光與像（下）

我們都知道凸透鏡可以成像。對于焦距一定的凸透鏡，當物距發生變化時，像的大小、位置、虛實也會隨之變化。而人眼的工作機制，與照相機類似。但是，這只是理想化的模型，真正的成像情況要復雜得多。

照相機成像問題

對于凸透鏡成像的規律，既可以通過實驗來總結，也可以采用特殊光線作圖法來探究。特殊光線通常指以下3條光線：平行于主光軸的入射光線，透過凸透鏡后經過焦點；經過光心的入射光線，透過凸透鏡后方向不變；經過焦點的入射光線，透過凸透鏡后平行于主光軸前進（圖1）。

實際上，不同“顏色”的光的偏折程度并不相同。之所以加了個引號，是因為顏色是人的感知，并不是光的客觀存在。此處姑且用我們感知到的“顏色”來描述。

從光的色散實驗可以看出，紅色光的偏折程度最小，從橙色到紫色，偏折程度逐漸增大（圖2）。

凸透鏡對光有會聚作用，光線經過透鏡后偏向主光軸。平行于主光軸的白光由空氣進入玻璃，再由玻璃進入空氣，發生兩次折射（通常作圖時可以只畫一次）。由于各種色光的偏折程度不同，紫色光最先與主光軸相交，紅色光最后與主光軸相交。也就是說，對于同一個凸透鏡，各種色光的焦點位置不重合，紫色光的焦距最小，紅色光的焦距最大（圖3）。這就讓照相機拍照時產生了色差，拍出的照片會出現紫邊、綠邊等。

此外，平行于主光軸的平行光線，與光心O的距離有遠有近，通過凸透鏡后并不都通過焦點，離光心O遠的光線會較早聚焦。通常所說的焦點，是指到主光軸和透鏡邊緣距離相等的平行光線相交的點（圖4）。這就讓照相機在拍照時出現了球差，即使對焦完美，也會導致成像模糊或景物變形。中學物理課本中提到的凸透鏡、凹透鏡都是薄透鏡，即厚度與球面半徑相比非常小，如果透鏡的厚度太大，偏差就更大了。

為了盡量如實還原所拍攝的景物，高級的照相機采取了多種措施。比如，選取特殊的光學材料，重新設計透鏡的表面形狀，給鏡頭鍍膜，采用多個鏡片組合，等等。最終，在底片或傳感器上得到的是景物倒立、縮小的實像（平面的），與實際景物（立體的）相比，無論如何都會有差別。從這個意義上講，照片都是“失真”的。

人眼成像更加復雜

人眼與照相機類似，但是更加精密（圖5）。

人眼的角膜和晶狀體相當于光學透鏡，改變進入眼睛的光線方向，在視網膜上聚焦為倒立、縮小的實像（實際上，光學信號要通過感光細胞經由視神經傳送到大腦，最終讓人以“像”的方式感知周圍景物）。

虹膜可以調節進入眼睛的光量，相當于照相機的光圈。

睫狀體可以改變晶狀體的厚度，相當于“調焦”。看遠景時，睫狀體松弛，睫狀小帶收緊，讓晶狀體變薄，焦距變大；看近景時，睫狀體收縮，睫狀小帶放松，晶狀體變厚，焦距減小。這種調節會在瞬間自動完成。若用眼過度，“自動調焦”功能將下降，導致近視或遠視。長時間盯著手機或電腦畫面，還可能導致視疲勞，除了出現眼部癥狀，還會引發頭痛、肩膀酸痛等。

人們獲得的外部信息，70%以上來自視覺。而人眼和大腦產生的“視覺感受”并不是“真實”的世界，只是物體的“像”而已。人眼不能區分“實像”和“虛像”，而且很多時候還會出現“視錯覺”，所以說“眼見未必為實”。

模擬簡易照相機或放映機

找一枚凸透鏡（放大鏡、老花鏡都行），關上門窗，熄燈，只留下一面向光的窗戶。在與窗戶相對的墻上貼張白紙，讓凸透鏡靠近白紙，與窗戶、白紙平行放置。調節凸透鏡與白紙之間的距離，會在白紙上看到窗戶倒立、縮小的彩色實像（圖6）。這時，窗戶到凸透鏡的距離必定大于二倍焦距，而白紙到透鏡的距離介于一倍焦距和二倍焦距之間，這就是照相機的工作原理。

點燃一支蠟燭，拉上窗簾，調節燭焰與凸透鏡、白紙三者之間的距離和高度，直到白紙上出現燭焰倒立、放大的實像，這就是放映機的工作原理。燭焰相當于電影膠片，白紙相當于銀幕，而凸透鏡就相當于放映機的鏡頭。這時，燭焰與凸透鏡的距離必定介于一倍焦距與二倍焦距之間，而白紙到凸透鏡的距離一定大于二倍焦距。

這兩個實驗再次呈現出“哪邊大，哪邊大”的規律——若物距大于像距，則物體比像大；若像距大于物距，則像比物體大。

（責任編輯：白玉磊）