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第1章 浅谈透镜
001 透镜是巧妙利用光的折射而发明的工具 2
002 透镜的历史 4
003 将小物体放大观察的显微镜的历史 6
004 将远处的物体移近观察的望远镜的历史 8
005 记录透镜所成像的照相机的历史 10
COLUMN 透镜（lens）的词源 12
第2章 光的行为举止
006 光的直线传播和可逆性 14
007 光的反射定律 16
008 光在平面镜上的反射 18
009 光的漫反射 20
010 通过透明物体的光 22
011 光在物质的界面弯曲 光的折射 24
012 光选择什么样的路径传播 费马原理 26
013 斯涅尔定律① 28
014 斯涅尔定律② 30
015 空气的扰动使光弯曲① 阳炎和逃逸之水的原理 32
016 空气的扰动使光弯曲② 海市蜃楼和蒙气差的原理 34
017 通过三棱镜得到的彩带 光的色散 36
018 天空中飘起光的彩带 彩虹的形成原理 38
019 彩虹为什么是圆弧形的 40
020 光的本性是波还是粒子① 光的衍射 42
021 光的本性是波还是粒子② 光的干涉 44
022 光的衍射和干涉所引起的彩虹 肥皂泡和CD盘上的彩虹原理 46
023 光是纵波还是横波 偏振① 48
024 偏振眼镜和布儒斯特定律 偏振② 50
025 光是电磁波的成员 52
026 光速是多少 54
027 考虑到光的行为举止的几何光学和波动光学 56
COLUMN 近场光——突破光的衍射极限的光 58
第3章 透镜的原理和作用
028 点光源发出的光是怎样传播的 60
029 影子的形成方式 62
030 针孔成像 64
031 针孔照相机成像 66
032 透镜的基本原理 68
033 凸透镜和凹透镜的基本功能 70
034 透镜的焦点和焦距 72
035 透镜的主点和主平面 74
036 薄球面透镜焦距的计算方法 76
037 光通过透镜后的传播方式 78
038 凸透镜成的实像 80
039 从无穷远处传来的光通过凸透镜后在哪儿成像 82
040 凸透镜成的虚像 84
041 遮住半个凸透镜后实像和虚像如何变化 86
042 物体位于焦点的位置上时实像和虚像如何变化 88
043 凹透镜成的虚像 90
044 透镜的成像公式和放大率① 凸透镜成实像的情况 92
045 透镜的成像公式和放大率② 凸透镜成虚像的情况 94
046 透镜的成像公式和放大率③ 凹透镜成虚像的情况 96
047 透镜成像公式的总结 98
048 计算透镜放大率的另一个方法 100
049 透镜成像作图的技巧① 从光轴上的一点发出射向凸透镜的光线 102
050 透镜成像作图的技巧② 以任意倾角射向凸透镜的光线 104
051 透镜成像作图的技巧③ 光线通过凹透镜的情况 106
052 通过两片透镜的光线 108
053 凹面镜和凸面镜的原理 110
054 由凹面镜和凸面镜反射的光线 112
055 透镜的分类方法 114
056 利用界面折射的透镜① 球面透镜 116
057 利用界面折射的透镜② 非球面透镜 118
058 利用界面折射的透镜③ 柱面透镜 120
059 利用界面折射的透镜④ 环面透镜 122
060 利用界面折射的透镜⑤ 菲涅尔透镜 124
061 非利用界面折射的透镜① 格林（GRIN）透镜（渐变折射率透镜） 126
062 非利用界面折射的透镜② 衍射透镜 128
COLUMN 光学超物质——具有负折射率的物质 130
第4章 透镜的性能
063 制作透镜的光学玻璃所需的特性 132
064 光学玻璃的折射率 134
065 光学玻璃的阿贝数 136
066 光学玻璃的分类 138
067 玻璃之外的光学材料① 天然或人造晶体 140
068 玻璃之外的光学材料② 光学塑料 142
069 透镜制作① 球面透镜的制作方法 144
070 透镜制作② 非球面透镜的制作方法 146
071 什么是像差 148
072 什么是球差 150
073 球差的矫正 152
074 彗差和像散 154
075 像场弯曲和畸变 156
076 位置色差和倍率色差 158
077 像的大小和亮度 160
078 F值和有效F值 162
079 数值孔径NA和透镜的分辨力 164
080 光阑和光瞳 166
081 光阑的位置和焦阑 168
082 焦深和景深 170
COLUMN 玻璃为什么是透明的 172
第5章 使用透镜的身边物品的原理
083 人眼的构造 174
084 眼睛的原理和功用 176
085 近视和远视 178
086 老花眼和散光 180
087 隐形眼镜的原理 182
088 放大镜原理 184
089 放大镜的放大率 186
090 光学显微镜的原理① 基本原理 188
091 光学显微镜的原理② 放大率和分辨力 190
092 望远镜的原理① 基本原理 192
093 望远镜的原理② 开普勒式望远镜的光路 194
094 望远镜的原理③ 荷兰式望远镜的光路 196
095 望远镜的原理④ 望远镜的放大率 198
096 望远镜的原理⑤ 为什么要对焦 200
097 照相机的原理① F值和快门速度 202
098 照相机的原理② 像角和焦距 204
099 照相机的原理③ 相机的像角和焦距 206
100 进化的透镜 流体透镜的原理 208
COLUMN 像反转系统——将倒立像变为正立像来观察 210
参考文献 211
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第1章 浅谈透镜
　　刚开始我们不谈复杂的话题，先简单确认一下透镜到底是什么样的东西，接着简单回顾一下我们人类利用透镜的历史。
　　001 透镜是巧妙利用光的折射而发明的工具
　　我们身边有许多利用透镜的工具，比如眼镜、放大镜、照相机、望远镜、显微镜等。此外，利用光技术的装置大多都使用透镜。例如CD、DVD等的驱动器、激光打印机和复印机等设备中透镜都是作为部件组装进去的。激光也被称为是“光技术的支柱”。
　　透镜是由玻璃或塑料等透明的物质制作而成的。透镜一般是圆形的，其单面或双面呈球面。球面外凸的叫凸透镜，球面内凹的叫凹透镜。凸透镜有聚光的作用，而凹透镜有散光的作用。
　　透镜的作用基于光的折射。比如装水的杯子里直的吸管看上去是弯折的，澡盆中手或指头看上去较短。像这样光从一种物质射入另一种不同物质时，在其界面具有改变传播方向的性质。这种现象叫光的折射。利用光的折射性质而自由自在地聚光或散光的工具就是透镜。
　　透镜的主要功用就是使光折射，从而聚光、散光和成像。放大镜之所以能将物体放大观察，还可以聚光，就是因为凸透镜可以使光折射，将光的前进方向向汇聚方向改变的缘故。反过来凹透镜具有使光发散的作用。根据使用目的的不同，改变透镜的大小及球面的形状，或将多片透镜组合起来，人们就可以主动地决定光的集聚方式、发散方式及像的放大率。透镜可以说是人类巧妙利用光的折射而发明的工具。
　　要点
　　中心部位凸出的透镜叫凸透镜，凹进去的透镜就叫凹透镜
　　透镜是利用光的折射现象聚光或散光的工具
　　图1 DVD驱动器的读写部位
　　图2 凸透镜和凹透镜
　　图3 看上去弯折的吸管
　　图4 聚光的葡萄酒杯
　　002 透镜的历史
　　清晨观察植物时，可以看到树叶上有许多水滴排列着附在叶尖。这样的水滴称为露珠。露珠和雨停后的水滴及大气中的水蒸气遇冷凝结出的霜不同，它是一种植物生理现象，是从叶子的水孔排出多余的水分而形成的水滴。临近细看一下露珠，会看到被放大了的叶子表面，或注意到其映照着倒立的景色。露珠，简直可以说是大自然造出的透镜。我们的祖先生于远古时代也应该发现了露珠，只是他们将这种现象当成是日常之事，自然地接受了吧。然而和光的折射有关的各种现象，无疑是人类创造出透镜这一器具的契机。
　　从古代的美索不达米亚、埃及、希腊等地的遗迹中，挖掘出了水晶球或玻璃球。但那些不是透镜，而是作为装饰品或宗教仪式的器具而使用的。*初记述水晶球和玻璃球还可以放大观察的是公元前1年前后古代罗马的哲学家塞内加（Lucius Annaeus Seneca）。其后，公元2世纪前后希腊的托勒密（Claudius Ptolemaeus，83年前后~168 年前后）记述了玻璃球的放大作用及光的折射。
　　11世纪前后，阿拉伯学者阿尔哈曾（注1）（Alhazen-Haitham，965~1039）详细地总结了人眼的构造及光的折射。13世纪前后，英国修道士罗杰·培根（Roger Bacon，1214~1294）推进了透镜的应用（注2），使凸透镜作为放大镜而被广泛使用。人年纪大了都会眼花，越来越看不清近处的东西。在*初的时候，特别是知识分子阶层的人们对放大镜有需求。15世纪前后，在意大利的威尼斯迎来了玻璃制造的全盛期。在意大利可以制造出老花镜和近视眼镜，并扩大到了世界各地。
　　要点
　　凸透镜作为放大镜的使用是透镜被广泛应用的契机
　　早期的放大镜是用水晶和绿柱石制成的高价贵重的物品
　　图1 植物制成的自然透镜
　　图2 正立像
　　图3 倒立像
　　003 将小物体放大观察的显微镜的历史
　　显微镜比望远镜一步，由荷兰的杨森父子于1590 年前后发明的，但是其发展要比望远镜缓慢。因为当时作为将物体放大观察的工具，有一片凸透镜制成的放大镜或许就足够了（注1）。
　　英国的罗伯特·胡克（Robert Hooke，1635~1703）使用2片透镜制成了放大率为数十倍的复式显微镜，对各种动植物进行了观察。他发现软木中有无数小房间，并给这些房间起名叫cella（注2）。他在1665年出版的《显微图集》一书中，登载了100多张动植物的绘图。同期，荷兰的安特尼·范·列文虎克（Antoni van Leeuwenhoek，1632~1723），使用一个玻璃球做透镜制成的单式显微镜对微生物进行了观察。他于1674年发现了微生物，于1676年发现了细菌。他的显微镜结构虽然很简单，但放大倍率达到了200倍以上。
　　由于光具有波动的性质，要用显微镜观察和光的波长同样大小物体，光线就会发散，物体看上去要模糊，这是发生了衍射的现象。德国的阿贝（Ernst Karl Abbe，1840~1905）和蔡司（Carl Friedrich Zeiss，1816~1888）仔细研究了衍射现象，成功地使光学显微镜的分辨率有了飞跃性的提高。然而只要是利用光来观察，可以确定光学显微镜的放大倍率*大到数千倍就是极限了。
　　1931年发明了电子显微镜，可以用来观察光学显微镜看不到的微观世界。电子显微镜的放大倍率可达10万倍以上，能看到病毒等。光学显微镜虽然达不到电子显微镜的倍率，但结构和操作很简单，目前仍然被广泛使用，其性能也在不断提高。
　　要点
　　具有一片透镜的为单式，具有数片透镜的为复式
　　光学显微镜的倍率一般为数十到数百倍，数千倍则为极限
内容介绍
在我们生活的世界中，各种各样的事物和现象，其中都必定包含着“科学”的成分。在这些成分中，有些是你所熟知的，有些是你未知的，有些是你还一知半解的。面对未知的世界，好奇的你是不是有很多疑惑、不解和期待呢？！“形形色色的科学”趣味科普丛书，把我们生活和身边方方面面的科学知识，活灵活现、生动有趣地展示给你，让你在畅快阅读中收获这些鲜活的科学知识！
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