基督复临安息日会青年荣誉解答手册/健康与科学/光学

光学
健康与科学世界总会	技能水平 2
健康与科学世界总会	引入年份：1962

光学荣誉是健康大师奖的一部分。

1. 定义和/或绘制以下内容的示意图

a. 焦距

从透镜（透镜中心）或镜子到焦点的距离。

b. 正透镜

这种类型的透镜通过将光线汇聚到一个共同的焦点来创建实像。

c. 负透镜

这种类型的透镜会使光线发散或导致光线扩散。它会创建一个虚拟的焦点，这个焦点似乎是光线来源的位置。

d. 两种类型的畸变

桶形畸变

当您离透镜中心越远，放大倍数就越小。这是鱼眼镜头中的畸变类型。它看起来像图像已映射到一个球体上。

枕形畸变

当您离透镜中心越远，放大倍数就越大。这种类型的畸变通常出现在低质量的长焦镜头中。它看起来像图像已向中间收缩。

e. 纵向色差

不同的光线颜色在穿过玻璃等介质时会发生不同程度的弯曲。这种现象被称为色差。其影响是焦点的纵向位移（沿透镜轴）。

色差是由于不同颜色的光线以不同的速度穿过玻璃等介质而造成的。光线从一种介质传播到另一种介质时发生的弯曲程度由斯涅尔定律给出

{\frac {\sin \theta _{1}}{\sin \theta _{2}}}={\frac {velocity\ 1}{velocity\ 2}}={\frac {n_{2}}{n_{1}}}

速度差越大，弯曲越明显。

f. 横向色差

g. 球面像差

表面为球形的透镜更容易制造，但它们有一个缺陷，即穿过透镜中心的附近的光线与穿过透镜边缘附近的的光线会聚焦在不同的点上。

球面镜会显示与球面透镜相同的像差，但将镜面抛物线化以使焦点位于单点上相当容易。非球面透镜难以制造，但现代计算机控制的抛光机正在提高透镜质量。

h. 消色差透镜

通过使用由不同材料制成的两个透镜，我们可以最大限度地减少透镜产生的色差量。这一原理用于所有高质量透镜，以创建更好的图像。

i. 光的折射

当光线从一种介质传播到另一种介质时，它会发生弯曲。两种介质的差异越大，折射量就越大。

2. 解释光线在照射或穿过水、油、长石和镜子时是如何表现的。

水

当光线穿过空气并照射到水中时，它会弯曲或折射。这是由于光线在空气中的传播速度和在水中的传播速度之间的差异造成的。

油

当光线照射到油（或肥皂泡）上时，它会发生 *两次* 反射。第一次反射发生在光线照射到油的顶面时，但并非所有光线都会在这里反射。部分光线穿透油的表面，并从底部表面反射回来。这会导致光线发生 *相位变化*。当光线从油中射出并与从表面反射的光线重新组合时，由于相位变化，部分光线频率会被抵消，而其他频率则会被加强。哪些频率被抵消，哪些频率被加强取决于观察的角度，而观察角度在油的表面上不断变化。这种效应会导致油的一条带呈现黄色，另一条带呈现绿色，再另一条带呈现黄色，等等。这就是为什么在油坑或肥皂泡上可以看到彩虹的原因。

长石

长石有很多品种，因此，它与光的相互作用方式也有很多不同。有些长石（如光谱石）似乎具有彩虹般的光泽，因为光是从石头表面的下方反射出来的（这与上面 *油* 中讨论的效应相同）。

月光石是一种高度半透明至透明的长石。

正长石是一种透明黄色的长石（它反射黄光，但其他颜色直接穿透）。

亚马逊石是一种不透明的绿到蓝绿色长石。

镜子

照射到镜子的光线会发生反射。光线照射到镜子的角度等于其反射的角度。

3. 命名并绘制三种正透镜和三种负透镜的图表。

该图示顶部的四个透镜为正透镜。底部的四个透镜为负透镜。

4. 在测试焦距时，光源与透镜的最小距离应是多少？

这取决于您想要测量的焦距的准确度。焦距可以通过以下公式确定

{\frac {1}{u}}+{\frac {1}{v}}={\frac {1}{f}}

其中 $u$ 是透镜中心到光源的距离， $v$ 是透镜形成的像到透镜本身的距离。如果 $u$ 大于焦距的 30 倍，则可以忽略不计，因为 ${\frac {1}{u}}$ 非常小。

如果您使用太阳作为光源， $u$ 为 9300 万英里，这意味着 ${\frac {1}{u}}$ 非常小，几乎为零。

5. 找到至少四个透镜的焦距，其中一个为负透镜。

正透镜

将一个尺子竖立在工作表面（桌子、人行道或木板）上。使用明亮的光线（如阳光）作为光源，将透镜抵住尺子，并沿尺子上下滑动，直到光线聚焦在工作表面上。记录聚焦透镜接触尺子的点作为该透镜的焦距。

负透镜

测量负透镜的焦距比较困难，因为通过它的光线不会汇聚成像。相反，你需要在光源和负透镜之间放置一个正透镜。移动透镜和屏幕，直到光线聚焦。

一旦聚焦，我们可以测量负透镜与屏幕上的图像之间的距离，并将其称为 $v_{2}$ 。我们计算负透镜焦距所需的唯一其他信息是负透镜与其物体之间的距离。但是它的物体在哪里？它位于负透镜和屏幕之间，在正透镜的焦距（你可能已经测量过）处。

因此，负透镜与其物体之间的距离 $u_{2}$ 是透镜之间的距离 $d$ 减去正透镜的焦距 $f_{1}$

u_{2}=d-f_{1}

请注意， $d$ 应小于 $f_{1}$ ，使 $u_{2}$ 为负数。

一旦我们有了 $u_{2}$ ，我们可以得到焦距 $f_{2}$

{\frac {1}{f_{2}}}={\frac {1}{v_{2}}}+{\frac {1}{u_{2}}}

$f_{2}$ 应该为负数。

另一种测量负透镜焦距的方法

6. 用图解说明为什么正透镜形成的图像会反转并倒置。

通过绘制代表光线的线条，我们可以表明光线会形成一个倒置的图像。

7. 用图解说明棱镜的工作原理。说明颜色出现和消失的角度。

棱镜利用了不同颜色的光线在穿过介质时弯曲程度不同的原理。色差中也可以看到这种现象。

棱镜的形状是等边三角形。这导致光线颜色以非常可预测的方式分散。

8. 展示和演示光线照射到单向玻璃上会发生什么。

单向玻璃，也称为双向镜或单面镜，是一种一面涂有部分反射、部分透明层的玻璃，在一方使用黑暗的房间，另一方使用明亮的房间，这样黑暗房间里的人可以看到亮光房间里的人，反之则不能。

玻璃表面涂有一层非常薄的几乎透明的金属层（通常是铝），以增强其反射特性。结果是，从一边看像镜子，从另一边看像有色玻璃。在明亮区域的观察者很难看到黑暗房间里的人，因为看起来像镜子。

为了充分利用部分镜面，目标侧应该有明亮的光线，以遮挡任何来自观察者一侧的光线通过玻璃的迹象。只有当黑暗房间完全黑暗时，才能完全遮挡。有时会使用黑暗的窗帘或双门门廊来保持观察者一侧的黑暗。

用途

单向玻璃用于

通过隐蔽观察公共场所，提供安全保障。
保护隐蔽摄像头
一些警察审讯室。
单向玻璃的应用在广播电视中也很明显，人们从剧本中阅读，同时看起来像是直接看着镜头。这种效果是在镜头是通过玻璃观看的观察者，并且提示或剧本也反映在上面供主体阅读的地方实现的。

9. 使用镜子或透镜构建一种光学仪器，例如潜望镜、幻灯片或不透明投影仪，或简单的望远镜。

潜望镜

潜望镜是一种从隐蔽位置进行观察的仪器。它最简单的形式是一个管子，两端分别放置了两面镜子，彼此平行，并且与连接两者的直线成 45° 角。

潜望镜可以用作玩具，也可以用于在人群中越过人们的头顶进行观察。这种潜望镜形式，再加上两个简单的透镜，在第一次世界大战期间用于战壕中的观察目的。

可以使用两块小平面镜和一个长方形盒子（例如包装铝箔或蜡纸的盒子）制作一个简单的潜望镜。可以使用热熔胶和纸板条将镜子固定到位。

幻灯机

幻灯机是一种用于观看幻灯片的视光机械设备。它有四个主要元件：一个风冷电灯泡或其他光源、一个反射器和“聚光”透镜，用于将光线引导到幻灯片上、一个用于放置幻灯片的架子以及一个聚焦透镜。通常将一块扁平的吸热玻璃放置在聚光透镜和幻灯片之间的光路中，以避免损坏后者。这种玻璃传输可见光波长，但吸收红外光。光线穿过透明的幻灯片和透镜，产生的图像被放大并投射到垂直的平坦屏幕上，以便观众可以观看其反射。

不透明投影仪

不透明投影仪、映写机、投影机或映写机是一种通过从上方照射明亮的灯泡来显示不透明材料的设备。一套镜子、棱镜和/或成像透镜用于将材料的图像聚焦到观察屏幕上。由于它们必须投射反射光，因此不透明投影仪需要比投影仪更亮的灯泡和更大的透镜。必须注意，材料不会因光源产生的热量而损坏。不透明投影仪不像现代的“投影仪”那样常见。

不透明投影仪通常用于投射书籍页面、图纸、矿物标本、树叶等的图像。它们被生产和销售为艺术家放大工具，允许将图像转移到画布等表面，或用于演讲和讲座。

折射望远镜

所有折射望远镜都使用相同的原理。物镜（1）和某种目镜（2）的组合用于收集比人眼自身所能收集的更多光线，将其聚焦（5），并为观察者提供更亮、更清晰、放大的虚拟图像（6）。折射望远镜中的物镜折射或弯曲光线。这种折射导致平行光线汇聚在焦点处；而那些不平行的光线则汇聚在焦平面上。折射望远镜可以采用许多不同的配置来校正图像方向和像差类型。由于图像是由光线的弯曲或折射形成的，因此这些望远镜被称为折射望远镜或折射镜。

反射望远镜

在这张图中，光线从左侧进入望远镜管并撞击主镜（凹面）。然后光线被聚焦到安装在一组支撑架上的副镜上，然后被反射出管子的侧面到目镜。

10. 解释 6x35 和 7x50 术语在望远镜中的含义。

用于描述双筒望远镜的数字表示放大倍数，然后是物镜（最大直径透镜）的直径（以毫米为单位）。这意味着 6x35 的放大倍数为 6x，直径为 35 毫米。

放大倍数表示物体看起来比用肉眼观察时大多少倍。你也可以认为它看起来离你近多少倍。直径让你知道透镜收集了多少光线。50 毫米物镜比 35 毫米物镜收集的光线多得多。由于如果我们增加光线照射的面积，收集的光线量也会增加，因此我们可以使用圆形的面积来计算透镜的光收集能力

透镜面积 = π (透镜半径) $^{2}$

描述双筒望远镜的数字
双筒望远镜规格	放大倍数	物镜直径 (mm)	物镜面积 $mm^{2}$	光收集能力（与肉眼相比）
肉眼	1x	8	50.265	1x
10x25	10x	25	490.8738	9.7x
6x35	6x	35	962.11275	19.14x
7x50	7x	50	1,963.495	39.06x

50 毫米物镜比 35 毫米物镜收集的光线多 2.0408 倍。如果你处于黑暗的环境中，使用 7x50 望远镜比使用 6x35 望远镜收集的光线多一倍。7x50 望远镜的放大倍数比 6x35 望远镜大（7/6 或 1.167 倍）。

第一个数字越大，物体看起来越大，但望远镜越难固定住。超过 10x，大多数人需要三脚架才能将其固定住，以使其足够稳定以供使用。第二个数字越大，光收集能力就越强，这让你即使在昏暗的光线下也能继续看到，但望远镜也会重得多。

在选择最适合你的双筒望远镜时，了解望远镜上的数字含义非常重要。但双筒望远镜是件非常私人的东西，所以最好在购买前试用一下。

11. 定义在相机中使用的术语“f/stop”。当镜头被称为“快”或“慢”时意味着什么？f/8.5 镜头比 f/8 镜头更快还是更慢？

更快的镜头具有更低的 f 值，并且比更慢的镜头能容纳更多光线。f 值是入瞳直径与镜头焦距的比值。

$f\ number={\frac {Focal\ length}{Diameter\ of\ objective}}$

定义光学系统 f 值的两个参数是

焦距: 焦距越长，光学系统的放大倍数就越高。如果你想拍摄鸟类，你会选择一个非常长的焦距镜头；如果你想拍摄全景等风景照片，你会选择一个短焦距镜头。

镜头直径: 直径越大，透过的光线就越多。因此，要获得快镜头，你需要一个大直径镜头；焦距越长，为了保持相同的速度，直径就需要越大。一个 50mm f/4 镜头将具有 12.5mm 的直径，但一个 400mm f/4 镜头将具有 100mm 的直径。

快镜头的优势在于，它可以容纳更多光线，更容易观察，而且在摄影中，可以保持较短的曝光时间。

快镜头的缺点是，它更重，并且景深更浅。

参考资料

http://www.tradeshop.com/gems/feldspar.html

关于作者

--Rodneyeast 14:06, 23 October 2006 (UTC)

Rodney East 在伊利诺伊州格伦埃林与一个先锋俱乐部合作，从 9 岁起就参与先锋活动，当时他的祖母通过一起学习星级荣誉让他接触了星星。

他在成长过程中研究了所有关于天文学的资料，最终从太平洋联盟学院毕业，获得了物理学学士学位，主修天文学。

他现在在美国阿贡国家实验室先进光子源的信息技术部门工作。

Rodney 和 Stephanie East 制作了一部名为"为什么不，绳结、绳索和接头的入门" 的 DVD，帮助教授绳结荣誉。这部视频可以在Advent Source 获取。