仔细观察凸透镜成像光路图可发现,在物体沿主光轴慢慢远离透镜向焦点移动的过程中,物体通过透镜成的虚像越来越大。靠近焦点时,虚像几乎无穷大。既如此,无需显微镜,用放大镜不就可以观察细胞了吗?然而,实际中观察细胞,显微镜是必需的。这是为什么呢?
近大远小!
一个物体,离我们越近,看起来就越大;离我们越远,看起来就越小。在物体靠近焦点的过程中,虽然成的像越来越大,但像离观察者也越来越远。这也是为何观察者所“看到”的像,并不会像凸透镜所成的虚像那样,想多大就多大。
为什么物体越远,看起来就会越小呢?
物体看起来的大小,是由物体在视网膜上所成的像的大小决定的。人脑似乎总是“直观地”根据视网膜上所成的像的大小去推定物体的大小。物体在视网膜上所成的像越大,大脑“看到”的物体也就越大。
图5-5为眼球成像简图,O为眼球折光系统的光心,物体前后两次通过眼球折光系统都恰好成像在视网膜上(图中忽略了晶状体形状的些微变化)。从图可直观看出,物体在视网膜上所成像的大小由物体对光心O的张角(图中的α和β)决定。张角越大,视网膜上所成的像也就越大。此张角即通常所说的视角。
既然“看到”的大小由“视角”决定,那放大镜又是如何增大“视角”的呢?
图5-6是凸透镜成虚像的光路图,人眼通过放大镜看到的是像A1B1。因为人眼离像越近,像对人眼的视角就越大,所以在使用放大镜时,要想“看到”较大一点的“像”,人眼就应尽量靠近放大镜,这也是从事“精雕细刻”工作的人总是将放大镜戴在眼睛上的一个缘由。
假定人眼与放大镜充分近,近到二者的光心重合(虽然实际中二者的光心是不可能重合在一起的,但可以这样设想)。因为图中物体对光心O的张角与像对光心O的张角是等大的,所以单从图5-6来看,使用放大镜其实并没有增大视角。
不仅没有增大视角,而且由图还可看出,虽然物体通过透镜所成的虚像在物体向焦点靠近的过程中会越来越大,但因所成的虚像对O的张角始终等于物体对O的张角,而物体对O的张角会随物体向焦点靠近变小,故所成的虚像对O的张角不仅没有随着像变大而变大,反而会随着像变大而变小。因此,若人眼的光心真的与放大镜的光心重合,人眼看到的“像”(注:指成在视网膜上的像)不仅不会随物体通过放大镜成的虚像变大而变大,反而会随虚像变大而变小。
然而,实际中放大镜确实能够起到“放大”的作用,这又是为什么呢?
关键是人眼的调节能力是有限的!
一个物体太近了,物体通过眼球折光系统成的像就无法落到视网膜上。正常眼睛的近点距人眼约10厘米,而要很“舒适”地看清一个物体,物体离人眼的距离约为25厘米。利用放大镜,可以使微小物体成一离人眼25厘米远的正立放大的虚像。这一离人眼25厘米远的虚像比物体大,其视角也就比把此物体直接放在离人眼25厘米远处时的视角大。这样,借助放大镜,成在视网膜上的像就变大了,人眼也就“真正”地观察到了一个放大的像。
实际中使用放大镜时,人眼的光心和透镜的光心并不重合。不仅不重合,不规范使用时二者间的距离还不小。大部分人在使用放大镜时,常常是眼与物都不动,放大镜在物和眼之间移到。在这种情形下,可以证明,只要物与眼间的距离大于放大镜的两倍焦距(大多数情况下都是如此),物体通过放大镜所成的虚像越大,像对人眼的视角也会越大。也就是说,在放大镜由物向眼移动的过程中,所成的虚像越来越大,人眼所观察的像(即成在视网膜上的像)也越来越大。
“视角”太小,物体看上去可能就像肉眼直接观察天上的星星一样,就是一个点,啥细节都看不到;“视角”太大,即使像恰好成在视网膜上,也有可能啥东西都看不见。要看清楚细节,不仅要有足够大的“视角”,还要落到视网膜上的光不能太弱。光太弱了,感光细胞没反应或反应不够强,也会什么都看不见。“视角”放大了,落到视网膜上的光一般会变弱,有时甚至会弱到感光细胞没反应。为了避免这种情况出现,各类光学显微镜的底座上都会配上反光镜,而天文望远镜则总是努力地增大物镜的口径。
拓展题:
透过近视眼镜镜片看远处的物体。镜片离眼睛越远,物体看起来就越小。动手做做,并想想为什么。
名人名言:
学习这件事不在乎有没有人教你,最重要的是你自己有没有觉悟和恒心。
———法拉第