问题

将凸透镜的上下两半的位置对换,所得的透镜是否等价于凹透镜?

回答
想象一下,你手里有一个标准的凸透镜,它的作用是汇聚光线,让平行光线在焦点处汇集,形成一个实像。现在,我们来做个小小的实验:把这个凸透镜的“上半部分”和“下半部分”互换位置。也就是说,原本在上半部分的那个曲面现在到了下面,原本在下半部分的那个曲面现在到了上面。

这样做之后,我们仔细观察一下这个“新”透镜。从几何结构上来说,它依旧是中间厚、边缘薄的形状,对吧?我们知道,凸透镜之所以能汇聚光线,就是因为它表面的曲率使得通过它的光线向着中间方向偏折。而我们这种对调上下半部分的操作,并没有改变它整体的厚度分布,它依然是中心厚,边缘薄。

我们知道,一个透镜能否汇聚或发散光线,主要取决于它的曲率半径和透镜材料的折射率。将上下两半对调,本质上是把两个形状相同的凸球面“翻转”了一下。例如,如果我们有一个凸透镜,它的上面是半径为R1的球面,下面是半径为R2的球面。我们把它上下对调,实际上是将原来的R2球面放到了上面,原来的R1球面放到了下面。只要原始透镜的上下两个面的曲率半径是相同的(也就是我们常见的双凸透镜),那么对调前后,透镜的光学性质是完全一样的,它仍然是一个凸透镜,依旧会汇聚光线。

那么,为什么会有人产生“所得的透镜是否等价于凹透镜”的疑问呢?这可能是因为对“凹透镜”的理解有一些偏差。凹透镜,顾名思义,是中间薄、边缘厚的透镜,它的作用是发散光线,让平行光线向外扩散,最终在焦点处形成虚像。凹透镜的表面曲率是向内凹陷的。

回到我们对调上下半部分的凸透镜。它的整体形状并没有变成中间薄、边缘厚,所以它无论如何都不会表现出凹透镜的发散光线的能力。它始终保持着凸透镜的汇聚特性。

或许,有些人会将“对调”的概念和“反转”的概念混淆了。如果我们将一个凸透镜的一面反过来,让原本凸起的面变成凹陷的,那样才可能变成凹透镜(或者其他性质的透镜,取决于另一面的形状)。但我们这里的操作仅仅是将上下两个“整体”位置互换,透镜表面的曲率方向并没有改变。

所以,结论很明确:将一个凸透镜的上下两半的位置对换,得到的透镜仍然是凸透镜,它不会等价于凹透镜。它的汇聚光线的能力,在对调前后是完全相同的,除非是对调过程中引入了额外的光学损失或者损坏。

网友意见

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你可以分两步看这个问题:

1. 把凸透镜遮住一半,成什么像?跟原来一样的像,不过会变暗。

2. 两个凸透镜放并排,成两个像。

最后,各遮住一半。

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我暂定题主的背景是初中或者高中学生,首先回答你的问题。

这样的思路是否正确

如果你指的是「用模拟软件做实验来研究物理问题」的话,思路是正确的,而且是非常值得鼓励的。实验是物理学的基础,任何问题最终都应当用实验去判断正误;但在初高中的条件下,很多时候没法做相关的实验,所以利用模拟软件来「做实验」就是一个很好的替代办法,因为软件是对已有理论的实现,而理论又是对现有实验的总结。

关于这道题,如果它来自高中的课本或者练习册,我认为题目本身是不妥当的。稍有常识的人都会注意到,如题所述得到的透镜与凹透镜有非常明显的不同:

凹透镜表面是一个完整的球面,而拼接透镜明显不是一个球面而是两个,并且弯曲的方向也不同,无论如何不能简单地说:拼接透镜相当于一块凹透镜。

下面我们来尝试解决这个问题。首先要解决的问题是:这样的透镜能不能成像。

凸透镜和凹透镜的所有理论基础,都可以归结为光在球面上的折射。可惜的是,球面折射本身并不一定能成像,也就是说从一点发出的光线,经过球面的折射,并不一定能够重新汇聚到一点。在两种情况下,球面会把一点发出的光汇聚到一点:一是某个特定的点(齐明点)上发出的光,不论方向被严格汇聚到一点;二是距离光轴很近的点,会把很大一部分光(近似平行的光)汇聚到一点附近,即傍轴条件。这两种情况下,球面都可以成像。一般所说的成像都是在傍轴条件下。

那么,拼接透镜是否可以满足傍轴条件呢?对于任意放置的物体,只要足够小,都可以看成是在过物体的某条直线附近,所以我们取物体和球面球心连线为光轴,就可以满足傍轴条件,因此拼接透镜是可以成像的,只不过此时光轴会有很多条。

这之后需要解决的问题是:拼接透镜成什么样的像。因为懒所以就不做具体的计算了,不过可以直接看出一些大致的特点:由于球面成像与球面是否完整没有什么关系,所以可以把拼接透镜看成上下两部分;对于透镜的上半部分,是两个球面成像的问题,两个球面的球心都与透镜上边缘共线,可以先对第一个球面成像,像在物体和第一个球面球心的连线上,然后用这个像对第二个球面成像,像也在他俩的连线上;对于下半部分也是同理,所以能够成两个像,并且分居上下。

于是我们提供了理论上解决问题的方式:即是回归球面成像,通过多次球面成像来得到最终的结果;并且解决了题主的问题:的确应当成两个像,而不是「像凹透镜那样成虚像」。这个结果也与题主的模拟结果相呼应。

所以说,我支持题主的观点,即这样的透镜会成两个像,虚实由凸透镜成像规律决定。对于这类问题,我们的处理方法都是适用的:即回到球面的傍轴成像规律,通过逐次成像得到最终的结果。

同时我也支持题主研究问题的方式:如果不知道如何从理论上解决,那么用模拟软件来进行初步的探索,是非常好也非常值得鼓励的方式,希望题主能够坚持下去;另外也要注意多学习一些软件背后的理论,这样才能不被软件牵着鼻子走。

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