第一節 像的觀察與作圖法則
觀察凸透鏡成像


你試過用凸透鏡觀看遠近不同的景物嗎?

【1.  觀察放大鏡中的像】
若在枱面上先把放大鏡放在一件物件前、貼近物件,觀察放大鏡中的景物,會發現():

  • 起初,會看到放大鏡中的物件稍為放大了一點;
  • 當把物件慢慢移離放大鏡,鏡中的物件就逐漸放大,然後變得模糊;
  • 接着,物件更倒轉了!隨着物件愈來愈遠,放大鏡中的景物會愈來愈小。

似乎放大鏡不單只會放大物件。有時會把物件倒轉、甚至把物件縮小。為甚麼會這樣呢?這是凸透鏡的性質嗎?

【2.  用屏幕找凸透鏡的像】
除了直接觀察放大鏡中的物件外,我們還可用燈箱和白色的屏幕來研究凸透鏡。在所示的燈箱上有一個字母 \(\text{F}\) 的字樣,打開燈後可當成一個發光體。

我們可如那般設置,先讓燈箱離凸透鏡很遠;另一邊放置屏幕,設置時需前後移動屏幕以捕捉物體清晰的像。用屏幕捕捉像的好處,就是可以讓觀察者在不同的位置也能看到像。為何凸透鏡能把物體的像投射到屏幕上呢?跟實物比較,屏幕上的像是放大了還是縮小了?形狀有何不同呢?若把凸透鏡不斷移近燈箱(ii, iii),再移動屏幕捕捉像,能找到像嗎?像有出現變化嗎?


先把一件小物件放在枱上,然後把放大鏡放在物件前、貼近物件,觀察放大鏡中的景物。起初,我們看到放大鏡中的物件稍為放大了一點。慢慢把物件移離放大鏡,鏡中的物件就逐漸放大,然後變得模糊,跟着,物件竟然倒轉起來。隨着物件愈來愈遠,放大鏡中的物件就會愈來愈小。原來放大鏡不單只會放大物件。有時會把物件倒轉、甚至把物件縮小。為甚麼會這樣的呢?
(a) 燈箱;(b) 白色的屏幕;(c) 凸透鏡;(d) 燈箱上有一個字母 \(\text{F}\) 的字樣
i. 先把燈箱放在一個離凸透鏡很遠的位置,然後在凸透鏡的另一邊放置屏幕。前後移動屏幕,直至有一個清晰及倒轉了的像在屏幕上出現;ii. 若把凸透鏡移近燈箱,然後移動屏幕捕捉物體的像,像會顯得放大了;iii. 現把凸透鏡移至非常接近燈箱,能再藉移動屏幕、找到物體的像嗎?(請按 ">" 在步驟 \(/\) 圖 i、ii、iii 之間切換)
凸透鏡作圖法則


要了解凸透鏡成像的原理和特性,就先要掌握光線通過凸透鏡時方向變化的 3 個規律,稱為凸透鏡作圖法則。它們的內容是:

法則 1:若入射線平行於主軸,通過凸透鏡後的光線會經過主焦點 \(\text{F}\);

法則 2:若入射線經過主焦點 \(\text{F’}\),通過凸透鏡後的光線平行於主軸;

法則 3:若入射線經過光心 \(\text{C}\),通過凸透鏡後的光線方向不變。

分別是凸透鏡作圖法則 1、法則 2 和法則 3 的示範和說明。留意這 3 項法則都符合光的折射定律;而法則 2 其實是法則 1 的反向表述,源自於光的折射的可逆性。

最後,我們在同時列出了這 3 項法則的光線圖,供快速查看和比較。利用這些法則,將可助大家在以後的學習找出凸透鏡成像的位置、大小和性質,以及解決很多涉及凸透鏡的難題。


按 ">" 可切換至圖 i - v,觀看以光線箱和柱面凸透鏡示範這作圖法則 1:平行於主軸的光線通過凸透鏡後,光線會射向主焦點。如果移動光線箱,但保持入射線和主軸互相平行,便會發現無論入射線和主軸之間的距離是多少,折射後的光線一定會射向主焦點。
按 ">" 可切換至圖 i - v,觀看以光線箱和柱面凸透鏡示範這作圖法則 2:經過凸透鏡主焦點的光線,通過透鏡後會平行於主軸。如果改變入射線方向,但保持入射線通過主焦點,便會發現無論入射線的方向如何,通過凸透鏡後的光線一定會平行於主軸。
按 ">" 可切換至圖 i - v,觀看以光線箱和柱面凸透鏡示範這作圖法則 3:經過光心的光線通過凸透鏡後,光線的方向沒有改變。如果改變入射線方向,但保持入射線通過光心,便會發現無論入射線的方向如何,通過凸透鏡後的光線方向跟入射線一定相同。
凸透鏡作圖法則 1、2 和 3 的光線圖
下一節