基督復臨安息日會青年榮譽解答手冊/健康與科學/光學

光學
健康與科學世界總會	技能水平 2
健康與科學世界總會	引入年份：1962

光學榮譽是健康大師獎的一部分。

1. 定義和/或繪製以下內容的示意圖

a. 焦距

從透鏡（透鏡中心）或鏡子到焦點的距離。

b. 正透鏡

這種型別的透鏡透過將光線匯聚到一個共同的焦點來建立實像。

c. 負透鏡

這種型別的透鏡會使光線發散或導致光線擴散。它會建立一個虛擬的焦點，這個焦點似乎是光線來源的位置。

d. 兩種型別的畸變

桶形畸變

當您離透鏡中心越遠，放大倍數就越小。這是魚眼鏡頭中的畸變型別。它看起來像影像已對映到一個球體上。

枕形畸變

當您離透鏡中心越遠，放大倍數就越大。這種型別的畸變通常出現在低質量的長焦鏡頭中。它看起來像影像已向中間收縮。

e. 縱向色差

不同的光線顏色在穿過玻璃等介質時會發生不同程度的彎曲。這種現象被稱為色差。其影響是焦點的縱向位移（沿透鏡軸）。

色差是由於不同顏色的光線以不同的速度穿過玻璃等介質而造成的。光線從一種介質傳播到另一種介質時發生的彎曲程度由斯涅爾定律給出

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

速度差越大，彎曲越明顯。

f. 橫向色差

g. 球面像差

表面為球形的透鏡更容易製造，但它們有一個缺陷，即穿過透鏡中心的附近的光線與穿過透鏡邊緣附近的的光線會聚焦在不同的點上。

球面鏡會顯示與球面透鏡相同的像差，但將鏡面拋物線化以使焦點位於單點上相當容易。非球面透鏡難以製造，但現代計算機控制的拋光機正在提高透鏡質量。

h. 消色差透鏡

透過使用由不同材料製成的兩個透鏡，我們可以最大限度地減少透鏡產生的色差量。這一原理用於所有高質量透鏡，以建立更好的影像。

i. 光的折射

當光線從一種介質傳播到另一種介質時，它會發生彎曲。兩種介質的差異越大，折射量就越大。

2. 解釋光線在照射或穿過水、油、長石和鏡子時是如何表現的。

水

當光線穿過空氣並照射到水中時，它會彎曲或折射。這是由於光線在空氣中的傳播速度和在水中的傳播速度之間的差異造成的。

油

當光線照射到油（或肥皂泡）上時，它會發生 *兩次* 反射。第一次反射發生在光線照射到油的頂面時，但並非所有光線都會在這裡反射。部分光線穿透油的表面，並從底部表面反射回來。這會導致光線發生 *相位變化*。當光線從油中射出並與從表面反射的光線重新組合時，由於相位變化，部分光線頻率會被抵消，而其他頻率則會被加強。哪些頻率被抵消，哪些頻率被加強取決於觀察的角度，而觀察角度在油的表面上不斷變化。這種效應會導致油的一條帶呈現黃色，另一條帶呈現綠色，再另一條帶呈現黃色，等等。這就是為什麼在油坑或肥皂泡上可以看到彩虹的原因。

長石

長石有很多品種，因此，它與光的相互作用方式也有很多不同。有些長石（如光譜石）似乎具有彩虹般的光澤，因為光是從石頭表面的下方反射出來的（這與上面 *油* 中討論的效應相同）。

月光石是一種高度半透明至透明的長石。

正長石是一種透明黃色的長石（它反射黃光，但其他顏色直接穿透）。

亞馬遜石是一種不透明的綠到藍綠色長石。

鏡子

照射到鏡子的光線會發生反射。光線照射到鏡子的角度等於其反射的角度。

3. 命名並繪製三種正透鏡和三種負透鏡的圖表。

該圖示頂部的四個透鏡為正透鏡。底部的四個透鏡為負透鏡。

4. 在測試焦距時，光源與透鏡的最小距離應是多少？

這取決於您想要測量的焦距的準確度。焦距可以透過以下公式確定

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

其中 $u$ 是透鏡中心到光源的距離， $v$ 是透鏡形成的像到透鏡本身的距離。如果 $u$ 大於焦距的 30 倍，則可以忽略不計，因為 ${\frac {1}{u}}$ 非常小。

如果您使用太陽作為光源， $u$ 為 9300 萬英里，這意味著 ${\frac {1}{u}}$ 非常小，幾乎為零。

5. 找到至少四個透鏡的焦距，其中一個為負透鏡。

正透鏡

將一個尺子豎立在工作表面（桌子、人行道或木板）上。使用明亮的光線（如陽光）作為光源，將透鏡抵住尺子，並沿尺子上下滑動，直到光線聚焦在工作表面上。記錄聚焦透鏡接觸尺子的點作為該透鏡的焦距。

負透鏡

測量負透鏡的焦距比較困難，因為透過它的光線不會匯聚成像。相反，你需要在光源和負透鏡之間放置一個正透鏡。移動透鏡和螢幕，直到光線聚焦。

一旦聚焦，我們可以測量負透鏡與螢幕上的影像之間的距離，並將其稱為 $v_{2}$ 。我們計算負透鏡焦距所需的唯一其他資訊是負透鏡與其物體之間的距離。但是它的物體在哪裡？它位於負透鏡和螢幕之間，在正透鏡的焦距（你可能已經測量過）處。

因此，負透鏡與其物體之間的距離 $u_{2}$ 是透鏡之間的距離 $d$ 減去正透鏡的焦距 $f_{1}$

u_{2}=d-f_{1}

請注意， $d$ 應小於 $f_{1}$ ，使 $u_{2}$ 為負數。

一旦我們有了 $u_{2}$ ，我們可以得到焦距 $f_{2}$

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

$f_{2}$ 應該為負數。

另一種測量負透鏡焦距的方法

6. 用圖解說明為什麼正透鏡形成的影像會反轉並倒置。

透過繪製代表光線的線條，我們可以表明光線會形成一個倒置的影像。

7. 用圖解說明稜鏡的工作原理。說明顏色出現和消失的角度。

稜鏡利用了不同顏色的光線在穿過介質時彎曲程度不同的原理。色差中也可以看到這種現象。

稜鏡的形狀是等邊三角形。這導致光線顏色以非常可預測的方式分散。

8. 展示和演示光線照射到單向玻璃上會發生什麼。

單向玻璃，也稱為雙向鏡或單面鏡，是一種一面塗有部分反射、部分透明層的玻璃，在一方使用黑暗的房間，另一方使用明亮的房間，這樣黑暗房間裡的人可以看到亮光房間裡的人，反之則不能。

玻璃表面塗有一層非常薄的幾乎透明的金屬層（通常是鋁），以增強其反射特性。結果是，從一邊看像鏡子，從另一邊看像有色玻璃。在明亮區域的觀察者很難看到黑暗房間裡的人，因為看起來像鏡子。

為了充分利用部分鏡面，目標側應該有明亮的光線，以遮擋任何來自觀察者一側的光線透過玻璃的跡象。只有當黑暗房間完全黑暗時，才能完全遮擋。有時會使用黑暗的窗簾或雙門門廊來保持觀察者一側的黑暗。

用途

單向玻璃用於

透過隱蔽觀察公共場所，提供安全保障。
保護隱蔽攝像頭
一些警察審訊室。
單向玻璃的應用在廣播電視中也很明顯，人們從劇本中閱讀，同時看起來像是直接看著鏡頭。這種效果是在鏡頭是透過玻璃觀看的觀察者，並且提示或劇本也反映在上面供主體閱讀的地方實現的。

9. 使用鏡子或透鏡構建一種光學儀器，例如潛望鏡、幻燈片或不透明投影儀，或簡單的望遠鏡。

潛望鏡

潛望鏡是一種從隱蔽位置進行觀察的儀器。它最簡單的形式是一個管子，兩端分別放置了兩面鏡子，彼此平行，並且與連線兩者的直線成 45° 角。

潛望鏡可以用作玩具，也可以用於在人群中越過人們的頭頂進行觀察。這種潛望鏡形式，再加上兩個簡單的透鏡，在第一次世界大戰期間用於戰壕中的觀察目的。

可以使用兩塊小平面鏡和一個長方形盒子（例如包裝鋁箔或蠟紙的盒子）製作一個簡單的潛望鏡。可以使用熱熔膠和紙板條將鏡子固定到位。

幻燈機

幻燈機是一種用於觀看幻燈片的視光機械裝置。它有四個主要元件：一個風冷電燈泡或其他光源、一個反射器和“聚光”透鏡，用於將光線引導到幻燈片上、一個用於放置幻燈片的架子以及一個聚焦透鏡。通常將一塊扁平的吸熱玻璃放置在聚光透鏡和幻燈片之間的光路中，以避免損壞後者。這種玻璃傳輸可見光波長，但吸收紅外光。光線穿過透明的幻燈片和透鏡，產生的影像被放大並投射到垂直的平坦螢幕上，以便觀眾可以觀看其反射。

不透明投影儀

不透明投影儀、映寫機、投影機或映寫機是一種透過從上方照射明亮的燈泡來顯示不透明材料的裝置。一套鏡子、稜鏡和/或成像透鏡用於將材料的影像聚焦到觀察螢幕上。由於它們必須投射反射光，因此不透明投影儀需要比投影儀更亮的燈泡和更大的透鏡。必須注意，材料不會因光源產生的熱量而損壞。不透明投影儀不像現代的“投影儀”那樣常見。

不透明投影儀通常用於投射書籍頁面、圖紙、礦物標本、樹葉等的影像。它們被生產和銷售為藝術家放大工具，允許將影像轉移到畫布等表面，或用於演講和講座。

折射望遠鏡

所有折射望遠鏡都使用相同的原理。物鏡（1）和某種目鏡（2）的組合用於收集比人眼自身所能收集的更多光線，將其聚焦（5），併為觀察者提供更亮、更清晰、放大的虛擬影像（6）。折射望遠鏡中的物鏡折射或彎曲光線。這種折射導致平行光線匯聚在焦點處；而那些不平行的光線則匯聚在焦平面上。折射望遠鏡可以採用許多不同的配置來校正影像方向和像差型別。由於影像是由光線的彎曲或折射形成的，因此這些望遠鏡被稱為折射望遠鏡或折射鏡。

反射望遠鏡

在這張圖中，光線從左側進入望遠鏡管並撞擊主鏡（凹面）。然後光線被聚焦到安裝在一組支撐架上的副鏡上，然後被反射出管子的側面到目鏡。

10. 解釋 6x35 和 7x50 術語在望遠鏡中的含義。

用於描述雙筒望遠鏡的數字表示放大倍數，然後是物鏡（最大直徑透鏡）的直徑（以毫米為單位）。這意味著 6x35 的放大倍數為 6x，直徑為 35 毫米。

放大倍數表示物體看起來比用肉眼觀察時大多少倍。你也可以認為它看起來離你近多少倍。直徑讓你知道透鏡收集了多少光線。50 毫米物鏡比 35 毫米物鏡收集的光線多得多。由於如果我們增加光線照射的面積，收集的光線量也會增加，因此我們可以使用圓形的面積來計算透鏡的光收集能力

透鏡面積 = π (透鏡半徑) $^{2}$

描述雙筒望遠鏡的數字
雙筒望遠鏡規格	放大倍數	物鏡直徑 (mm)	物鏡面積 $mm^{2}$	光收集能力（與肉眼相比）
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 毫米物鏡比 35 毫米物鏡收集的光線多 2.0408 倍。如果你處於黑暗的環境中，使用 7x50 望遠鏡比使用 6x35 望遠鏡收集的光線多一倍。7x50 望遠鏡的放大倍數比 6x35 望遠鏡大（7/6 或 1.167 倍）。

第一個數字越大，物體看起來越大，但望遠鏡越難固定住。超過 10x，大多數人需要三腳架才能將其固定住，以使其足夠穩定以供使用。第二個數字越大，光收集能力就越強，這讓你即使在昏暗的光線下也能繼續看到，但望遠鏡也會重得多。

在選擇最適合你的雙筒望遠鏡時，瞭解望遠鏡上的數字含義非常重要。但雙筒望遠鏡是件非常私人的東西，所以最好在購買前試用一下。

11. 定義在相機中使用的術語“f/stop”。當鏡頭被稱為“快”或“慢”時意味著什麼？f/8.5 鏡頭比 f/8 鏡頭更快還是更慢？

更快的鏡頭具有更低的 f 值，並且比更慢的鏡頭能容納更多光線。f 值是入瞳直徑與鏡頭焦距的比值。

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

定義光學系統 f 值的兩個引數是

焦距: 焦距越長，光學系統的放大倍數就越高。如果你想拍攝鳥類，你會選擇一個非常長的焦距鏡頭；如果你想拍攝全景等風景照片，你會選擇一個短焦距鏡頭。

鏡頭直徑: 直徑越大，透過的光線就越多。因此，要獲得快鏡頭，你需要一個大直徑鏡頭；焦距越長，為了保持相同的速度，直徑就需要越大。一個 50mm f/4 鏡頭將具有 12.5mm 的直徑，但一個 400mm f/4 鏡頭將具有 100mm 的直徑。

快鏡頭的優勢在於，它可以容納更多光線，更容易觀察，而且在攝影中，可以保持較短的曝光時間。

快鏡頭的缺點是，它更重，並且景深更淺。

參考資料

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

關於作者

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

Rodney East 在伊利諾伊州格倫埃林與一個先鋒俱樂部合作，從 9 歲起就參與先鋒活動，當時他的祖母透過一起學習星級榮譽讓他接觸了星星。

他在成長過程中研究了所有關於天文學的資料，最終從太平洋聯盟學院畢業，獲得了物理學學士學位，主修天文學。

他現在在美國阿貢國家實驗室先進光子源的資訊科技部門工作。

Rodney 和 Stephanie East 製作了一部名為"為什麼不，繩結、繩索和接頭的入門" 的 DVD，幫助教授繩結榮譽。這部影片可以在Advent Source 獲取。