防盜門(mén)貓眼的光學(xué)原理

1、防盜門(mén)貓眼的光學(xué)原理武進(jìn)區(qū)前黃實(shí)驗(yàn)學(xué)校 許勤娟一、 貓眼是什么現(xiàn)代居民家的房子大都安裝了防盜門(mén)，在防盜門(mén)上可以看到一個(gè)圓形的小孔，小孔中裝有玻璃片，這便是門(mén)鏡。透過(guò)門(mén)鏡，室內(nèi)的人可以清楚地看到室外的“縮小”的人一個(gè)正立縮小的虛象，從而判斷來(lái)人是熟人，還是生人，然后決定是否開(kāi)門(mén)。可室外敲門(mén)的人卻不能透過(guò)玻璃片看清室內(nèi)的景象。裝上此門(mén)鏡，對(duì)于家庭的防盜和安全，能發(fā)揮一定的作用。所以，門(mén)鏡被稱(chēng)為“警眼”。又因?yàn)楣饩€(xiàn)通過(guò)門(mén)鏡折射、反射后在遠(yuǎn)處看它閃光的樣子很類(lèi)似波斯貓的眼睛，所以它還有別名叫“貓眼”。我們使用“貓眼”觀察后就知道：人在室外眼睛無(wú)論靠近還是遠(yuǎn)離“貓眼”都看不清室內(nèi)景物。人在室內(nèi)眼睛靠近“

2、貓眼”就能清楚地看見(jiàn)室外的人和景物，看見(jiàn)的是景物的正立的虛像，像比景物小。為什么“貓眼”只能使室內(nèi)人看清室外情況，而不能反過(guò)來(lái)讓室外人看到室內(nèi)情況？它有著怎樣的構(gòu)造呢？二、貓眼的構(gòu)造“貓眼”同望遠(yuǎn)鏡、顯微鏡一樣，都是由物鏡和目鏡組成，物鏡和目鏡的距離(貓眼的長(zhǎng)度)約為3cm，安裝在防盜門(mén)上的圓形小孔內(nèi)（門(mén)的厚度約為4cm）?！柏堁邸钡奈镧R是凹透鏡，目鏡是凸透鏡，但物鏡的焦距較短，目鏡的焦距較長(zhǎng)，目鏡的焦距應(yīng)等于或大于貓眼的長(zhǎng)度和物鏡的焦距之和。為什么這樣的構(gòu)造就能產(chǎn)生我們需要的觀察效果呢？“貓眼”成像的光學(xué)原理又是怎樣的呢？三、貓眼的光學(xué)原理首先，讓我們了解一下人眼是如何看清一個(gè)物體(或像)的

3、。人眼可看成一個(gè)特殊而又精密的光學(xué)儀器，物體發(fā)出的光線(xiàn)經(jīng)晶狀體（相當(dāng)于焦距可調(diào)的凸透鏡）折射后，在視網(wǎng)膜（相當(dāng)于光屏）上成像，人就能看清物體，判斷距離，欣賞五彩繽紛的景色。為看清遠(yuǎn)近不同的物體，眼睛可以通過(guò)周?chē)∪獾幕顒?dòng)使晶狀體變厚或變薄以改變焦距，使不同距離的物體都能在視網(wǎng)膜上成清晰的像。若需要較長(zhǎng)時(shí)間工作時(shí)，最適宜的、不致引起眼睛過(guò)度疲勞的距離大約是25cm。這個(gè)距離稱(chēng)為“明視距離”。但是介于晶狀體的調(diào)焦能力，物距小于10cm的物體是無(wú)法在視網(wǎng)膜上成清晰像的，即人眼看不清楚物距小于10cm的物體，我們稱(chēng)之為“近點(diǎn)”。同時(shí)，人要能看清一個(gè)物體(或一個(gè)景物所成的像)，還必須要有足夠的光能進(jìn)入人

4、眼。所以，人能看清一個(gè)物體(或一個(gè)物體所成的像)要具備兩個(gè)條件：一是該物體(或像)與人眼的距離合適，對(duì)于正常眼睛來(lái)說(shuō)，物體（或像）離眼睛的最近距離不得小于10cm，否則就看不清物體（或像）；二是必須有足夠的光能進(jìn)入人眼。再讓我們來(lái)看看“貓眼”的成像光路。圖1ABA”B”L1L2室內(nèi)室外AB圖2A”B”ABL1L2室內(nèi)室外BA當(dāng)我們從門(mén)內(nèi)向外看時(shí)，物鏡L1是凹透鏡，目鏡L2是凸透鏡（光路見(jiàn)圖1）。物鏡L1的焦距極短，室外的人或物AB發(fā)出的光經(jīng)過(guò)凹透鏡折射成發(fā)散光線(xiàn)，發(fā)散光線(xiàn)的反向延長(zhǎng)線(xiàn)相交成一個(gè)縮得很小的正立虛像AB，此像正好落在目鏡L2的焦點(diǎn)之內(nèi)，L2起著放大鏡的作用，所以經(jīng)L2折射后，折射光

5、線(xiàn)的反向延長(zhǎng)線(xiàn)相交，最后得到一個(gè)較為放大的正立虛像A”B”（比景物?。?。當(dāng)人在室內(nèi)眼睛靠近“貓眼”觀察時(shí)，此比景物縮小的正立的虛像A”B”正好成在正常人眼的明視距離附近。因此，室內(nèi)的人不用開(kāi)門(mén)，就能洞察門(mén)外的一切景象。那么，同樣通過(guò)此“貓眼”，為什么從門(mén)外向里看（倒看）時(shí)，卻什么也見(jiàn)不著呢？當(dāng)我們從門(mén)外向里看時(shí)，凹透鏡L1變成了目鏡，凸透鏡L2則成了物鏡（光路見(jiàn)圖2）。室內(nèi)的景物AB發(fā)出的光，通過(guò)凸透鏡L2折射后，會(huì)聚的折射光線(xiàn)本應(yīng)相交生成一個(gè)倒立的縮小的實(shí)像AB，但是在尚未成像之前就落到發(fā)散的凹透鏡L1上，由于凹透鏡L1焦距極短，對(duì)光線(xiàn)起發(fā)散作用，所以經(jīng)凹透鏡L1折射后，其發(fā)散的折射光線(xiàn)的反向延長(zhǎng)線(xiàn)相交成正立縮小虛像A”B”，成在目鏡L1的右側(cè)23cm。人在室外貼近“貓眼”的目鏡L1察看，這樣，人眼與像之間的距離，也只不過(guò)34cm，這個(gè)距離遠(yuǎn)小于正常人眼的近點(diǎn)，所以不能看清景物。若想保證像與人眼的距離合適，在明視距離的話(huà)，則由于門(mén)鏡的孔徑很小，又沒(méi)有足夠的光能進(jìn)入人眼，所