图1所示为凸透镜成像实验,由于物距u的不同,成像情况也有所变化,最终的结论如表1所示。前面两种情况成的是实像,可以用光屏来承接,通过光屏的反射或折射,眼睛可在光屏的正面或反面观察到实像。第三次成的是虚像,不能用光屏来承接,只能用眼睛透过凸透镜来观察。

根据物距uf时,凸透镜可以成实像这一原理,许多光学仪器都用凸透镜来作为镜头或物镜进行成像。但在实际使用中,凸透镜经常被污,从而或多或少地影响了成像。一些物理试题也根据此现象来考查学生的抽象思维能力。

2 凸透镜部分镜片受遮挡后到底能否成像

理论分析如图2所示,当凸透镜正常成像后,如果遮挡物挡住了物体某些部位射向凸透镜的部分光线,而本部位发出的其余未受遮挡的光线如果能通过凸透镜成像,那么在光屏上仍然可以成全像,但是由于成像光能的减少,所成像的亮度要比原来暗;如果物体某些部位射向凸透镜的光线全部被遮挡,别的部位发出的部分光线能通过凸透镜成像,那么在光屏上只能成局部像,而且像的亮度也要比原来暗;如果物体射向凸透镜的光线全部被遮挡,那么光屏上就不再成像。

凸透镜成像实验理论分析

实际操作如图3所示。在凸透镜正常成像后,用遮挡物贴近凸透镜逐渐遮挡光线,由于蜡烛发出的部分光线仍然能通过没有被遮挡的凸透镜部分,最终也能成全像,但成像越来越暗;如果用遮挡物贴近蜡烛逐渐遮挡光线,由于只有部分蜡烛发出的部分光线能通过凸透镜,最终只能成局部像,而且成像也会变暗。

3 人眼的部分瞳孔受遮挡后所能看到的实际情况

在窗玻璃上粘两个不透光的颗粒,人眼紧贴玻璃看窗外的景物。人眼的成像情况与凸透镜物距u2f时的成像情况是一样的。当人眼受较小颗粒遮挡时,由于景物发出的光线仍然能通过没有被遮挡的瞳孔部分,最终仍然能在视网膜上成像,但隐约有光线被挡的感觉(如图4所示);当人眼被较大的颗粒遮挡时,由于瞳孔几乎被挡,所以最终无法看清外界的景物(如图5所示)。由此也可以推出:当遮挡颗粒过小时,不影响眼睛的成像。这就是人眼含有微小颗粒仍能看清外界情况的原因。

4 光学仪器中凸透镜部分镜片受遮挡后的成像情况

图6所示为望远镜和显微镜的成像光路图,它们的物镜都是凸透镜,光线经过物镜先成实像,然后再通过目镜成虚像。当物镜部分受遮挡后,所观察的物体发出的部分光线仍然能够通过没有被遮挡的物镜部分进行成像,最终仍然能成完整的像。

如图7所示,在望远镜的一个物镜上用标签遮挡部分凸透镜,另一个物镜不遮挡,用眼透过目镜观察所看到的成像情况,最终发现左右镜筒都能成全像。理论上讲,通过被遮挡的镜筒所看到的像应该暗一点,图片中可能凸透镜被遮挡的不够,实际用肉眼不一定能分辨出来。

如图8所示,在显微镜的物镜上遮挡部分凸透镜,透过目镜观察成像情况,最终发现能成全像。图中也是由于凸透镜被遮挡的不够,实际用肉眼也不一定能分辨出来像是否变暗。

由此可见,物镜被部分遮挡后,国防教育论文并不影响最终成像的完整情况。人眼通过目镜,最终仍然能看到全部的像。

5 照相机部分镜片受遮挡后的成像情况

如图9所示,在照相机的镜头上贴上标签进行部分凸透镜遮挡,但最终的成像情况与上述的成像情况有了明显的区别:部分凸透镜受遮挡后,外界景物不能成完整的像。

原因分析如下:高档照相机或摄像机的镜头由多个镜片组合而成,不能简单地看成薄透镜,遮挡镜头的标签距离镜头的光心有一定的距离,标签可以作为物体进行模糊成像,并有效地遮挡镜外景物的光线。这种遮挡与改变光圈大小有明显的区别:调节通光孔径大小的光圈装置安装在照相机镜头的光心位置,在拍摄过程中,即使把光圈进行收缩,像也是完整的。所以,只有在紧靠照相机镜头光心的位置进行部分遮挡,才会出现完整的像。低档摄像机或手机的镜头虽然是单片凸透镜,但焦距很小,约为3.4 mm,而且镜头前都有玻璃层进行保护,这就造成了遮挡镜头的标签距离镜头的光心也有一定的距离,标签也可以作为物体进行模糊成像,并有效地遮挡镜头外景物的光线。

但将照相机换成老式135型焦距为35 mm的傻瓜照相机,用标签在镜头上进行部分遮挡。照片冲洗出来后奇迹出现了,用它对景物进行照相能成全像,但成像的亮度要比没有用标签遮挡时暗。具体情况如图10所示。究其原因:老式傻瓜照相机的镜头是单镜片薄凸透镜,焦距较长,用标签贴在镜头上时,标签的位置非常接近凸透镜的光心,不可能成像,而没有被遮挡的凸透镜部分可以将景物成像,但由于进入镜头的光线变少,所以亮度变暗。

综上所述,当单镜片镜头照相机的镜片被部分遮挡后,如果遮挡物的物距远小于焦距,景物依然能成完整像,像的亮度要变暗;如果遮挡物的物距相比焦距来说不可忽视,景物就不能成完整像,像的亮度也要变暗。多镜片镜头被部分遮挡后,景物肯定不能成完整的像。

6 相关试题分析

(2012长沙·第11题)我市某中学组织学生到长沙世界之窗春游,小明同学用照相机为另一同学拍全身照时,不小心让一滴泥水溅在了照相机镜头的上半部分,则他所拍出的照片( )

A.不能看到人的头部

B.不能看到人的脚

C.不能看到所拍同学的全身像

D.可以看到所拍同学的全身像,但像会变暗一些

(原答案:D)

出题者的意图是将本题与凸透镜成像情况联系起来,即当物距在二倍焦距以外时,物体可以通过凸透镜成倒立、缩小的实像,虽然凸透镜部分镜片受污,但没有受污的镜片依然可以成像,所以答案选D。但是,真正的成像情况并非像出题者想象的那样。由于现在市场上采用胶卷的单镜片傻瓜照相机已不再使用,所以对于现在使用的照相机,遮挡物都有一定的物距,且本题的遮挡物是一滴泥水,其中肯定有透明或半透明部分,当然也有不透明部分。所以,本题答案选C更加合理一点,真正合理的答案应为:被拍同学的上身像部分被污。