2013年1月12日

生活科學-光學-橫向變化的液體透鏡


一般來說,光線之所以稱之為光線,乃是因為其有直線進行的特性,不過這是指光在同一均勻介質當中傳播下,而且附近無強大的重力場(例如黑洞),才有的特性之一。
標籤上的字為什麼不是朝外?這一定有科學原理的加持
不僅保持瓶身的美觀,還能節省標籤成本

從空氣斜向射入不同介質的光會在其交界面上產生折射,產生折射的原因很簡單,就是光線在不同的介質當中擁有不同的行進速率,而折射率就是兩介質的光速比值,也可說是正弦(sin)的比值。如果光線是由疏介質進入密介質,會使得入射角大於折射角;但若是光線由密介質進入疏介質,則會使入射角小於折射角。
裝洗碗精的塑膠瓶,讓裡面的液體呈現橢圓柱狀
標籤上的字經過折射後,有放大的趨勢,方便使用者閱讀

當透明液體和其他物質的交界面呈曲面時,液面便成為光線開始轉折的場所。不過文章中所敘述的液面並不是指水平面,而是指側面。光線由非光源物體反射出來,經過圓形或橢圓形液體,進入觀察者眼中所呈現的影像,和透過空氣直接觀察是不同的。由於容器的關係,讓瓶身前後液面非平行,這便讓液體成為球面透鏡了,也許從側面看較難理解,但如果從容器上方向下俯視,便可一目了然。
只要是透明液體,都是製作液體透鏡的好材料
任何一個透明杯都可以當做容器

既然透明液體可以拿來製作成透鏡,那麼一般我們手邊所使用的容器絕大部分可製成凸透鏡,也就是會聚透鏡。如果物體放在焦點內,會呈現正立放大虛像,物體擺遠一點,放在焦距之外的距離,就會呈現倒立實像。
左圖為字體左右顛倒並橫向放大,可知書上的字是在一倍焦距至兩倍焦距之間
右圖為字體左右不顛倒,也橫向放大,你知道書上的字是在哪個範圍內嗎?
(參考答案:焦距內

不過,為什麼照片中的影像不似實驗室的球面透鏡成像,反而只有左右相反,卻沒有上下顛倒呢?原因在於曲面的形狀和曲率大小。照片中容器的弧面主要是左右分佈,橫向曲率較大,但上下液面均呈水平,而且瓶身縱向曲率小,焦距大,所以看到的字自然不會上下顛倒,使用者也少了歪頭晃腦的麻煩。
如果容器貼緊物體,那麼放大的倍率當然變小
擺在家裡裝飾的滴漏除了美觀,也可衍生出異於以往的光學效果

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