第四章光的折射透镜【知识梳理】1．光的折射A.光的折射(1)能够传播光的物质，叫做光的介质．(2)光从一种介质射人另一种介质时，传播方向通常会发生偏折的现象叫做光的折射．说明，即使同一种介质中，如果介质的疏密分布不均匀，光线也会发生折射．(3)折射光线与法线的夹角叫做折射角．B.光的折射规律(1)光折射时，折射光线在入射光线和法线所决定的平面内；折射光线和人射光线分居在法线的两侧．光从空气斜射入其他介质中时，折射角小于入射角，而从其他介质中斜射入空气中时，折射角大于入射角．光从一种介质垂直射入另一种介质时，传播方向不变．(2)在光的折射现象中，光路是可逆的．C.光的两次折射现象将玻璃等透明物质放在空气中，光通过这些介质时，将在它的两个界面上发生折射现象．光通过窗户上的平板玻璃、玻璃三棱镜、透镜等介质上，都会发生两次折射．如图甲所示是光通过玻璃砖时的光路图，光AB在B点由空气进入玻璃时，折射光线BC靠近法线；光在C点由玻璃进入空气时，折射光线CD偏离法线．由于玻璃砖的两个界面是平行的，所以经过两次折射后，从玻璃砖射出的光线与射向玻璃砖的光线平行，即CD∥AB，但两者间有一个侧向位移．如图乙所示是光通过玻璃三棱镜时的光路图．光AB在B点由空气进入玻璃时，折射光线BC靠近法线；光在C点由玻璃进入空气时，折射光线CD偏离法线．由于玻璃三棱镜的两个界面是不平行的，所以经过两次折射后，从玻璃砖射出的光线与射向玻璃砖的光线的方向不同，进一步的分析可知：光线经两次折射后将向三棱镜的底面偏折．D．全反射当光从水或别的透明物质斜射入空气里时，折射角随入射角的增大而增大，当入射角增大到某一角度(临界角)时，折射光线消失，全部光线返回原来物质中，这种现象叫做全反射．现代科技中的光导纤维就是利用全反射现象工作的．E．大气中的折射现象关于幻日(三日同辉)：1965年1月10日上午，在大兴安岭的林区，人们看到三个太阳高悬空中长达4 h之久，所见之人无不称奇．原来，一月的大兴安岭，寒冷异常，大量的水蒸气在高空凝华成一个个的六角柱状小冰晶，组成半透明的卷层云．当太阳升起时，阳光射向悬浮在空中的小冰晶上，折射后射出来的光线恰好与太阳在同一平面，于是太阳的两侧，就各形成一个亮点．在地面上的人们看起来，就像三个太阳悬挂在空中一样．形成“三日同辉"的条件非常苛刻，卷层云的透光度必须适当，云中的小冰晶也必须是正六角柱状纠且均匀垂直排列，才会出现“三日同辉p的现象．因此，这种现象是非常罕见的光学现象．清晨，当人们看到太阳从地平线上冉冉升起的时候，太阳的实际位置还在地平线以下．傍晚，当人们看见太阳贴近地平线的时候，太阳的实际位置已经在地平线以下了．这种现象是地球周围的大气对太阳光的折射所造成的．太阳距离地球大约l.5×108km地球的外围包围着一层厚厚的大气，当太阳光从真空进入大气层的时候，就发生了折射．大气的折射可以把太阳抬高35＇那么大的角度．太阳的圆面对地球上的观察者来说，张角恰好是35＇，所以当你看到太阳圆形表面的下缘刚刚离开地平线的时候，实际上它的上缘还在地平线以下，如下图所示．将一枝铅笔斜插入水中，铅笔浸在水中的部分好像向上偏折了；在游泳池边看池底，池底好像上升了；潜水员在水中看岸边的树，树好像变高了．这些现象都可用光的折射规律来解释．2．透镜A.透镜及其种类透镜通常是用玻璃磨制的，它的一个侧面或者两个侧面是球面的一部分，如果透镜的厚度远小于球面的半径，这种透镜叫做薄透镜，中学阶段一般只研究薄透镜．透镜有两类：中间厚边缘薄的叫做凸透镜；中间薄边缘厚的叫做凹透镜．B.有关透镜的几个概念(1)光心0：透镜的几何中心．(2)主光轴(简称主轴)MN：通过光心和球面球心的直线．(3)焦点F：一束平行于凸透镜主光轴的光线通过凸透镜将会聚于一点，这一点叫做凸透镜的焦点(实焦点)．一束平行于凹透镜主光轴的光线通过凹透镜后将变成发散的光线，将这些发散的光线反向延长也会交于一点，这一点叫做凹透镜的焦点(虚焦点)．每一个凸透镜和凹透镜都有两个焦点，且两个焦点到光心等距．(4)焦距f：焦点到光心的距离．C. 通过透镜的三条特殊光线(1)通过光心的光线传播方向不变．(2)平行于主轴的光线通过凸透镜后经过焦点；平行于主轴的光线通过凹透镜后发散，出射光线的反向延长线经过焦点．(3)通过焦点的光线经过凸透镜后与主轴平行；正向延长线通过焦点的光线经过凹透镜后，出射光线于主轴平行．D．透镜对光线的作用凸透镜对光线有会聚作用，所以凸透镜又叫做会聚透镜；凹透镜对光线有发散作用，所以凹透镜又叫做发散透镜．说明：如何理解透镜对光线的“会聚作用”和“发散作用”?首先，应该将“会聚作用”和“会聚光线”、“发散作用”和“发散光线”区别开．“会聚光线”和“发散光线”是相对于平行光线而言．如图甲所示，(a)图表示的是一束会聚光线，(b)图表示的是一束发散光线．会聚光线顺着箭头的方向延长后相交于一点，而发散光线则不能，但发散光线的反向延长线能相交于一点．“会聚作用”和“发散作用”是相对于入射光线的会聚、发散程度是增强还是减弱而言的．如图乙所示的(a)图，虽然光线经过凸透镜以后的光线是发散光线，但它与入射光线相比，它的发散程度减弱了，所以凸透镜仍然对光线起的是会聚作用．又如图乙(b)中所示，虽然经过凹透镜后出来的光线是会聚光线，但它与入射光线相比，它的会聚程度减弱了，所以凹透镜对光线起的是发散作用．一束光线经过透镜会聚后不一定得到一束会聚光线；一束光线经过凹透镜发散后不一定得到一束发散光线．E.透镜的奥秘凸透镜的会聚作用、凹透镜的发散作用以及透镜的成像，都是由于光的折射造成的．3．探究凸透镜成像的规律A.凸透镜成像的规律a.列表归纳：b．图示归纳：利用如图所示的图有助于我们从变化的、整体的角度把握凸透镜成像的规律．图中1~6为物体所在的六个不同位置，1＇～6＇表示物体通过凸透镜所成的像的位置、大小、正倒及虚实情况．(1)从图中(或前述表格中)可以看出，只要物体不在焦点上，凸透镜就能使物体成像．判断凸透镜成像情况时，要抓住l倍焦距、2倍焦距这两个分界点；抓住这两个分界点所分开的三个区域的成像特点．①1倍焦距点是实像与虚像的分界点．当物体在1倍焦距以外时，成实像；当物体在1倍焦距以内时，成虚像；物体在焦点处时，不能成像．②2倍焦距点是成放大实像与缩小实像的分界点，当物距大于2倍焦距时，所成的像是缩小的；当物距等于2倍焦距时，像和物的大小相等；当物距小于2倍焦距时，所成的像时放大的．(2)当物体沿着主光轴移动时，像与物的移动方向是相同的．①凸透镜成实像时，物距减小，像距变大，像也变大；物距增大，像距变小，像也变小．②凸透镜成虚像时，物距减小，像变小；物距增大，像变大．像的性质光屏上能否成像正、倒情况相对于凸透镜的情况放大、缩小的情况光线传播情况实像能倒立像、物位于凸透镜两侧既有放大的也有缩小的实际光线会聚而成虚像不能正立像、物位于凸透镜同侧，放大的实际光线反向延长相交而成B投影仪投影仪是利用凸透镜能成倒立、放大实像的原理制成的，如图所示，投影仪的镜头是一个凸透镜，当透明胶片放在距凸透镜光心的距离在1倍焦距到2倍焦距之间时，在屏幕上会得到物体放大的实像．平面镜的作用是改变光路，使像投在前方的屏幕上．C放大镜放大镜是利用凸透镜成正立、放大的虚像的性质工作的．4．照相机与眼睛、视力的矫正A.照相机与眼睛照相机与眼睛都是利用u>2f时，物体通过凸透镜成倒立、缩小、实像的原理工作的．(1)照相机①主要构造如图甲所示，照相机由镜头、光圈、快门和暗箱等主要部件组成．②成像原理如图乙所示，照相机的镜头相当于一个凸透镜，摄像时人站在距离透镜2倍焦距之外，在胶卷上形成的是一个缩小、倒立的实像．调节光圈的大小，可以改变进入照相机的光的强弱．调节快门，可以控制曝光的时间，摄影之后，经过冲印后便得到照片．(2)眼睛①主要构造如图所示，人类和某些动物的眼睛像一架照相机，从功能上看，他们类似的部位如下表所示：眼睛角膜、晶状体视网膜瞳孔眼睑照相机镜头底片光圈快门②成像原理来自物体的光经晶状体成像于视网膜上，再通过视觉神经把信息传到大脑，产生视觉．在外界景物突然消失后，视神经对它的印象还会延续0．1 S左右．眼睛的这种特性叫做视觉暂留．③照相机与眼睛的不同之处普通的照相机是通过改变底片与镜头之间的距离，即通过调整像距使像变得清晰；而眼睛是通过它周围肌肉的活动使晶状体变厚或者变薄，通过改变凸透镜焦距，从而使不同距离的物体都能在视网膜上成清晰的像．眼睛的这一性能说明它是一个变焦距系统．B.视力的缺陷及其矫正常见的视力缺陷有近视和远视，这都是由于眼睛的调节功能降低，不能使物体的像清晰地成在视网膜上所引起的．(1)近视眼①成因如图甲所示，近视眼是晶状体太厚，折光能力太强，使来自远处某点的光会聚在视网膜前，导致人看不清远处的物体，只能看清近处的物体．②矫正如图乙所示，近视眼可用凹透镜的镜片来矫正，该镜片的作用是将光发散，从而使远处的物体在视网膜上成清晰的像．(2)远视眼①成因如图甲所示，远视眼是晶状体太薄，折光能力太弱，使来自近处某点的光还没有会聚成一点就到达视网膜了，在视网膜上形成一个光斑，导致人看不清近处的物体，只能看清远处的物体．②矫正如图乙所示，远视眼可用凸透镜的镜片来矫正，该镜片的作用是将光会聚，从而使远处的物体在视网膜上成清晰的像．C.眼镜的度数透镜焦距(以m为单位)的倒数叫做透镜焦度，眼镜镜片的度数是其透镜焦度的l00倍．远视镜片的度数是正数，近视镜片的度数是负数．眼镜的度数表示的是镜片折光本领的大小，度数越大的镜片，会聚或发散光线的本领越大． 5．望远镜与显微镜A.目镜与物镜通常的望远镜(或显微镜)可看做是由两个透镜组成的，靠近眼睛的透镜叫做目镜，靠近被观察物体的透镜叫做物镜．物镜所成的像相当于目镜的物．B．望远镜(1)伽利略望远镜的主要组成和基本原理物镜用焦距较大的凸透镜，目镜用焦距较小的凹透镜．如图甲所示，远处物体射来的光线(可视为平行光)，经过物镜后，在尚未会聚成像之前，遇到目镜(凹透镜)，将使会聚光线发散，这些发散光线反向延长线的交点，形成正立的虚像，由于增大了视角，故提高了分辨能力．(2)开普勒天文望远镜的主要组成和基本原理物镜用焦距较大的凸透镜，目镜用焦距较小的凸透镜．如图乙所示，远处射来的光线(可视为平行光)，经过物镜后，会聚在它的后焦点外离焦点很近的地方，成一倒立、缩小的实像，目镜的前焦点和物镜的后焦点是重合的．所以物镜的像作为目镜的物体，从目镜可看到远处物体的倒立虚像，由于增大了视角，故提高了分辨能力．(3)伽利略望远镜和开普勒望远镜的比较(见下表)：C.显微镜(1)显微镜的主要组成和基本原理．．物镜用焦距较小的凸透镜，目镜用焦距较大的凸透镜．如图所示，物镜的作用是得到物体放大的实像，目镜的作用是把物镜所成的像作为物体，位于目镜的焦点之内，以得到它的放大的虚像，由于增大了视角，故提高了分辨能力．开普勒望远镜显微镜相同点都是由物镜和目镜组成，它们都是凸透镜不同点物镜是长焦距的凸透镜，目镜是短焦距的凸透镜物镜是短焦距的凸透镜，目镜是长焦距的凸透镜经物镜成倒立、缩小的实像，再经目镜成放大的虚像经物镜成倒立、放大的实像，再经目镜成放大的虚像【典例剖析】1.2006年3月某日7时40分，黑龙江省大庆市市民惊奇地发现东方冉冉升起的太阳周围出现名称伽利略望远镜开普勒望远镜组成物镜目镜物镜目镜凸透镜凹透镜凸透镜凸透镜物镜焦距大，目镜焦距小物镜焦距大，目镜焦距小两个透镜主轴共线成像情况正立的像倒立的像应用观察地面上的物体、天体主要用于观察天体(天文望远镜)了多个“小太阳”，太阳的上方还有一道美丽的彩虹．出现这种天象的原因主要是由于在特殊的天气条件下，云中竖直挂列着许多小冰晶(小冰晶相当于三棱镜)． (1)天空出现的彩虹，可以说明太阳光是一种 (填“单色光”或“复色光”)． (2)人们能够看到多个“小太阳”，是由于太阳光经小冰晶反射和 后所形成的虚像． 2.如图(1)所示，鱼缸中只有一条小鱼，而眼睛从A 点可以观察到两条，一条鱼的位置变浅，另一条鱼变大．前者是由于 形成的 (填“实”或“虚”)像；后者是由于鱼缸的 (填“左”或“右”)侧部分等效于凸透镜而形成的 (填“实”或“虚”)像． 3.小明用蜡烛、凸透镜和光屏做“探究凸透镜成像的规律"的实验，如图所示： (1)要使像能够成在光屏的中央，应将光屏向 调整(填“上”或“下”)． (2)实验过程中，当烛焰距凸透镜15 ㎝时，移动光屏至某一位置，在光屏上得到一等大、清晰的像，则该凸透镜的焦距是 cm. (3)接着使烛焰向左移动 5 cm ，此时应该将光屏向 移动到某一位置(填“左”或“右”)，才能在屏上得到倒立、 、清晰的实像(填“放大”、“缩小”或“等大”)． 4.某同学在研究凸透镜成像规律的实验时，记下了物体离透镜的距离a ，跟实像到透镜的距离b 之间的关系，并画出了图线如图所示，请根据图线回答： (1)凸透镜的焦距为 厘米； (2)物体的大小和实像的大小相等时，物体到实像间的距离为 厘米． 5.为了比较甲、乙两个凸透镜焦距的大小，小明先后用这两个凸透镜做成像实验．他使烛焰、透镜、和光屏三者的中心在同一水平直线上，且使两个凸透镜与光屏间的距离均为20 cm 实验时发现：烛焰经凸透镜甲折射后在光屏上所成的是一个清晰缩小的像，烛焰经凸透镜乙折射后在光屏上所成的是一个清晰放大的像．由此可以判断：凸透镜 的焦距较大． 6.如图所示，光从空气斜射入玻璃中时，发生了折射现象．从图中看出折射角γ小于入射角i ．但i 与γ之间究竟有什么定性关系呢?荷兰学者斯涅尔通过实验终于找到了i 与γ之间的规律．下表列出的是一组光从空气进入玻璃时，i 与γ的数值． 分析上述实验数据，得出人射角跟折射角之间的定量关系是 ． 7. 某实验小组在探究光的折射规律时，将光从空气分别射入水和玻璃，测得数据如下表：入射角i 折射角γ i ／r sini ／sin γ 10。