镜子和透镜

几何光学是物理学的一个领域，它利用镜子和透镜来研究光的反射和折射。它遵循光传播的原理，并使用它们来解释与镜子和透镜相关的现象。基础概念对于理解光如何与这些物体互动非常重要，是物理教育的基石之一。本文将以简单但详尽的方式帮助您理解这些概念。

反射和镜子的种类

在了解镜子之前，重要的是理解反射定律，根据该定律，当光从一个表面反射时，入射角等于反射角。数学表达为：

入射角 (θ _i ) = 反射角 (θ _r )

镜子使用这一原理来形成图像。镜子主要有两种类型：平面镜和曲面镜。曲面镜进一步分为凹面镜和凸面镜。

平面镜

平面镜有一个平坦的反射面。当光线射向平面镜时，它们以与入射角相等的反射角返回。平面镜形成的图像是虚像，意味着它不能投影在屏幕上。图像也是正的，与物体大小相同。

凹面镜

凹面镜的反射面向内弯曲。它们可以将光线汇聚到一个点，使其在诸如望远镜和前照灯等设备中非常有用。

考虑一个具有主轴、焦点 (F) 和曲率中心 (C) 的凹面镜。下面是表示它的光线图：

在图中，与轴平行的入射光线经反射后汇聚于焦点。形成的图像类型（实像或虚像）依赖于物体相对于镜子的位置。凹面镜可以形成真实且倒置的图像或虚拟且正立的图像。

凸面镜

凸面镜向外凸出并扩散光线，提供更广阔的视野。这一特性使它们适用于安全和安防应用，如车辆中的侧视镜。

光线图帮助解释凸面镜的工作原理。下面是一个示例：

所有凸面镜形成的图像都是虚像、小且正立。焦点在镜子后面，因为光线在接触到反射表面后会发散。

折射和透镜

折射是光穿过不同介质时的弯曲。它的主要原理由斯涅尔定律表达：

n ₁ * sin(θ ₁ ) = n ₂ * sin(θ ₂ )

n ₁ 和 n ₂ 是两种介质的折射率，而 θ ₁ 和 θ ₂ 分别是入射角和折射角。折射帮助光通过透镜弯曲，使得图像形成成为可能。

透镜的种类

透镜分为两大类：凸透镜和凹透镜。每种类别处理光的方式不同，产生对光学仪器有用的不同效果。

凸透镜

凸透镜中心比边缘厚，将通过它们的光线汇聚到一个焦点。这一特性使它们适用于需要放大或聚焦光的应用。凸透镜用于放大镜、照相机和矫正眼镜。

通过以下示意图解释光如何通过凸透镜：

在示意图中，平行入射的光线通过透镜折射并在焦点处汇聚。与凹面镜一样，图像的类型取决于物体与透镜的距离。凸透镜可以形成真实且倒置的图像或虚拟且正立的图像。

凹透镜

凹透镜中心较薄，边缘较厚，使得光线通过时发散。它们通常用于需要减少或分散光图的应用，如猫眼或矫正近视。

凹透镜的光线图如下所示：

虚拟焦点用于将发散光向外延伸。凹透镜形成的图像总是虚拟的、正立且缩小的。