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第三章光的折射透镜第五节人眼看不见的光教学课件

第一节引言：人眼与光的关系

人眼作为人体感知外界的重要器官，其结构与功能在生物进化过程中达到了高度精密和高效。在自然界中，光作为能量的载体，对于生物的生存和发展具有重要意义。人眼能够感知光，并将其转化为电信号，进而传递给大脑进行处理，使我们能够看到周围的世界。据统计，人眼可以感知的可见光波长范围大约在380至740纳米之间，这个范围内的光波被称为可见光。

在人类日常生活中，光对于视觉感知的准确性至关重要。例如，在驾驶汽车时，司机依赖前方的光线来判断道路状况和行进方向，以确保行车安全。据研究，在良好的光照条件下，人类的视觉敏锐度可以达到约1角分（1角分等于1/15度），这意味着人眼可以在15度范围内清晰地分辨出物体。然而，在低光照条件下，视觉敏锐度会显著下降，例如，在月光下，视觉敏锐度可能只有白天时的1/10。

人眼的视网膜上分布着约1.2亿个感光细胞，这些细胞分为视杆细胞和视锥细胞。视杆细胞主要在低光照条件下工作，对光的敏感度较高，但无法感知颜色；而视锥细胞则在明亮条件下工作，能够感知颜色，但对光的敏感度较低。这种结构设计使得人眼能够在不同的光照条件下都能有效地感知光，从而适应复杂多变的环境。例如，在室内昏暗的环境中，人眼主要依赖视杆细胞来感知周围环境，而在户外明亮的环境中，则主要依赖视锥细胞来识别物体的颜色和细节。

第二节光的折射原理

(1)光的折射是光波从一种介质进入另一种介质时，传播方向发生改变的现象。这一现象遵循斯涅尔定律，即入射角与折射角的正弦值之比等于两种介质的折射率之比。当光从空气进入水中时，由于水的折射率大于空气，光线会向法线方向偏折，这种现象在日常生活中十分常见，例如，当我们观察水中的鱼时，鱼的位置看起来会比实际位置高。

(2)折射率是描述介质对光传播速度影响的物理量，不同介质的折射率不同。一般来说，介质的密度越大，折射率越高。例如，玻璃的折射率约为1.5，而水的折射率约为1.33。当光从空气进入玻璃时，由于玻璃的折射率大于空气，光线会向法线方向偏折，导致玻璃透镜具有汇聚光线的功能。这一原理被广泛应用于眼镜、放大镜等光学器件中。

(3)光的折射现象在光学领域有着广泛的应用。例如，在光纤通信中，光通过光纤的多次全反射，实现长距离的信息传输。光纤的折射率设计使得光在光纤中传播时，几乎不发生偏折，从而保证了信号的稳定传输。此外，折射原理还应用于激光技术、光学显微镜等领域，为科学研究和技术发展提供了有力支持。通过精确控制光的折射，人类可以更好地利用光这一神奇的自然现象。

第三节透镜的种类与特性

(1)透镜是光学器件中的一种，主要用于改变光线的传播路径，使光线汇聚或发散。根据透镜的形状和折射率，可以分为凸透镜和凹透镜两大类。凸透镜中央厚、边缘薄，对光线有汇聚作用，而凹透镜中央薄、边缘厚，对光线有发散作用。凸透镜的焦距通常为正值，而凹透镜的焦距为负值。

以凸透镜为例，其焦距与透镜的曲率半径和折射率有关。根据薄透镜公式，焦距f与透镜的折射率n和透镜的曲率半径R之间存在关系：1/f=(n-1)*(1/R1-1/R2)，其中R1和R2分别是透镜两侧的曲率半径。例如，一个折射率为1.5的凸透镜，如果其曲率半径分别为20厘米和30厘米，那么其焦距大约为12.5厘米。

在日常生活中，凸透镜的应用非常广泛。眼镜中的镜片就是一种凸透镜，用于矫正视力，帮助近视或远视患者看清物体。此外，放大镜、显微镜、望远镜等光学仪器也都依赖于凸透镜的汇聚作用。例如，一台标准的显微镜，其物镜和目镜都是凸透镜，通过物镜放大物体，再通过目镜进一步放大，使观察者能够清晰地看到微小的物体。

(2)与凸透镜相比，凹透镜对光线具有发散作用。凹透镜的焦距为负值，表示其焦点位于透镜前方。当光线通过凹透镜时，会向外发散，使得透镜后的光线呈现为发散状。这种特性使得凹透镜在光学仪器中也有一定的应用，例如，在太阳灶中，凹透镜可以将太阳光聚焦到一个点上，从而产生高温。

在眼镜中，凹透镜常用于矫正近视。近视患者由于眼球前后径过长或晶状体曲率过大，导致光线在进入眼球后会聚在视网膜前方，形成模糊的图像。佩戴凹透镜可以使光线在进入眼球前就适当发散，使得光线最终汇聚在视网膜上，从而矫正视力。据统计，全球约有25%的人患有近视，而凹透镜已成为矫正近视的重要手段。

(3)透镜的另一个重要特性是其光学中心。光学中心是指透镜上光线传播路径上的一个点，光线通过此点时，不会发生偏折。对于薄透镜而言，光学中心通常位于透镜的几何中心。在实际应用中，透镜的光学中心位置对于光学仪器的性能至关重要。

例如，在照相机镜头中，光学中心的位置需要精确控制，以确保成像的清晰度。如果光学中心偏移，会导致成像模糊或失真。此外，光学中心的位置也