【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 光則偏向小。由于各色光的折射率有大小之分（這是由于各色光的頻率不同造成的，頻率高的折射率大），所以非單色光才會(huì)發(fā)生色散。當(dāng)一白光由空氣射入水或玻璃時(shí)，折射后分成各色的光，若玻璃為兩面平行的平板，則光從玻璃射出的線平行，不同色光再行重疊，并未發(fā)現(xiàn)色散現(xiàn)象。若光通過(guò)棱鏡，不同色光之出射線不平行，色散現(xiàn)象較易觀察。【光譜】 復(fù)色光經(jīng)過(guò)色散系統(tǒng)（如棱鏡、光柵）分光后，被色散開(kāi)的單色光按波長(zhǎng)（或頻率）大小而依次排列的圖案。例如，太陽(yáng)光經(jīng)過(guò)三棱鏡后形成按紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫次序連續(xù)分布的彩色光譜。紅色到紫色，相應(yīng)于波長(zhǎng)由7，700～38001010米的區(qū)域，是為人眼能感覺(jué)的可見(jiàn)部分。紅端之外為波長(zhǎng)更長(zhǎng)的紅外光，紫端之外則為波長(zhǎng)更短的紫外光，都不能為肉眼所覺(jué)察，但能用儀器記錄。因此，按波長(zhǎng)區(qū)域不同，光譜可分為紅外光譜，可見(jiàn)光譜和紫外光譜；按產(chǎn)生的本質(zhì)不同，可分為原子光譜、分子光譜；按產(chǎn)生的方式不同，可分為發(fā)射光譜、吸收光譜和散射光譜；按光譜表觀形態(tài)不同，可分為線光譜、帶光譜和連續(xù)光譜。光譜的研究已成為一門專門的學(xué)科，即光譜學(xué)。光譜學(xué)是研究原子和分子結(jié)構(gòu)的重要學(xué)科。【透鏡】 光學(xué)儀器的一種重要元件，由透明物質(zhì)（如玻璃、水晶等）制成。光線通過(guò)透鏡折射后可以成像。按照其形狀或成像要求的不同，透鏡可分為許多種類，如兩面都磨成球面，或一面是球面另一面是平面的稱“球面透鏡”；兩面都磨成圓柱面，或一面是圓柱面一面是平面的稱“柱面透鏡”。透鏡一般可分為凸透鏡和凹透鏡兩大類?！就雇哥R】 凸透鏡是中央部分較厚的透鏡。凸透鏡分為雙凸、平凸和凹凸（或正彎月形）等形式，如圖4－9所示。薄凸透鏡有會(huì)聚作用故又稱聚光透鏡，較厚的凸透鏡則有望遠(yuǎn)、發(fā)散或會(huì)聚等作用，這與透鏡的厚度有關(guān)。將平行光線（如陽(yáng)光）平行于軸（凸透鏡兩個(gè)球面的球心的連線稱為此透鏡的主光軸）射入凸透鏡，光在透鏡的兩面經(jīng)過(guò)兩次折射后，集中在軸上的一點(diǎn)，此點(diǎn)叫做凸透鏡的焦點(diǎn)（記號(hào)為F），凸透鏡在鏡的兩側(cè)各有一焦點(diǎn)，如為薄透鏡時(shí)，此兩焦點(diǎn)至透鏡中心的距離大致相等。凸透鏡之焦距如圖4－10所示，是指焦點(diǎn)到透鏡中心的距離，通常以f表示。凸透鏡球面半徑越小，焦距越短，凸透鏡可用于放大鏡、老花眼及遠(yuǎn)視的人戴的眼鏡、顯微鏡、望遠(yuǎn)鏡的透鏡等。【凹透鏡】 兩側(cè)面均為球面或一側(cè)是球面另一側(cè)是平面的透明體，中間部分較薄，稱為四透鏡。分為雙凹、平凹及凸凹透鏡三種，如圖4－11a所示之A、B、C。其兩面曲率中心之連線圖4－11b所示之G1H，稱為主軸，其中央之點(diǎn)O稱為光心。通過(guò)光心的光線，無(wú)論來(lái)自何方均不折射。圖4－11c表示，平行主軸之光束，照于凹透鏡上折射后向四方發(fā)散，逆其發(fā)散方向的延長(zhǎng)線，則均會(huì)于與光源同側(cè)之一點(diǎn)F，其折射光線恰如從F點(diǎn)發(fā)出，此點(diǎn)稱為虛焦點(diǎn)。在透鏡兩側(cè)各有一個(gè)。凹透鏡又稱為發(fā)散透鏡。四透鏡的焦距，如圖412所示。是指由焦點(diǎn)到透鏡中心的距離。透鏡的球面曲率半徑越大其焦距越長(zhǎng)，如為薄透鏡，則其兩側(cè)之焦距相等?！疚锖拖瘛?人們能感覺(jué)到物，是由于物體各點(diǎn)所反射的光，經(jīng)過(guò)人眼這個(gè)光學(xué)系統(tǒng)（相當(dāng)一個(gè)焦距可調(diào)的凸透鏡）成像于視網(wǎng)膜上，再由視神經(jīng)傳到大腦而造成視覺(jué)，從光學(xué)的角度講，物點(diǎn)是發(fā)散光束的頂點(diǎn)，所以物就是由這些發(fā)散光束頂點(diǎn)的組合而成。如果光束經(jīng)不同媒質(zhì)的界面反射或折射以后，光線的方向雖然改變了，但反射光線或折射光線所構(gòu)成的光束仍然有一個(gè)頂點(diǎn)“P′”，這個(gè)頂點(diǎn)P′就叫做像點(diǎn)，在這種情況下，每個(gè)像點(diǎn)和物點(diǎn)間建立了一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。這些像點(diǎn)的組合就是像。如果光束中各光線確實(shí)在某點(diǎn)會(huì)聚，那么該會(huì)聚光束的頂點(diǎn)叫做實(shí)像；如果光束經(jīng)界面反射或折射后是發(fā)散的，但這些光線反向延長(zhǎng)后，能夠找到光束的頂點(diǎn)，則該發(fā)散發(fā)束的頂點(diǎn)叫做虛像。物和像則是這些光束頂點(diǎn)的集合。在空間中的物，它向所有方向反光，眼睛無(wú)論在何處，只要找對(duì)方向都可以看到物。像則不然，因?yàn)槠矫骁R或透鏡的反射或折射的光束不是向所有方向，光束總是局限在一定的范圍內(nèi)。如果人眼恰處于光束所在的范圍內(nèi)，便可看到像，但是當(dāng)眼睛位于反射或折射光束的范圍之外時(shí)，眼睛是看不到像的。因?yàn)檫@些光束不能進(jìn)入人的眼睛?！緦?shí)像和虛像】 物體發(fā)出的光線經(jīng)過(guò)光具組（如反射鏡、透鏡組等）反射或折射后，重新會(huì)聚而造成的與原物相似的圖景，實(shí)像可以顯映在屏幕上，能使照像底片感光。攝影或放映電影都必須利用實(shí)像。若物體發(fā)出的光線經(jīng)光具組反射或折射后，如為發(fā)散光線，則它們反向的延長(zhǎng)線（虛光線）相交時(shí)所形成的像稱為“虛像”。虛像不能顯映在屏幕上，也不能使照像底片感光，只能用人眼觀察到。在放大鏡、顯微鏡、望遠(yuǎn)鏡等光學(xué)儀器中觀察到的像都是虛像?！咎撐铩?在光具組中，常按不同的要求使幾個(gè)透鏡來(lái)達(dá)到成像的目的，以兩個(gè)透鏡為例，如果第一個(gè)透鏡所形成的實(shí)像位于第二個(gè)透鏡的后面，則對(duì)第二個(gè)透鏡來(lái)說(shuō)，這像就稱為“虛物”?！竟鈱W(xué)的特定名稱】 在研究透鏡成象光學(xué)中有幾個(gè)重要的特定名稱。它們是：（1）主光軸它是連接透鏡兩球面曲率中心的直線。（2）副光軸——通過(guò)光心的任意直線。所以副光軸有無(wú)數(shù)條。（3）光心——透鏡主軸上的一個(gè)特殊點(diǎn)。通過(guò)光心的光線，其出射方向和入射方向互相平行，但可有旁向的平行位移，對(duì)薄透鏡一般認(rèn)為其方向不變。薄透鏡的中心可以近似地當(dāng)作光心，射向薄透鏡中心的光線可認(rèn)為無(wú)折射地通過(guò)。（4）焦點(diǎn)——平行光束經(jīng)透鏡折射或曲面鏡反射后的交點(diǎn)。有實(shí)焦點(diǎn)和虛焦點(diǎn)兩類。薄透鏡兩邊的焦點(diǎn)對(duì)稱。而一般透鏡的第一焦點(diǎn)（物方焦點(diǎn)）和第二焦點(diǎn)（像方焦點(diǎn)）不對(duì)稱。（5）主焦點(diǎn)——平行于透鏡的主光軸的平行光束，經(jīng)反射或折射后和主光軸相交的點(diǎn)。（6）副焦點(diǎn)——平行于跟主光軸夾角不大的副光軸的光線，經(jīng)透鏡折射后會(huì)聚（或發(fā)散光線的反方向的延長(zhǎng)線）于該副光軸上的一點(diǎn)。副焦點(diǎn)都處在焦平面上。（7）焦平面——通過(guò)透鏡（球面鏡）主焦點(diǎn)并和主光軸垂直的平面。和主光軸成任意角度的平行光線經(jīng)折射后相交的交點(diǎn)，均處于焦平面上。（8）焦距——薄透鏡的中心到焦點(diǎn)之間的距離。（9）焦度——透鏡或透鏡組焦距的倒數(shù)。會(huì)聚透鏡的焦度規(guī)定為正，發(fā)散透鏡的焦度規(guī)定為負(fù)。如果焦距用米作單位時(shí)，焦度的單位叫做屈光度；而眼鏡的焦度通常用度作為單位，1度為1屈光度的百分之一?！疚锵窆健?描述物像位置以及它們和透鏡或透鏡組的特征量之一（焦距）之間的關(guān)系式。對(duì)一個(gè)薄凸透鏡可以認(rèn)為是由底面朝向透鏡中央的許多棱鏡的集合，而這些棱鏡的頂角是很小的，對(duì)于頂角很小的棱鏡來(lái)說(shuō)，如果構(gòu)成棱鏡的材料的折射率為n，頂角為A，那么在近軸光線的條件下，其偏向角δ為常數(shù)（n1）A。當(dāng)棱鏡給定后，近軸光線的偏向角δ是不變的。我們可以利用此關(guān)系來(lái)推導(dǎo)薄透鏡的物像公式。如圖4－13a所示，設(shè)PM為平行光束所任一條光線在M點(diǎn)入射，而OM=h，則出射光線MF′必通過(guò)透鏡的焦點(diǎn)F′，OF′=f，f為透鏡的焦距。根據(jù)近軸光線的條件，即fh，偏向角近似為當(dāng)主軸的物點(diǎn)P發(fā)出的任一近軸光線PM入射到透鏡的M點(diǎn)時(shí)，圖4－13b所示，在理想成像的條件下，出射光線MP′和主軸的交點(diǎn)P′為像點(diǎn)，此時(shí)偏向角也應(yīng)相同。令物距OP=u，像距OP′=v，由圖b中的幾何關(guān)系可知ξ+η=δ在近軸光線的條件下，可得該式叫做高斯公式。平面鏡、球面鏡和薄透鏡所形成的像的位置，可以根據(jù)物像關(guān)系式求得，最基本的公式有兩個(gè)，即高斯公式其中u是物距——代表物到透鏡（或面鏡）的距離；v是像距——代表像到透鏡（或面鏡）的距離；f為透鏡的焦距。K是像的橫向放大率。此二關(guān)系式對(duì)三種光具組都適用。下表表明在三種透鏡中應(yīng)用情況。 光具公式透鏡球面鏡平面鏡焦距f→∞物像公式橫向放大率【符號(hào)法則】 用物像公式進(jìn)行計(jì)算時(shí)，應(yīng)注意關(guān)系式中的各項(xiàng)都是代數(shù)值。因?yàn)橹挥腥〈鷶?shù)值，公式才具有普遍意義，否則會(huì)造成、凹球面、凸球面、凹透鏡、凸透鏡的物像公式各不相同，把問(wèn)題變得復(fù)雜。各特定光學(xué)量的符號(hào)的采用法則是很重要的，若符號(hào)選錯(cuò)，則所有的計(jì)算全都錯(cuò)了。下面就其應(yīng)用法則歸納為：（1）所有距離從光心（或頂點(diǎn)）量起；（2）對(duì)于實(shí)像v取正值，對(duì)于虛像v取負(fù)值；對(duì)于實(shí)物u取正值，對(duì)于虛物u取負(fù)值；（3）凡已知量，其數(shù)值前必須冠以符號(hào)；凡未知量，必須根據(jù)求出的符號(hào)來(lái)確定物像的性質(zhì)和位置；（4）會(huì)聚透鏡（或凹面鏡）的焦距為正（實(shí)焦點(diǎn)）；發(fā)散透鏡（或凸面鏡）的焦距為負(fù)（虛焦點(diǎn)）。物像公式，正確運(yùn)用符號(hào)法則，只要知道物體離開(kāi)透鏡（或球面鏡）光心的距離u和焦距f，就可以求出成像的位置、像的性質(zhì)和像的大小。應(yīng)該注意的是，在球面反射和薄透鏡折射時(shí)，物像公式只有在近軸光線，近軸物的情況下才適用。因此成像關(guān)系式是近似的。【牛頓公式】 設(shè)X1表示物體與第一焦點(diǎn)的距離，而X2表示光像與第二焦點(diǎn)的距離，由圖4－14可以看出，△CC′F2～△MOF2和△M′OF1～△AA′F1放大率即X1X2=f1f2對(duì)于薄透鏡來(lái)講，f1=f2=f，所以有X1X2=f2著，運(yùn)用時(shí)也較方便?！就哥R成像作圖】 各種透鏡成像作圖中，應(yīng)注意，實(shí)際光線用實(shí)線畫(huà)出，在每一條光線上還必須標(biāo)明箭頭，以示光的傳播方向。其輔助線，引伸線通常不用實(shí)線而采用虛線，以免和實(shí)際光線混淆。最后，光線作圖法的目的是確定像的位置、性質(zhì)和大小，因此作圖可在方格紙上完成，圖中標(biāo)明比例和所有已知量及待定量的數(shù)值。即稱為按比例成像作圖法。（1）凸透鏡成像作圖——這一作圖主要是三條光線。如圖4－15所示。其中PF為通過(guò)主焦點(diǎn)的入射線經(jīng)透鏡折射后平行于主軸。而POP′為通過(guò)光心的入射線不改變方向。由P點(diǎn)出發(fā)平行于主光軸的入射線折射后通過(guò)主焦點(diǎn)。此三條線必交于同一點(diǎn)P′，P′便是P點(diǎn)的像。為了簡(jiǎn)便只要用其中的兩條線便可確定像點(diǎn)的位置；（2）凹透鏡成像作圖的三條光線，如圖4－16所示。平行于主軸的入射線，經(jīng)透鏡折射后的出射線的反向延長(zhǎng)線通過(guò)和物同側(cè)的虛主焦點(diǎn)。由P點(diǎn)射向透鏡另一側(cè)虛主焦點(diǎn)的入射線，折射后平行于主光軸。由P點(diǎn)射出通過(guò)光心的線不改變方向。其前兩條線的反向延長(zhǎng)線與第三條線均交于P′點(diǎn)。P′點(diǎn)便是P點(diǎn)的虛像；（3）凸透鏡的任意光線作圖法。如果物點(diǎn)P在主軸上，則上述的三條光線便合為一條而無(wú)法作圖，此時(shí)像的位置可利用副光軸和焦平面的性質(zhì)來(lái)確定。利用第一焦平面的作圖方法，如圖4－17所示。經(jīng)P點(diǎn)作一條入射光線PO，它沿著主軸方向穿過(guò)透鏡方向不變；經(jīng)P點(diǎn)作一條任意光線PA，交透鏡于A點(diǎn)并與第一焦平面交于B點(diǎn)；作副光軸BO，過(guò)A點(diǎn)作和BO平行的線AP′，交主光軸的P′點(diǎn)，P′便是P的像點(diǎn)。同理，也可用第二焦平面作圖，其作法如圖4－18所示。作任意光線PA交透鏡于A點(diǎn)；過(guò)透鏡中心O作平行于PA的輔助線OB′，與第二焦平面交于B′點(diǎn)；連接A、B′兩點(diǎn)且延長(zhǎng)，與沿主軸的光線交于P′點(diǎn)，則P′點(diǎn)即為所求也像：（4）凹透鏡的任意光線作圖法。利用凹透鏡的副光軸和焦平面作圖，如圖4－19所示。經(jīng)P點(diǎn)作任意光線PA，交透鏡于A點(diǎn)，經(jīng)透鏡的中心O作平行于PA的副光軸OB′，和第二焦平面交于B′點(diǎn)；連接A、B′兩點(diǎn)，它和延主軸的光線交于P′，則P′點(diǎn)為所求之像點(diǎn)?！就雇哥R成像規(guī)律】 從圖4－20可以看出，隨著物和焦點(diǎn)之間的相對(duì)位置的不同，成像的情況也不同。大致可分為6種情況說(shuō)明，如圖4－20所示。（1）物位于無(wú)窮遠(yuǎn)時(shí)，則像距v=f，成實(shí)像，放大率K=0。可用于測(cè)定焦距；（2）當(dāng)∞＞u＞2f時(shí)，像的位置f＜v＜2f，這時(shí)是倒立實(shí)像，放大率K＜1。眼睛、照像機(jī)均相當(dāng)于這種成像關(guān)系；（3）當(dāng)u=2f時(shí)，v=2f，這時(shí)是倒立實(shí)像，放大率K=1，即物像的大小相等；（4）2f＞u＞f時(shí)，2f＜v＜∞，倒立實(shí)像，K＞1，放大像?；脽魴C(jī)，顯微鏡，均是這種成像關(guān)系；（5）u=f時(shí)，則v→∞這時(shí)無(wú)像，這時(shí)K→∞放大，探照燈是這種光學(xué)關(guān)系；（6）f＞u＞0時(shí)，v＜O，正立虛像，K＞1放大，放大鏡是這種光學(xué)成像關(guān)系。圖中的6各種情況，分別代表（1）、（2）、（3）、（4）、（5）、（6）所說(shuō)之情況?！景纪哥R的成像規(guī)律】 凹透鏡所成的像，無(wú)論物體的位置在焦點(diǎn)以外還是焦點(diǎn)以內(nèi)，它經(jīng)凹透鏡折射后，所成的像，都是縮小的，正立的虛像。像和物在透鏡的同側(cè)。因此它的成像規(guī)律，不同于凸透鏡那樣復(fù)雜。如圖4－21所示?！狙劬Α?人的眼睛是一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)。它的構(gòu)造可以簡(jiǎn)化為一個(gè)單凸透鏡和一個(gè)屏幕。從物體的兩端反射出的兩條光線對(duì)眼睛的光心點(diǎn)所張的角，叫做視角。物體越小或距離越遠(yuǎn)，視角越小。觀察很小或很遠(yuǎn)的物體，常使用放大鏡、顯微鏡和望遠(yuǎn)鏡等以增大射角。不是在任何距離處的物體人眼都能看清楚。眼睛能看清物體必要的條件是：（1）物體的像不但要落在視網(wǎng)膜上，并用要落在黃斑中央的中央凹處；（2）像應(yīng)該有一定的照度。進(jìn)入眼中的光通量是由瞳孔自行調(diào)節(jié)，達(dá)到一定照度。這一照度是在視網(wǎng)膜透應(yīng)機(jī)能范圍之內(nèi)；（3）視角一般不能小于1′（長(zhǎng)1厘米的線段在距眼睛34米處的視角約為1′）。由眼睛的調(diào)節(jié)作用（或稱調(diào)焦）所能看得清楚的最遠(yuǎn)和最近兩點(diǎn)，分別叫做遠(yuǎn)點(diǎn)和近點(diǎn)。正常眼睛遠(yuǎn)點(diǎn)在無(wú)窮遠(yuǎn)處，近點(diǎn)在10厘米到15厘米處。在適當(dāng)?shù)恼斩认?，物體離開(kāi)眼睛25厘米時(shí)，在視網(wǎng)膜上造成的像最清晰，并且看起來(lái)不易感到疲勞，這個(gè)距離叫做明視距離。人的眼睛就是一個(gè)透鏡系統(tǒng)。外界的景物通過(guò)成像在視網(wǎng)膜上而被視覺(jué)神經(jīng)所感受?！窘曆邸窟h(yuǎn)處物體無(wú)法成像于視網(wǎng)膜上，而在網(wǎng)膜前，這時(shí)要帶近視鏡。這是由于近視眼的晶狀體比正常眼睛凸一些，或視網(wǎng)膜距晶狀體的距離過(guò)遠(yuǎn)，所以造成遠(yuǎn)處的平行光不能會(huì)聚在視網(wǎng)膜上，而會(huì)聚在視網(wǎng)膜之前，這說(shuō)明近視眼的遠(yuǎn)點(diǎn)不在遠(yuǎn)窮遠(yuǎn)處。故不能看清遠(yuǎn)處物體，只能看清一定距離內(nèi)的物體。為了矯正近視眼，應(yīng)采用凹透鏡制成的眼鏡，使光通過(guò)眼鏡先發(fā)散，再通過(guò)晶狀體會(huì)聚，使會(huì)聚點(diǎn)后移到視網(wǎng)膜上?！具h(yuǎn)視眼】無(wú)窮遠(yuǎn)處的物體所成的像只能在視網(wǎng)膜后面。這是由于視網(wǎng)膜到晶狀體的距離過(guò)近，或晶狀體比正常人眼扁平所致。遠(yuǎn)視眼的近點(diǎn)比正常人眼遠(yuǎn)，所以視力范圍比正常人眼小。矯正遠(yuǎn)視眼的方法是用凸透鏡做眼鏡，使光線在進(jìn)入眼睛之前，先由凸透鏡會(huì)聚，以達(dá)到使會(huì)聚點(diǎn)移前而達(dá)到視網(wǎng)膜上?！狙坨R】用以矯正視力或保護(hù)眼睛的簡(jiǎn)單光學(xué)器件。由鏡片（一般為透鏡）和鏡架組成。矯正視力的眼鏡可