把观察带回生活
照相机和放大镜,
原来是同一条规律。
物体在焦点外,透镜后的光线能在另一侧会合,形成倒立的实像。照相机的感光面、投影仪的幕布,都需要放在合适的位置才能清晰。
物体在焦点内,出射光线仍然散开。眼睛把这些光线向后追溯,仿佛来自物体同侧一个更大、更远的图案——这就是正立的虚像。虚线只是追溯方向,那里没有光线真正会合。
下一次拿起放大镜,先猜:想放大文字,透镜应该靠近纸,还是离纸很远?
光学工作室 · 从照相机到放大镜
同一片透镜,为什么既能拍下远处风景,
又能放大眼前的小字?
移动物体,寻找光线相遇的地方。再移动光屏,亲手把模糊变成清晰。
望远镜让人们看见新世界,也留下了疑问:透镜到底怎样成像?1611 年,开普勒在《折光学》中研究透镜和光路,为理解光学仪器提供了方法。
一片透镜,两种看世界的方式
先做一件事
不用先懂公式。把模糊的 F 调清晰,再看看光线在哪里相遇。
把物体放到焦点里面,像会怎样?
先选一个想法,再用下方“放大镜”情景检验。
从“远处风景”开始:物体在 2f 外,光屏上能接到缩小、倒立的像。
二维光路可直接拖动物体与光屏。三维装置准备好后会在这里出现。
图中轮廓箭头标出理论像;右侧小窗单独观察光屏。可拖动物体与光屏。
光路是证据,公式是解释
物体在 2f 外,形成倒立、缩小的实像。
位置关系 · 薄透镜公式
1/f = 1/u + 1/v
1/10 = 1/30 + 1/15(cm⁻¹)
大小与方向 · 负号代表倒立
m = −v/u
−15 / 30 = −0.50
物高 2.00 cm,像高 −1.00 cm。负像高在主轴下方。
分离量来自物体顶端的两条代表光线,是调焦指示;小于物高的 4% 时显示“接近清晰”,不是实际分辨率。
带着目的,再试一次
选择一个挑战,自己调一调;按钮只准备条件,不会替你完成调焦。
留下证据,比较才有依据
最多六组,保存在此浏览器;不上传,也不会跨设备同步。试着固定焦距,只改变物距。
| u | f | 屏距 | v | m | 观察 | 恢复条件 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 还没有记录。改变一个条件,记下你的第一个发现。 | ||||||
保留两组观察后,在这里比较固定条件和变化。
把观察带回生活
物体在焦点外,透镜后的光线能在另一侧会合,形成倒立的实像。照相机的感光面、投影仪的幕布,都需要放在合适的位置才能清晰。
物体在焦点内,出射光线仍然散开。眼睛把这些光线向后追溯,仿佛来自物体同侧一个更大、更远的图案——这就是正立的虚像。虚线只是追溯方向,那里没有光线真正会合。
下一次拿起放大镜,先猜:想放大文字,透镜应该靠近纸,还是离纸很远?
这里采用空气中的理想薄凸透镜、近轴近似,物高固定为 2 cm。实像的像距为正,虚像为负;焦点处出射光平行,没有有限像距。图示为了可读性放大了透镜厚度。
两条代表光线说明物体顶端怎样成像,并非只有两条光。光屏不透明,会截住到达它的光;轮廓箭头只是理论像的位置。光屏两面使用同一投影图案便于转动观察,真实不透明光屏需从入光面观察。光屏预览不计算真实孔径、光强、像差、衍射或眼睛成像。
光路与案例表达参考 Ray Optics;本页模型、界面和图形独立实现。
先预测,再用证据解释
物体靠近透镜,光屏该向哪边移动才能重新清晰?
保持f=10 cm,先预测u=15 cm时像在哪里;独立调焦,再把u改到6 cm,光屏还能接到像吗?
二维看三条光线与延长线;三维看物体、透镜和光屏的独立位置。
仅此浏览器保存最近两组,第三组替换最早一组。条件、预测和解释一起保存;文字不自动判分。与原实验的临时记录分别保存。
尚未保存。启用交互后可以记录;请勿在这里填写个人身份信息。
认识光沿直线传播;定量层需要倒数运算。
先看现象:先把光屏调清,再把物体移过焦点,比较能否接到像。
再做定量:用物距、像距和焦距核对薄透镜关系。
1/f=1/u+1/v;放大率m=−v/u,长度单位cm。
解析核验提示:f=10、u=30得到v=15;u=15得到v=30;u=f无有限像距。
适用范围:理想薄透镜、近轴近似;模糊是示意,不计算像差、衍射与真实照度。
OpenStax College Physics 2e §25.6,薄透镜方程与放大率。 ↗
本页为模型探索,未认证具体教材章节;真实学生和教师反馈尚待推广后收集。