3.5 奇妙的透镜
【与教材不同之处】
更详细描述透镜对光线的作用特点，更详细分析什么是会聚作用和发散作用。
什么是透镜
两侧或一侧表面常是球面的透明体，称为透镜，如图3-5-1所示。
根据透镜表面的凹凸情况，透镜可分为凸透镜和凹透镜。中间厚边缘薄的透镜称为凸透镜，中间薄边缘厚的透镜称为凹透镜，如图3-5-2所示。图中的上面三个透镜都是凸透镜，下面的三个透镜都是凹透镜。
透镜在生活中应用非常广泛，比如近视眼镜的镜片（凹透镜）、老花眼镜的镜片（凸透镜），照相机和投影仪的镜头（凸透镜）、放大镜（凸透镜）、望远镜和显微镜的镜头（凸透镜），甚至我们眼睛的晶状体（凸透镜）都是透镜，如图3-5-3所示。
几个名词
如图3-5-4所示，在了解透镜对光线的折射特点前，我们先了解几个名词。
透镜的中心，叫做光心，一般有符号o表示。
通过透镜两个球面球心的直线，叫做主光轴。主光轴必定会经过光心的。
凸透镜对光线的折射特点
这说明，凸透镜对光线有会聚作用。我们做一个实验，如图3-5-5所示，当入射光平行于主光轴，通过凸透镜后，它们传播方向向主光轴靠拢，并最终会聚到一点，而且会聚点在主光轴上。
会聚点称为焦点，也称实焦点，一般用符号F表示。
通过上面的实验，我们还发现经过光心的入射光，通过透镜后，传播方向不发生改变，继续沿原方向传播。
通过这个实验，有几点需要强调的是：
（1）凸透镜对光线有会聚作用，并不等同于“光线必须会聚于一点”。所谓会聚作用，是指光通过凸透镜后，折射光线向主光轴方向靠拢。
因此，我们判断透镜对光线是否有会聚作用，是观察折射光线是否向主光轴方向靠拢，不是观察是否有“会聚点”。
如图3-5-6所示，虽然光线看似在“发散”，但当我们延长入射光线的传播方向，发现折射光线是向主光轴方向靠拢，所以，此透镜对光线是会聚作用。
（2）焦点并不等同于“交点”或“会聚点”。如图3-5-7所示，虽然也有光束的“会聚点”，但此会聚点不是焦点。
“会聚点”要成为焦点，则必须满足一个条件：所有入射光必须与主光轴平行。图3-5-7中的入射光与主光轴并不平行，所以这个会聚点并不是焦点。
需要强调的是，如果入射光是平行的，但没与光主轴平行的，会聚点也不是焦点。
在实际操作中，如何做到入射光与主光轴平行呢？
将光源发出的平行光正对凸透镜，基本上就做到入射光平行于主光轴。
（3）如果入射光经过焦点射向凸透镜，折射光将如何传播呢？
根据光路的可逆性，所有入射光经过焦点射向凸透镜，折射光线将与主光轴平行。也就是说，经过凸透镜的光线没有交点或会聚点。虽然没有交点和会聚点，但这种情况也能体现凸透镜对光线的会聚作用，因为折射光线相比原方向都是向主光轴方向靠拢的。
这种情况再次说明，凸透镜对光线有会聚作用，并不代表一定要有会聚点。
根据上述三点说明，我们可用光路图来总结出凸透镜对光线作用特点（选择具有代表性三条光线）， 如图3-5-8所示。
这三条光线的特点是：一是入射光平行于主光轴射向凸透镜，折射光线必定经过焦点；二是入射光经过光心后传播方向不发生改变；三是入射光经过焦点射向凸透镜，折射光线平行于主光轴。
凹透镜对光线的折射特点
我们再做一个实验，如图3-5-9所示，当入射光平行于主光轴，通过凹透镜后，它们传播方向远离主光轴，但它们折射光线的反向延长线会交于一点，而且交点在主光轴上。
这说明，凸透镜对光线有发散作用。
折射光线的反射延长线的交点称为虚焦点，也是用符号F表示。
同样的，我们发现入射光经过凹透镜光心，传播方向也不发生改变，继续沿原方向传播。
需要强调的是：
（1）凹透镜对光线的发散作用，是指光通过凹透镜后，折射光线相比入射光线的原方向远离主光轴。
因此，我们判断透镜对光线是否有发散作用，是观察折射光线相比原方向是否远离主光轴方向，即使有“会聚点”，光线也可能是发散的。
如图3-5-10所示，虽然光线“会聚了一点”，看似不是发散的，但当我们延长入射光线的传播方向，发现折射光线相比原方向是远离主光轴的，所以，透镜对光线是发散的。
（2）如果入射光的延长线经过凹透镜另一侧的虚焦点，折射光将如何传播呢？
根据光路的可逆性，入射光的延长线经过凹透镜另一侧的虚焦点射向凹透镜，折射光线将与主光轴平行，如图3-5-11中的第②条光线所示。这种情况再次说明，即使折射光线是平行的，好像没有发散，但其实这种平行的折射光线仍可能凹透镜对光线发散作用的结果。
如图3-5-11所示还展示过光线、入射光平行于主光轴的光路图。这三条光线的特点是：一是入射光平行于主光轴射向凹透镜，折射光线的反向延长线必定经过焦点；二是入射光经过光心后传播方向不发生改变；三是入射光的延长线经过焦点射向凹透镜，折射光线平行于主光轴。
焦距
什么是焦距？
焦距是指焦点到光心的距离，用符号f表示，如图3-5-12所示。
凸透镜和凹透镜的两侧都有焦点，所以，每个透镜有两个焦点，两段焦距。
我们如何测定凸透镜的焦距呢？
我们可以把凸透镜正对太阳光（太阳光相对地球而言是平行，透镜正对太阳，其实就是做到了入射光与主光轴平行，则折射光线的会聚点就是焦点），然后在地面找到最小最亮的点，这个亮点就是焦点，如图3-5-13所 。再用刻度尺测出光心的位置到最亮点位置的距离，这个距离就是焦距。
这种测量方法其实误差还是比较大，为了试验准确，可以改进测量方法，并多次测量取平均值。
生活中有关凸透镜对光线的会聚作用
森林中不要随意丢弃空的矿泉水瓶，如图3-5-14所示，这是为什么呢？
因为瓶中如果还残留水，则瓶中有水的部分的形状像凸透镜，对光线有会聚作用，当焦点落在干枯的枝叶上，极有可能引起火灾。
有些人常在汽车的仪表板上放置香水，其实这样做是有安全隐患的，因为香水瓶的玻璃瓶体类似于一个凸透镜，对太阳光有会聚作用，如果会聚的焦点落在瓶中的香水上，就有可能引发爆炸。
【本节学到的内容】
1、透镜的分类
中间厚边缘薄的透镜称为凸透镜，中间薄边缘厚的透镜称为凹透镜。
2、两种透镜对光线的作用
凸透镜对光线有会聚作用，凹透镜对光线有发散作用。
3、什么是焦点
入射光平行于主光轴，通过凸透镜后，折射光线的会聚点叫做焦点，用符号F表示。
4、什么是焦距
焦距是指焦点到光心的距离，用符号f表示。
【自我检测与巩固】
1、识别下列透镜：属于凸透镜的是：____________；属于凹透镜的是：____________；
2、填上合适的透镜：
3、小华有三只大小、形状完全相同的凸透镜，分别是由玻璃、水晶、塑料制成，现在小华想要探究凸透镜的焦距和材料是否有关。现在可以在晴朗的天气里完成这个实验，请问：
（1）除了以上的三个透镜外还需要的测量工具 __________。
（2）如何测量凸透镜的焦距？简述其探究过程。
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