物理精讀:凸透鏡與凹透鏡

凸透鏡(Convex Lens)凹透鏡(Concave Lens)是兩種常見的光學元件,因為它們能夠改變光線的方向,形成特定的圖像,從而在生活和科學中有廣泛應用。這兩種透鏡的設計原理不同,因此在應用中扮演的角色也有所區別。


1. 凸透鏡的原理與應用

原理:匯聚光線

凸透鏡是一種會聚透鏡(Converging Lens),其中間比邊緣厚。當平行光線經過凸透鏡時,光線會被折射並聚集於一個點,稱為焦點(Focal Point)

圖像性質

凸透鏡可以形成實像虛像,具體取決於物體與透鏡之間的距離:

  • 當物體距離大於焦距時,形成倒立的實像。
  • 當物體距離小於焦距時,形成放大的正立虛像。

凸透鏡的應用

  1. 放大鏡

    • 放大鏡的工作原理是利用凸透鏡在焦距內形成放大的虛像。
    • 常用於觀察細小的物體,如文字、昆蟲等。
  2. 相機與望遠鏡

    • 凸透鏡在相機中用於聚焦光線,將物體的光聚集在感光元件(如底片或傳感器)上,形成清晰的圖像。
    • 在望遠鏡中,凸透鏡用於放大遠處物體,便於天文觀測或地面觀察。
  3. 眼鏡矯正(遠視)

    • 對於遠視眼患者,眼睛無法有效聚焦近處物體。凸透鏡可以幫助將光線聚焦在視網膜上,改善視力。

2. 凹透鏡的原理與應用

原理:發散光線

凹透鏡是一種發散透鏡(Diverging Lens),其邊緣比中間厚。當平行光線經過凹透鏡時,光線會被折射,向外發散,並且看起來像是來自某個虛焦點。

圖像性質

凹透鏡只能形成虛像,並且圖像總是縮小的、正立的。

凹透鏡的應用

  1. 門鏡(貓眼)

    • 門鏡(即門上的窺視孔)利用凹透鏡的發散特性,將外部的廣闊視野壓縮到一個小視角內,使住戶能看到門外的全景。
  2. 眼鏡矯正(近視)

    • 對於近視眼患者,光線進入眼睛時過早聚焦在視網膜前。凹透鏡能夠將光線發散,延遲其聚焦,使光線準確地聚焦在視網膜上。
  3. 激光發散器

    • 在某些光學設備中,凹透鏡用於發散激光束,將激光調整為更寬的光線分佈,便於測量或傳輸。

3. 凸透鏡與凹透鏡的比較

特徵凸透鏡(Convex Lens)凹透鏡(Concave Lens)
形狀中間厚,邊緣薄中間薄,邊緣厚
光線行為聚焦光線(會聚)發散光線(散射)
焦點實焦點虛焦點
形成的像可形成實像或虛像,根據物距而定只能形成縮小的虛像
應用放大鏡、相機、望遠鏡、遠視眼鏡門鏡、近視眼鏡、激光發散器

Convex Lens | Definition, Equation & Types - Lesson | Study.com


4. 棱鏡與透鏡的應用區別

雖然棱鏡和透鏡都是用來改變光線路徑的光學元件,但它們的工作原理和用途有所不同:

  • 棱鏡通過折射和色散將白光分解為彩虹光譜,用於光學分析。
  • 透鏡則用來改變光的聚焦或發散,用於成像和視覺矯正。

總結

凸透鏡和凹透鏡在光學中有著截然不同的特性和應用。凸透鏡能夠聚焦光線,應用於放大鏡、相機和遠視眼鏡;凹透鏡能夠發散光線,常見於門鏡、近視眼鏡和激光調節裝置。透鏡的巧妙設計,不僅讓我們看得更清楚,還使得科學研究和技術應用變得更加精確和便利。

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