凸透镜一定使光线会聚吗?

蒋龙成 陈海韬

(1. 苏州大学物理科学与技术学院,江苏 苏州 215006; 2. 苏州市实验中学,江苏 苏州 215010)

初中物理教材中,关于透镜的描述是这样的:利用光的折射可以制成各种改变光路的器件,其中应用最普遍的是透镜．透镜有两类:中间比边缘厚的叫凸透镜;中间比边缘薄的叫凹透镜．凸透镜对光线有会聚作用,凹透镜对光线有发散作用．笔者调查部分学生和教师关于透镜对光的作用问题时,几乎所有学生甚至部分教师的回答都是凸透镜使光线会聚,凹透镜使光线发散．当问及该规律成立的条件时,许多学生都表示没有考虑过．凸透镜使光线会聚,凹透镜使光线发散在任何条件下一定成立吗?若不一定,则该规律成立的条件是什么?本文将以凸透镜为例,探讨凸透镜对光的作用规律．

图1 折射定律图

我们知道,透镜是利用光的折射规律改变光路的,如图1所示,PQ为折射率分别为n1和n2两介质的分界面,根据折射定律有

n1sinθ1=n2sinθ2,

因此光线的偏折情况取决于两种介质的折射率．

1 当周围介质折射率n1小于透镜折射率n2时

如图2所示,将玻璃透镜放置于空气中,由于玻璃透镜的折射率n2大于空气的折射率n1,根据折射定律n1sinθ1=n2sinθ2,有sinθ1>sinθ2,θ1>θ2,类似可得θ4>θ3,此时凸透镜使光线会聚．初中物理教材中的结论一般都是指这种情况．

图2 玻璃透镜在空气介质中的光路图

2 当周围介质折射率n1大于透镜折射率n2时

若在水中吐了一个空气泡,此空气泡中间比边缘厚,相当于空气凸透镜．如图3所示,当空气透镜在水介质中,周围水的折射率大于空气透镜折射率,根据折射定律

n1sinθ1=n2sinθ2，

由于n1>n2,所以sinθ1

因此,当外部环境介质折射率大于凸透镜折射率时,凸透镜使光线发散．

图3 空气透镜在水介质中的光路

3 当周围介质折射率n1等于透镜折射率n2时

若周围介质折射率n1等于透镜折射率n2时,相当于光在同一种介质中传播,光线将不会发生偏折,而是直线传播．

4 实验验证

图4

(1) 实验装置和器材.

如图4所示,我们利用两个平凹镜粘合使其中间形成凸透镜状的空气介质,相当于空气透镜置于玻璃介质中,此时外部环境介质折射率大于凸透镜折射率，根据前述结计，此时若用平行光入射凸透镜，凸透镜将使光线发散．用红外线笔作为光源,为了使光路可见,将器材放置于墨水中,以便观察和记录光路．

(2) 实验结果.

实验结果如图5所示,从图中可以清楚地看出,当外部环境介质折射率大于凸透镜折射率时,光线通过凸透镜向外发生偏折,确实使光线发散．

图5 实验光路显示图

5 结语

本文主要分析并通过实验验证了凸透镜改变光路的规律取决于外部环境介质的折射率和透镜本身的折射率,当透镜折射率大于周围环境介质折射率时,凸透镜对光线有会聚作用;当透镜折射率小于周围环境介质折射率时,凸透镜对光线有发散作用．类似的,也可以用同样的方法讨论凹透镜对光的作用规律．

许多物理现象或者结论都是在一定条件下才成立．当条件发生改变时,现象可能也会随之改变．因此,在看待物理问题时,我们不仅需要关注其现象,更要关注现象背后的本质．这样才能真正理解其物理规律．

参考文献：

1 华东地区初中物理教材编写协作组.九年制义务教育初级中学课本物理(第一册)[M]. 上海:上海科学技术出版社,1996:169-170.

2 李见证.领悟光的折射原理剖析凸透镜成像规律[J].中学物理(初中版).2015(1):86-87.

3 张红云.凸透镜成像规律实验的创新设计[J].实验教学与仪器,2015(4):31-32.