기하 광학 가상 실험실 가이드

개요

볼록 렌즈 이미징 실험은 기하 광학에서 가장 고전적인 실험 중 하나입니다. 물체(주로 양초)에서 렌즈까지의 거리를 변경하여 다양한 성질의 상을 관찰할 수 있습니다. 이 실험은 물체 거리와 초점 거리 사이의 배수 관계가상의 성질을 어떻게 결정하는지 귀납적으로 이해하는 데 도움을 줍니다.

배경 지식

핵심 개념

공식 및 유도

실험 단계

1. 1

   축소된 실상 조건 탐구

   초점 거리를 $f=35\text{cm}$ 로 설정합니다. 양초를 $u=80\text{cm}$ 위치(즉, $u > 2f$)로 드래그합니다. 렌즈 오른쪽 뒤의 이미지를 관찰하십시오. 이때 상은 뒤집혀 있습니까, 아니면 똑바로 서 있습니까? 확대되었습니까, 아니면 축소되었습니까?
2. 2

   같은 크기의 실상 찾기

   물체 거리가 초점 거리의 정확히 두 배($u = 2f = 70\text{cm}$)가 되도록 양초 위치를 조정합니다. 상의 크기가 물체와 완전히 일치하는지 관찰하십시오. 이때 상 거리 $v$ 의 값에 주의하십시오.
3. 3

   확대된 실상 탐구

   양초를 렌즈에 더 가깝게 이동하여 초점 거리 1배와 2배 사이($f < u < 2f$)에 놓습니다. 상의 변화를 관찰하십시오. 상이 ____ 되고 상 거리 $v$ 가 ____ 됨을 발견하게 될 것입니다?
4. 4

   비결상점 관찰

   양초를 초점($u = f = 35\text{cm}$)에 놓습니다. 굴절된 광선을 관찰하면 서로 평행함을 알 수 있습니다. 이때 스크린에서 선명한 상을 볼 수 있습니까?
5. 5

   확대된 허상 탐구

   양초를 초점 안쪽($u < f$)으로 이동합니다. 이때 오른쪽에는 광선이 모이지 않지만 왼쪽에는 점선이 모이는 현상이 나타납니다. 이것이 돋보기의 작동 원리입니다. 이때 상은 똑바로 서 있습니까, 아니면 뒤집혀 있습니까?

학습 목표

• 볼록 렌즈 이미징의 세 가지 전형적인 사례와 적용 조건 숙지
• 물체 거리가 변할 때 상 거리와 상의 크기가 어떻게 연속적으로 변하는지 이해
• 렌즈 이미징 공식을 사용하여 간단한 정량적 계산 수행 가능
• 광로 진화에서 허상과 실상의 본질적인 차이 명확화

실제 적용

• 카메라: $u > 2f$ 일 때, 도립 축소 실상을 맺음
• 프로젝터/슬라이드 환등기: $f < u < 2f$ 일 때, 도립 확대 실상을 맺음
• 돋보기: $u < f$ 일 때, 정립 확대 허상을 맺음
• 망원경/현미경: 여러 렌즈 세트의 조합을 통해 원거리 또는 미세 물체의 확대 이미징 실현

일반적인 오해

추가 읽을거리

• 위키백과 - 렌즈