上某一點發散出來。這一點就是凹透鏡的主焦點了。同一道理,主焦點和光心之間的距離,就是凹透鏡的焦距了。


左圖:柱面凸透鏡;右圖:柱面凹透鏡。(按 ">" 可切換視點)
左圖:球面凸透鏡;右圖:球面凹透鏡。(按 ">" 可切換視點)
凸透鏡與凹透鏡的光心和主軸
(a) 凸透鏡的主焦點和焦距;(b) 凹透鏡的主焦點和焦距
用光線圖描述透鏡


透鏡的光線圖是如何繪畫呢?在光線圖中,凸透鏡會用中左邊的符號表示,凹透鏡會用中右邊的符號表示。下方是繪畫凸透鏡光線圖和凹透鏡光線圖的基本步驟或要點,請分別參考細閱(我們會在之後兩課更詳細地說明作圖法則):

【凸透鏡光線圖】

  1. 繪畫凸透鏡光線圖時,先畫出主軸,並把光心定為 \(\text{C}\) 點。
  2. 如果已經知道凸透鏡的焦距 \(f\),便可以在透鏡的右邊記下主焦點的位置,用大階 \(\text{F}\) 來表示。
  3. 所有平行於主軸的光線,通過透鏡後,都一定穿過 \(\text{F}\) 點。
  4. 如果光線從右邊射來,通過透鏡後,也會在左邊主軸上某點相交。因此,我們可以記下凸透鏡的另一個主焦點,用 \(\text{F′}\) 來表示。

【凹透鏡光線圖】

  1. 繪畫凹透鏡的光線圖時,同樣先要畫出主軸和記下光心的位置。
  2. 如果已經知道凹透鏡的焦距 \(f\),便可以在透鏡的左邊記下主焦點的位置。
  3. 所有平行於主軸的光線,通過透鏡後,都像是從 \(\text{F′}\) 一點發散出來,我們可以用虛線表示這個情況。
  4. 跟凸透鏡一樣,凹透鏡也有另一個主焦點,用 \(\text{F}\) 來表示。

凸透鏡及凹透鏡的符號
凸透鏡使光線會聚在焦點 \(\text{F}\)。圖 i、ii、iii、iv 是繪畫凸透鏡光線圖的步驟,請配合課文中有關的敘述閱讀
凹透鏡使光線從焦點 \(\text{F′}\) 發散出來。圖 i、ii、iii、iv 是繪畫凹透鏡光線圖的步驟,請配合課文中有關的敘述閱讀
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