凸透鏡一定使光線會聚嗎?

蔣龍成 陳海韜

(1. 蘇州大學物理科學與技術學院,江蘇 蘇州 215006; 2. 蘇州市實驗中學,江蘇 蘇州 215010)

初中物理教材中,關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,凹透鏡對光線有發散作用．筆者調查部分學生和教師關于透鏡對光的作用問題時,幾乎所有學生甚至部分教師的回答都是凸透鏡使光線會聚,凹透鏡使光線發散．當問及該規律成立的條件時,許多學生都表示沒有考慮過．凸透鏡使光線會聚,凹透鏡使光線發散在任何條件下一定成立嗎?若不一定,則該規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律．

圖1 折射定律圖

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

n1sinθ1=n2sinθ2,

因此光線的偏折情況取決于兩種介質的折射率．

1 當周圍介質折射率n1小于透鏡折射率n2時

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,根據折射定律n1sinθ1=n2sinθ2,有sinθ1>sinθ2,θ1>θ2,類似可得θ4>θ3,此時凸透鏡使光線會聚．初中物理教材中的結論一般都是指這種情況．

圖2 玻璃透鏡在空氣介質中的光路圖

2 當周圍介質折射率n1大于透鏡折射率n2時

若在水中吐了一個空氣泡,此空氣泡中間比邊緣厚,相當于空氣凸透鏡．如圖3所示,當空氣透鏡在水介質中,周圍水的折射率大于空氣透鏡折射率,根據折射定律

n1sinθ1=n2sinθ2，

由于n1>n2,所以sinθ1

因此,當外部環境介質折射率大于凸透鏡折射率時,凸透鏡使光線發散．

圖3 空氣透鏡在水介質中的光路

3 當周圍介質折射率n1等于透鏡折射率n2時

若周圍介質折射率n1等于透鏡折射率n2時,相當于光在同一種介質中傳播,光線將不會發生偏折,而是直線傳播．

4 實驗驗證

圖4

(1) 實驗裝置和器材.

如圖4所示,我們利用兩個平凹鏡粘合使其中間形成凸透鏡狀的空氣介質,相當于空氣透鏡置于玻璃介質中,此時外部環境介質折射率大于凸透鏡折射率，根據前述結計，此時若用平行光入射凸透鏡，凸透鏡將使光線發散．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) 實驗結果.

實驗結果如圖5所示,從圖中可以清楚地看出,當外部環境介質折射率大于凸透鏡折射率時,光線通過凸透鏡向外發生偏折,確實使光線發散．

圖5 實驗光路顯示圖

5 結語

本文主要分析并通過實驗驗證了凸透鏡改變光路的規律取決于外部環境介質的折射率和透鏡本身的折射率,當透鏡折射率大于周圍環境介質折射率時,凸透鏡對光線有會聚作用;當透鏡折射率小于周圍環境介質折射率時,凸透鏡對光線有發散作用．類似的,也可以用同樣的方法討論凹透鏡對光的作用規律．

許多物理現象或者結論都是在一定條件下才成立．當條件發生改變時,現象可能也會隨之改變．因此,在看待物理問題時,我們不僅需要關注其現象,更要關注現象背后的本質．這樣才能真正理解其物理規律．

參考文獻：

1 華東地區初中物理教材編寫協作組.九年制義務教育初級中學課本物理(第一冊)[M]. 上海:上海科學技術出版社,1996:169-170.

2 李見證.領悟光的折射原理剖析凸透鏡成像規律[J].中學物理(初中版).2015(1):86-87.

3 張紅云.凸透鏡成像規律實驗的創新設計[J].實驗教學與儀器,2015(4):31-32.