第二節 線性放大率
計算線性放大率


線性放大率是物體的高度和像的高度的比,通常用 \(m\) 表示:

\(\displaystyle{m=\frac{{{h}_{i}}}{{{h}_{o}}}}\)

\({{h}_{i}}\):像的高;
\({{h}_{o}}\):物體的高。

線性放大率是一個比,所以沒有單位,它表示了像較實物放大或縮小了多少。那麼 \(m\) 的數值如何反映像的大小呢?便以凸透鏡為例,分別說明 \(m\) < 1、\(m\) = 1 和 \(m\) > 1,這三種情況的意義。除了從物體和像的高度來計算 \(m\) 外,還有其他方法能找出線性放大率嗎?事實上,線性放大率也可寫成:

\(\displaystyle{m=\frac{\left| v \right|}{u}}\)

\(v\):像距;
\(u\):物距。


當像較物體小,例如 \({{h}_{i}}\) = 4 \(\text{cm}\)、\({{h}_{o}}\) = 8 \(\text{cm}\) 的話,\(m\) = \({{{h}_{i}}}/{{{h}_{o}}}\;\) = 0.5 (< 1)。換言之,當 \(m\) < 1,像會較物體矮小 (\({{h}_{i}}\) < \({{h}_{o}}\)),像是縮小的。
當像跟物體一樣大,例如 \({{h}_{i}}\) = 6 \(\text{cm}\)、\({{h}_{o}}\) = 6 \(\text{cm}\) 的話,\(m\) = \({{{h}_{i}}}/{{{h}_{o}}}\;\) = 1。換言之,當 \(m\) = 1,像跟物體一樣高 (\({{h}_{i}}\) = \({{h}_{o}}\)),像是等大的。
當像較物體大,例如 \({{h}_{i}}\) = 8 \(\text{cm}\)、\({{h}_{o}}\) = 4 \(\text{cm}\) 的話,\(m\) = \({{{h}_{i}}}/{{{h}_{o}}}\;\) = 2 (> 1)。換言之,當 \(m\) > 1,像會較物體高大 (\({{h}_{i}}\) > \({{h}_{o}}\)),像是放大的。
例子


若有一件 4 \(\text{cm}\) 高的物體放在凸透鏡前 7.5 \(\text{cm}\),如所示,其像出現於凸透鏡後 15 \(\text{cm}\) 處。那麼,像的高度是多少?

 

【題解】

已知():

物距 \(u\) = 7.5 \(\text{cm}\)
像距 \(v\) = 15 \(\text{cm}\)

要找出像的高度,首先從物距和像距計算線性放大率:

\(\displaystyle{m=\frac{v}{u}=\frac{15\ \text{cm}}{7.5\ \text{cm}}=2}\)

利用線性放大率的定義,把物高 \({{h}_{o}}\) = 4 \(\text{cm}\) 及 \(m\) = 2 代入有關算式,便能求出像高 \({{h}_{i}}\)。換言之:

\(\displaystyle{m=\frac{{{h}_{i}}}{{{h}_{o}}}}\)  \(\Rightarrow \)  \(\displaystyle{2=\frac{{{h}_{i}}}{4\ \text{cm}}}\)

\({{h}_{i}}\) = 8 \(\text{cm}\)

因此,像的高等於 8 \(\text{cm}\)。

【分析計算結果】

      運用透鏡公式(),可知本例子的透鏡焦距等於
  • +5
  • +15
  • −5
  • −15
\(\text{cm}\);
      比較 \(u\) 與 \(f\) 的相對大小可知,物體的位置在
  • \(\text{2F’}\) 以外
  • \(\text{2F’}\)
  • \(\text{2F’}\) 和 \(\text{F’}\) 之間
  • \(\text{F’}\)
  • \(\text{F’}\) 和 \(\text{C}\) 之間

      比較 \(v\) 與 \(f\) 的相對大小可知,像的位置在
  • \(\text{C}\) 和 \(\text{F}\) 之間
  • \(\text{F}\)
  • \(\text{F}\) 和 \(\text{2F}\) 之間
  • \(\text{2F}\)
  • \(\text{2F}\) 以外

由於 \(u\) = 7.5 \(\text{cm}\)、\(v\) = 15 \(\text{cm}\)、得 \(f\) = 5 \(\text{cm}\),即 \(f\) < \(u\) < \(2f\) 以及 \(v\) > \(2f\),表示物體在 \(\text{2F’}\) 和 \(\text{F’}\) 之間、放大的像位於 \(\text{2F}\) 以外。這結果與運用作圖法找出的成像特性吻合。



4 \(\text{cm}\) 高的物體 \(O\) 位於一塊凸透鏡前的 7.5 \(\text{cm}\) 處,在鏡後 15 \(\text{cm}\) 處造成一個倒立的像
\({{h}_{o}}\) 和 \({{h}_{i}}\) 分別是物體的高(又稱物高)和像的高(又稱像高);已知物距 \(u\)、像距 \(v\) 和物高 \({{h}_{o}}\),要計算像高 \({{h}_{i}}\)
運用透鏡公式,可以從物距 \(u\) 和像距 \(v\) 計算焦距 \(f\)
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