🔍 Chapter 3:透鏡(Lenses)

📋 本章目錄

  • 第 1:3.1 凸透鏡與凹透鏡
  • 第 2:3.2 透鏡術語
  • 第 3:3.3 凸透鏡成像規律
  • 第 4:3.4 凹透鏡成像規律
  • 第 5:3.5 透鏡公式與放大率
  • 第 6:3.6 DSE 考生常見錯誤
  • 📌 本章總結
  • ✏️ 即時練習
  • 第 1:3.1 凸透鏡與凹透鏡

    🔍 什麼是透鏡?

    透鏡(Lens)是由透明物質(通常是玻璃或塑膠)製成的光學元件,表面呈球面彎曲。透鏡利用光的折射原理來改變光線的傳播方向,從而成像。

    凸透鏡(Convex) 凹透鏡(Concave) 中心較厚 光線會聚 f > 0 中心較薄 光線發散 f < 0
    圖 3-1:凸透鏡中央較厚(會聚光線);凹透鏡中央較薄(發散光線)

    凸透鏡(Convex / Converging Lens)

    凸透鏡特徵:

    凹透鏡(Concave / Diverging Lens)

    凹透鏡特徵:
    💡 記憶口訣:「凸中央厚、會聚;凹中央薄、發散」— 凸(凸起)對應會聚(凸面鏡亦會聚),凹(凹陷)對應發散。

    第 2:3.2 透鏡術語

    主軸 Principal Axis 透鏡中心 F F 2F 2F 焦距 f 焦距 f
    圖 3-2:凸透鏡的主軸、透鏡中心、焦點 F 與 2F 點

    📏 關鍵術語定義

    術語英文定義
    主軸 Principal Axis 通過透鏡中心的水平直線(光線對稱軸)
    透鏡中心 Optical Centre 透鏡的中心點,光線通過此點不改變方向
    焦點 F Principal Focus 平行光通過凸透鏡後會聚的點
    焦距 f Focal Length 透鏡中心到焦點的距離(凸透鏡 f>0,凹透鏡 f<0)
    2F 點 — 距離透鏡中心 2f 的點
    物距 u Object Distance 物體到透鏡中心的距離(始終為正)
    像距 v Image Distance 像到透鏡中心的距離(實像>0、虛像<0)

    第 3:3.3 凸透鏡成像規律

    ⚠️ 這是 DSE 物理光學最重要的部分!必須背熟口訣並理解物理意義。

    📊 凸透鏡成像規律表(必記!)

    物距 u 像距 v 像的性質 應用
    u → ∞ v = f(焦點上) 縮為一點 聚焦太陽能
    u > 2f f < v < 2f 倒立、縮小、實像 照相機
    u = 2f v = 2f 倒立、等大、實像 等大成像
    f < u < 2f v > 2f 倒立、放大、實像 投影機、幻燈機
    u = f v → ∞ 無像(平行光射出) 探照燈(反向)
    u < f v < 0(虛像) 正立、放大、虛像 放大鏡
    💡 口訣:「一倍焦距分虛實,二倍焦距分大小」
    - 物在 1f 內:虛像(放大鏡)
    - 物在 1f 外:實像
    - 物在 2f 外:縮小
    - 物在 2f 內:放大
    物體 像 F F u 透鏡
    圖 3-3:凸透鏡 u > 2f 時的成像示意(倒立、縮小、實像)

    🔍 三條特殊光線(畫圖法)

    凸透鏡成像圖的三條基本光線:
    光線路徑用途
    光線 1 平行於主軸 → 通過透鏡後通過焦點 F 畫像的位置
    光線 2 通過透鏡中心 → 方向不變 確定像的上下
    光線 3 通過焦點 F(或從焦點出發)→ 通過透鏡後平行於主軸 驗證像的位置
    📌 任意兩條光線的交點就是像的位置!

    第 4:3.4 凹透鏡成像規律

    凹透鏡成像特點

    ⚠️ 凹透鏡無論物距 u 為何,永遠成正立、縮小、虛像!
    物體 虛像 與物同側 F (虛)
    圖 3-4:凹透鏡永遠成正立、縮小、虛像(與物在同側)

    📊 凹透鏡成像規律

    物距 u像距 v像的性質
    任何 u(u > 0)v < 0,且 |v| < |f|正立、縮小、虛像
    💡 記憶方法:凹透鏡永遠是正立縮小虛像(鏡子裡的縮小版),像的位置在物體和透鏡之間。

    第 5:3.5 透鏡公式與放大率

    📐 透鏡公式(Lens Formula)

    1 / u + 1 / v = 1 / f

    其中:

    ⚠️ 符號陷阱(DSE 考生最常錯!):

    📐 放大率公式(Magnification)

    m = 像高 / 物高 = v / u
    📝 範例 3.1:凸透鏡成像計算

    凸透鏡焦距 f = 10 cm,物距 u = 30 cm。求像距 v 與像的性質。

    解:

    由透鏡公式:1/u + 1/v = 1/f

    1/30 + 1/v = 1/10

    1/v = 1/10 - 1/30 = 3/30 - 1/30 = 2/30

    v = 30/2 = 15 cm

    放大率 m = v/u = 15/30 = 0.5(縮小)

    ✅ 結論:u = 30 cm > 2f = 20 cm → 倒立、縮小、實像(照相機原理)

    📝 範例 3.2:投影機成像計算

    投影機鏡頭焦距 f = 5 cm,物距 u = 6 cm。求像距 v 與放大率。

    解:

    1/6 + 1/v = 1/5

    1/v = 1/5 - 1/6 = 6/30 - 5/30 = 1/30

    v = 30 cm

    放大率 m = v/u = 30/6 = 5(放大 5 倍)

    ✅ 結論:f < u < 2f(5 < 6 < 10)→ 倒立、放大、實像(投影機原理)

    📝 範例 3.3:放大鏡成像計算

    放大鏡焦距 f = 10 cm,物距 u = 5 cm。求像距 v 與放大率。

    解:

    1/5 + 1/v = 1/10

    1/v = 1/10 - 1/5 = 1/10 - 2/10 = -1/10

    v = -10 cm(負值 = 虛像)

    放大率 m = v/u = -10/5 = -2(負值 = 倒立?等等!)

    ✅ 注意:v 為負值,所以是虛像,此時 m 的符號規則相反,實際為正立、放大、虛像

    ⚠️ 重要:放大率公式 m = v/u 在虛像時符號要特別注意,計算時用 |v/u| 判斷放大倍數,正立/倒立用光線圖判斷!

    第 6:3.6 DSE 考生常見錯誤

    ⚠️ 根據 HKEAA 2018 答題分析,透鏡題目是 DSE 物理光學失分重災區!

    ❌ 常見錯誤 1:符號搞混

    把物距 u 當成可能為負的值。其實 u 永遠為正,因為物體總是在鏡前。只有 v 和 f 有正負。

    ❌ 常見錯誤 2:忘記帶單位

    透鏡公式計算時,所有長度要用同一單位(cm 或 m)。如果混用 cm 和 m,答案就錯了。

    ❌ 常見錯誤 3:放大率公式在虛像時搞混

    虛像時 v 為負,m = v/u 也是負,但實際像是正立放大。建議在虛像時用 |v/u| 算倍數,正立/倒立靠光線圖判斷。

    ❌ 常見錯誤 4:焦距記成 |f| 而忘記符號

    凹透鏡 f 是負值,代入公式時必須帶負號!

    ❌ 常見錯誤 5:混淆 u 和 v 的位置

    u = 物體到透鏡的距離;v = 像到透鏡的距離。考試緊張時容易寫反。

    ❌ 常見錯誤 6:把虛像算成可以投影

    虛像不能投影在屏幕上,只能用眼睛或相機觀看。

    📌 本章總結

    🎯 必記五大核心:
    1. 凸凹分辨:凸中央厚(會聚)、凹中央薄(發散)
    2. 凸透鏡口訣:「一倍焦距分虛實,二倍焦距分大小」
    3. 凹透鏡特性:永遠正立、縮小、虛像
    4. 透鏡公式:1/u + 1/v = 1/f(符號規則要記熟)
    5. 放大率:m = v/u(實像倒立、虛像正立)

    📝 關鍵詞中英對照

    中文English符號
    透鏡Lens—
    凸透鏡Convex Lens—
    凹透鏡Concave Lens—
    主軸Principal Axis—
    焦點Principal FocusF
    焦距Focal Lengthf
    物距Object Distanceu
    像距Image Distancev
    放大率Magnificationm
    實像Real Imagev > 0
    虛像Virtual Imagev < 0

    ✏️ 即時練習

    題 1:物距 u = 4 cm,焦距 f = 10 cm(凹透鏡),求像距 v 與性質。
    📌 點擊看答案

    1/4 + 1/v = 1/(-10)

    1/v = -1/10 - 1/4 = -2/20 - 5/20 = -7/20

    v = -20/7 ≈ -2.86 cm

    v 為負 → 虛像,位於物體同側。

    放大率 |m| = |v/u| = 2.86/4 = 0.715 → 縮小

    結論:正立、縮小、虛像(凹透鏡特性)

    題 2:凸透鏡焦距 10 cm,物在 15 cm 處,求像距與像的性質。
    📌 點擊看答案

    1/15 + 1/v = 1/10

    1/v = 1/10 - 1/15 = 3/30 - 2/30 = 1/30

    v = 30 cm

    m = 30/15 = 2(放大 2 倍)

    結論:f < u < 2f(10 < 15 < 20)→ 倒立、放大、實像(投影機原理)

    題 3:照相機鏡頭焦距 50 mm,要拍 2 米外的物體,像距是多少?
    📌 點擊看答案

    f = 50 mm = 0.05 m,u = 2 m = 2000 mm

    1/2000 + 1/v = 1/50

    1/v = 1/50 - 1/2000 = 40/2000 - 1/2000 = 39/2000

    v = 2000/39 ≈ 51.3 mm

    結論:u >> f,像距接近焦距(這就是為什麼相機鏡頭幾乎就放在焦點附近)

    題 4:判斷對錯:凹透鏡可以成正立、放大、虛像?
    📌 點擊看答案

    錯。凹透鏡永遠成正立、縮小、虛像,不會形成放大的像。放大像要用凸透鏡(u < f 時)才能形成。

    📘 Chapter 3:透鏡 (Lenses) - 完整筆記
    製作工具:OpenClaw + MiniMax-M3
    對應教材:Pan Lloyds Pre-DSE Optics(Ch3 Lenses)
    訪問:http://10.1.0.8:8080/chapter3_lenses_notes.html