图版 29 · 光与声
一块弯曲的玻璃
光从空气射进玻璃时,会稍稍拐个弯。把玻璃磨成中间厚、边缘薄的样子,所有的光就会被拐向同一个点。放大镜、相机、望远镜,还有你眼睛里的晶状体,都是这样工作的。
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光拐了个弯
光在玻璃里比在空气里慢。所以一束斜着射进玻璃的光,会朝更接近垂直的方向拐一下,出来时再拐回去,这叫折射。
拐多大的弯,有一条精确的规律,叫斯涅尔定律:以偏离垂直方向 45° 射进普通玻璃的光,进去后只偏 28° 左右。
光线按斯涅尔定律逐面计算
汇聚到一点
凸透镜中间厚、边缘薄。越靠近边缘的光,碰到的玻璃表面越倾斜,拐的弯越大,于是所有平行射来的光都被拐向同一点,这个点叫焦点。
焦点到透镜的距离叫焦距。透镜两面弯得越厉害,焦距越短,把光折得越厉害。
倒立的像
一个物体上的每一点发出的光,经过透镜,都会汇聚到另一边的某一点(只要物体在焦点以外)。这些点合在一起,就是一个像,而且是上下颠倒的。
物体离透镜越近,像就离得越远、越大。相机和投影仪对焦,就是调整透镜到底片或屏幕的距离。
眼睛里的透镜
你的眼睛也是这样成像的:角膜和晶状体一起把光汇聚到眼球后面的视网膜上,形成一个倒立的小像,大脑早已学会把它理解成正立的。
眼睛汇聚光的本领约为 60 屈光度,相当于一面焦距约 17 毫米的透镜。看近处时,晶状体还会变厚一些,把焦距调短。
眼球剖面示意
近视和眼镜
如果眼球长得稍微长了一点,远处来的光就会在视网膜前面汇聚,到了视网膜上已经散开,看到的东西就模糊了,这就是近视。眼球只要长出 1 毫米,就需要大约 300 度(−3 屈光度)的近视眼镜。
近视眼镜是中间薄、边缘厚的凹透镜,先把光稍稍散开,让眼睛刚好把它汇聚在视网膜上。据估计,到 2050 年,全世界约有一半的人会近视。
你来试试
调节透镜两面的弯曲程度和物体的位置,看焦点和像怎样移动:物体靠近焦点时,像会跑得很远、变得很大。
试一试把物体放在焦距的两倍处,像有多大?朝哪边?
模型省略了什么
光线是在一个平面里、对每个表面用斯涅尔定律逐条计算的,所以能看到真实透镜的一个小缺陷:边缘的光会稍早一点汇聚,这叫球差。不同颜色的光拐弯程度略有不同,这里没有画出来。眼睛的模型做了简化,把角膜和晶状体合成一块透镜。真实的眼球里充满液体,每长 1 毫米约需 300 度;这里的简化模型需要的度数稍多一些。
一个常见的误解
透镜并不是把光“吸”向中心,也不是只有中间那一点在起作用。整块透镜的每一部分都在把光折向焦点,所以挡住透镜的一半,像并不会少一半,只是变暗。另外,戴度数合适的近视眼镜,不会让眼睛“变懒”,也不会让近视加深。

