Skip to content · ⁨ข้ามไปยังเนื้อหา⁩

Geometric Optics · ⁨ทัศนศาสตร์เชิงเรขาคณิต⁩

AP Physics 2 · Topic 13 · ⁨หัวข้อ 13⁩

Video lesson for this topic · ⁨บทเรียนวิดีโอสำหรับหัวข้อนี้⁩ Open the video page · ⁨เปิดหน้าวิดีโอ⁩
9:32

ทัศนศาสตร์เชิงเรขาคณิต

ใส่ดินสอตรงลงในแก้วน้ำ มันดูหัก มองเข้าไปในช้อนเงินเงางาม ใบหน้าของคุณจะกลับหัว Everything straight, and nothing...

English narration · English + 中文 subtitles burned in · ⁨การบรรยายภาษาอังกฤษ · คำบรรยายภาษาอังกฤษ + 中文 ลอยตัวบนภาพ⁩

13.1

Reflection · ⁨การสะท้อนคิด⁩

Syllabus · ⁨หลักสูตร⁩
English

Learning Objective 13.1.A: Describe light as a ray.

  • 13.1.A.1 A light ray is a straight line that is perpendicular to the wavefront of a light wave and points in the direction of travel of the wave.
    • 13.1.A.1.i Light rays can be used to determine the behavior of light in geometric optics, where the wave nature of light can be neglected.
    • 13.1.A.1.ii Rays are not sufficient to understand the spreading of light. In interference and diffraction, the wave nature of the light is important.
    • 13.1.A.1.iii A laser is a common source of a single coherent, monochromatic beam of light that can be modeled as a ray. The wave nature of lasers will be considered in Unit 14.
  • 13.1.A.2 Ray diagrams depict the path of light before and after an interaction with matter.

Learning Objective 13.1.B: Describe the reflection of light from a surface.

  • 13.1.B.1 Light that is incident on a surface can be reflected.
  • 13.1.B.2 The law of reflection states that the angle between the incident ray and the normal (the line perpendicular to the surface) is equal to the angle between the reflected ray and the normal.
    • Equation: $\theta_i = \theta_r$
  • 13.1.B.3 Diffuse reflection is the reflection of light from a rough surface and results in light reflected in many different directions, because the line normal to the surface varies over the area over which the light is incident.
  • 13.1.B.4 Specular reflection is the reflection of light from a smooth surface and results in light uniformly reflected from the surface, because the line normal to the surface has an approximately constant direction over the area the light strikes.
ไทย

วัตถุประสงค์การเรียนรู้ 13.1.A: อธิบายแสงในฐานะรังสี

  • 13.1.A.1 รังสีแสงคือเส้นตรงที่ตั้งฉากกับหน้าคลื่นของคลื่นแสงและชี้ไปในทิศทางการเคลื่อนที่ของคลื่น
    • 13.1.A.1.i รังสีแสงสามารถใช้เพื่อศึกษาพฤติกรรมของแสงในทางทัศนศาสตร์เรขาคณิต ซึ่งสามารถละเลยลักษณะคลื่นของแสงได้
    • 13.1.A.1.ii รังสีแสงไม่เพียงพอต่อการเข้าใจการกระจายตัวของแสง ในกรณีของการแทรกสอดและการหักเห ลักษณะคลื่นของแสงมีความสำคัญ
    • 13.1.A.1.iii เลเซอร์เป็นแหล่งกำเนิดรังสีแสงแบบ cohorent เดียวและความยาวคลื่นเดียวที่พบได้ทั่วไป และสามารถจำลองเป็นรังสีแสงได้ ลักษณะคลื่นของเลเซอร์จะได้รับการพิจารณาในหน่วยที่ 14
  • 13.1.A.2 แผนภาพรังสีแสดงเส้นทางของแสงก่อนและหลังเกิดปฏิกิริยากับสสาร

วัตถุประสงค์การเรียนรู้ 13.1.B: อธิบายการสะท้อนแสงจากพื้นผิว

  • 13.1.B.1 แสงที่ตกกระทบพื้นผิวสามารถสะท้อนได้
  • 13.1.B.2 กฏการสะท้อนระบุว่ามุมระหว่างรังสีตกกับแนวตั้งฉาก (เส้นที่ตั้งฉากกับพื้นผิว) มีค่าเท่ากับมุมระหว่างรังสีสะท้อนกับแนวตั้งฉาก
    • สมการ: $\theta_i = \theta_r$
  • 13.1.B.3 การสะท้อนแบบกระจายคือการสะท้อนแสงจากพื้นผิวหยาบ ทำให้แสงสะท้อนออกไปในหลายทิศทางต่างๆ เนื่องจากแนวตั้งฉากกับพื้นผิวมีการเปลี่ยนแปลงไปทั่วพื้นที่ที่แสงตกกระทบ
  • 13.1.B.4 การสะท้อนแบบ specular คือการสะท้อนแสงจากพื้นผิวเรียบ ทำให้แสงสะท้อนออกจากพื้นผิวอย่างสม่ำเสมอ เนื่องจากแนวตั้งฉากกับพื้นผิวมีทิศทางคงที่โดยประมาณตลอดพื้นที่ที่แสงตกกระทบ

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨แหล่งที่มา: คำอธิบายหลักสูตรและข้อสอบ College Board AP⁩

English

Geometric optics 几何光学 treats light as straight-line rays. The law of reflection 反射定律: when light bounces off a surface, the angle of incidence 入射角 equals the angle of reflection 反射角, both measured from the normal (the line perpendicular to the surface). Smooth surfaces reflect a clear image; rough surfaces scatter the rays.

ไทย

เรขาคณิตแสง พิจารณาแสงเป็นรังสีแบบเส้นตรง กฎของการสะท้อน: เมื่อแสงกระดอนออกจากพื้นผิว มุมตกกระทบ เท่ากับ มุมสะท้อน ทั้งสองวัดจาก แนวปกติ (เส้นตั้งฉากกับพื้นผิว) พื้นผิวเรียบสะท้อนภาพชัดเจน; พื้นผิวหยาบกระจายรังสี

กฎของการสะท้อน: มุมตกกระทบเท่ากับมุมสะท้อน
กฎของการสะท้อน: มุมตกกระทบเท่ากับมุมสะท้อน
Watch lesson · ⁨ดูบทเรียน⁩
13.2

Images Formed by Mirrors · ⁨ภาพที่เกิดจากกระจก⁩

Syllabus · ⁨หลักสูตร⁩
English

Learning Objective 13.2.A: Describe the image formed by a mirror.

  • 13.2.A.1 Incident light rays parallel to the principal axis of a concave (converging) mirror will be reflected toward a common location, called the focal point.
  • 13.2.A.2 Incident light rays parallel to the principal axis of a convex (diverging) mirror will be reflected such that they appear to have originated from a common location behind the mirror, called the focal point.
  • 13.2.A.3 The focal point of a plane mirror is an infinite distance from the mirror.
  • 13.2.A.4 The focal point of a spherical mirror may be approximated as a point located on the principal axis of the mirror halfway between the surface of the mirror and the center of the mirror's radius of curvature.
  • 13.2.A.5 A real image is formed by a mirror when light rays emanating from a common point are reflected and then intersect at a common point.
  • 13.2.A.6 A virtual image is formed by a mirror when reflected light rays diverge such that they appear to have originated from a common point.
  • 13.2.A.7 The location of an image depends on the focal length of the mirror and the distance between the object and the surface of the mirror.
    • Equation: $\dfrac{1}{s_i} + \dfrac{1}{s_o} = \dfrac{1}{f}$
    • 13.2.A.7.i The locations of a mirror's focal point, an object near the mirror, and the image of the object formed by the mirror follow sign conventions that are used to determine those locations relative to the mirror itself.
    • 13.2.A.7.ii The distance between the image formed and a plane mirror is equal to the distance between the object and the plane mirror.
  • 13.2.A.8 The magnification of an image formed by a mirror is the ratio of the size of the image produced to the size of the object itself and depends on the locations of the object and image relative to the mirror.
    • Equation: $|M| = \left| \dfrac{h_i}{h_o} \right| = \left| \dfrac{s_i}{s_o} \right|$
  • 13.2.A.9 Ray diagrams can be used to determine the location, type, size, and orientation of images formed by mirrors.
    • 13.2.A.9.i The three principal rays are typically used to find the images formed by mirrors. The principal rays are 1) the ray parallel to the principal axis, 2) the ray that reflects at the center of the mirror where the principal axis intersects the mirror, and 3) the ray that passes through the focal point of the mirror.
    • 13.2.A.9.ii Images formed by a mirror can be upright or inverted, virtual or real, and reduced, enlarged, or the same size as the object.

Boundary statement: AP Physics 2 limits the study of mirrors to plane mirrors, convex spherical mirrors, and concave spherical mirrors.

ไทย

วัตถุประสงค์การเรียนรู้ 13.2.A: อธิบายภาพที่เกิดจากกระจก

  • 13.2.A.1 รังสีแสงที่ตกกระทบขนานกับแกนหลักของกระจกเว้า (กระจกรวมแสง) จะถูกสะท้อนเข้าสู่จุดเดียวกัน ซึ่งเรียกว่า จุดโฟกัส
  • 13.2.A.2 รังสีแสงที่ตกกระทบขนานกับแกนหลักของกระจกนูน (กระจกแยกแสง) จะถูกสะท้อนจนดูเหมือนว่ามาจากจุดเดียวกันอยู่ด้านหลังกระจก ซึ่งเรียกว่า จุดโฟกัส
  • 13.2.A.3 จุดโฟกัสของกระจกแบนอยู่ที่ระยะอนันต์จากกระจก
  • 13.2.A.4 จุดโฟกัสของกระจกทรงกลมสามารถประมาณได้ว่าอยู่ในตำแหน่งบนแกนหลักของกระจก ที่กึ่งกลางระหว่างพื้นผิวของกระจกกับศูนย์กลางรัศมีโค้งของกระจก
  • 13.2.A.5 ภาพจริงเกิดจากกระจกเมื่อรังสีแสงที่แผ่ออกมาจากจุดเดียวกันถูกสะท้อนแล้วตัดกันที่จุดเดียวกัน
  • 13.2.A.6 ภาพลวงตาเกิดจากกระจกเมื่อรังสีแสงที่สะท้อนออกมีการกระจายตัวจนดูเหมือนว่ามาจากจุดเดียวกัน
  • 13.2.A.7 ตำแหน่งของภาพขึ้นอยู่กับความยาวโฟกัสของกระจกและระยะห่างระหว่างวัตถุกับพื้นผิวของกระจก
    • สมการ: $\dfrac{1}{s_i} + \dfrac{1}{s_o} = \dfrac{1}{f}$
    • 13.2.A.7.i ตำแหน่งของจุดโฟกัสของกระจก วัตถุใกล้กระจก และภาพของวัตถุที่เกิดจากกระจก เป็นไปตามกฎเครื่องหมายที่ใช้กำหนดตำแหน่งเหล่านั้นเทียบกับตัวกระจกเอง
    • 13.2.A.7.ii ระยะห่างระหว่างภาพที่เกิดกับกระจกแบนมีค่าเท่ากับระยะห่างระหว่างวัตถุกับกระจกแบน
  • 13.2.A.8 ความขยายของภาพที่เกิดจากกระจกคืออัตราส่วนระหว่างขนาดของภาพที่เกิดขึ้นต่อขนาดของวัตถุเอง และขึ้นอยู่กับตำแหน่งของวัตถุและภาพเทียบกับกระจก
    • สมการ: $|M| = \left| \dfrac{h_i}{h_o} \right| = \left| \dfrac{s_i}{s_o} \right|$
  • 13.2.A.9 แผนภาพรังสีสามารถใช้以确定ตำแหน่ง ประเภท ขนาด และการวางตัวของภาพที่เกิดจากกระจก
    • 13.2.A.9.i รังสีหลักสามชนิดมักใช้ในการหาภาพที่เกิดจากกระจก รังสีหลักเหล่านี้ ได้แก่ 1) รังสีขนานกับแกนหลัก 2) รังสีที่สะท้อนที่ศูนย์กลางของกระจกซึ่งแกนหลักตัดกับกระจก และ 3) รังสีที่ผ่านจุดโฟกัสของกระจก
    • 13.2.A.9.ii ภาพที่เกิดจากกระจกสามารถตั้งตรงหรือคว่ำ ลวงตาหรือจริง และอาจมีขนาดเล็กกว่า ใหญ่กว่า หรือเท่าเดิมกับวัตถุ

คำประกาศขอบเขต: AP Physics 2จำกัดการศึกษาเรื่องกระจกไว้เฉพาะกระจกแบน กระจกทรงกลมนูน และกระจกทรงกลมนูน

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨แหล่งที่มา: คำอธิบายหลักสูตรและข้อสอบ College Board AP⁩

English

A curved mirror focuses parallel rays at its focal point, a distance $f$ from the mirror. The mirror equation relates object and image distances:

$$\frac{1}{d_o}+\frac{1}{d_i}=\frac{1}{f},\qquad m=-\frac{d_i}{d_o}.$$
A concave mirror 凹面镜 (converging) can form a real image 实像 (rays actually meet, projectable, inverted); a convex mirror 凸面镜 always forms a virtual image 虚像 (rays only appear to meet, upright, reduced). The magnification $m$ gives the image's size and orientation. Sign convention matters: a negative image distance means a virtual image behind the mirror or lens.

ไทย

กระจกโค้งรวมรังสีขนานที่ จุดโฟกัส ซึ่งอยู่ห่างจากกระจก $f$ สมการกระจก เชื่อมโยงระยะวัตถุและระยะภาพ:

$$\frac{1}{d_o}+\frac{1}{d_i}=\frac{1}{f},\qquad m=-\frac{d_i}{d_o}.$$
กระจก เว้า (รวมแสง) สามารถสร้าง ภาพจริง (รังสีพบกันจริง นำไปฉายได้ หงายหัว); กระจก นูน เสมอสร้าง ภาพเสมือน (รังสีดูเหมือนพบกัน ตั้งตรง เล็กกว่า) การขยายภาพ $m$ บอกขนาดและทิศทางของภาพ กฎหมายเครื่องหมายสำคัญ: ระยะภาพ ติดลบ หมายถึงภาพเสมือนอยู่ด้านหลังกระจกหรือเลนส์

Explore · ⁨สำรวจ⁩

Form an image with a curved mirror · ⁨สร้างภาพด้วยกระจกโค้ง⁩

A concave mirror reflects rays through its focus. The object's distance relative to the focal length decides whether the image is real or virtual, enlarged or reduced. · ⁨กระจกเว้า สะท้อนรังสีผ่านจุดโฟกัส ระยะของวัตถุเทียบกับระยะโฟกัส决定了 whether the image is real or virtual, enlarged or reduced.⁩

Watch lesson · ⁨ดูบทเรียน⁩
13.3

Refraction · ⁨การหักเห⁩

Syllabus · ⁨หลักสูตร⁩
English

Learning Objective 13.3.A: Describe the refraction of light between two media.

  • 13.3.A.1 Refraction is the change in direction of a light ray as the ray passes from one medium into another.
  • 13.3.A.2 Refraction is a result of the speed of light changing when light enters a new medium.
  • 13.3.A.3 The index of refraction of a given medium is inversely proportional to the speed of light in the medium.
    • Equation: $n = \dfrac{c}{v}$
  • 13.3.A.4 Snell's law relates the angles of incidence and refraction of a light ray passing from one medium into another to the indices of refraction of the two media.
    • Equation: $n_1 \sin\theta_1 = n_2 \sin\theta_2$
    • 13.3.A.4.i When a light ray travels from a medium with a higher index of refraction into a medium with a lower index of refraction, the ray refracts away from the normal.
    • 13.3.A.4.ii When a light ray travels from a medium with a lower index of refraction into a medium with a higher index of refraction, the ray refracts toward the normal.
    • 13.3.A.4.iii When a light ray is incident along the normal to a surface, the transmitted ray is not refracted.
  • 13.3.A.5 Total internal reflection may occur when light passes from one medium into another medium with a lower index of refraction.
    • 13.3.A.5.i Total internal reflection of light occurs beyond a critical angle of incidence.
      • Derived equation: $\theta_{\text{critical}} = \sin^{-1}\left( \dfrac{n_2}{n_1} \right)$
    • 13.3.A.5.ii For incident rays at the critical angle, the ray refracts at 90 degrees and travels along the surface of the material.
    • 13.3.A.5.iii For incident rays beyond the critical angle, all light is reflected (no light is transmitted into the other medium).
ไทย

วัตถุประสงค์การเรียนรู้ 13.3.A: อธิบายการหักเหของแสงระหว่างสองสสาร

  • 13.3.A.1 การหักเหคือการเปลี่ยนทิศทางของรังสีแสงขณะที่รังสีนั้นผ่านจากสสารหนึ่งไปยังอีกสสารหนึ่ง
  • 13.3.A.2 การหักเหเป็นผลมาจากการเปลี่ยนแปลงความเร็วของแสงเมื่อแสงเข้าสู่สสารใหม่
  • 13.3.A.3 ดัชนีหักเหของสสารที่กำหนดให้แปรผกผันกับความเร็วของแสงในสสารนั้น
    • สมการ: $n = \dfrac{c}{v}$
  • 13.3.A.4 กฎของSnell เชื่อมโยงมุมตกและมุมหักเหของรังสีแสงที่ผ่านจากสสารหนึ่งไปยังอีกสสารหนึ่ง กับดัชนีหักเหของทั้งสองสสาร
    • สมการ: $n_1 \sin\theta_1 = n_2 \sin\theta_2$
    • 13.3.A.4.i เมื่อรังสีแสงเดินทางจากสสารที่มีดัชนีหักเหสูงกว่าไปยังสสารที่มีดัชนีหักเหต่ำกว่า รังสีจะหักเหออกจากแนวตั้งฉาก
    • 13.3.A.4.ii เมื่อรังสีแสงเดินทางจากสสารที่มีดัชนีหักเหต่ำกว่าไปยังสสารที่มีดัชนีหักเหสูงกว่า รังสีจะหักเหเข้าหาแนวตั้งฉาก
    • 13.3.A.4.iii เมื่อรังสีแสงตกกระทบตามแนวตั้งฉากกับพื้นผิว รังสีที่ส่งผ่านจะไม่เกิดการหักเห
  • 13.3.A.5 การสะท้อนกลับทั้งหมดอาจเกิดขึ้นเมื่อแสงผ่านจากสสารหนึ่งไปยังอีกสสารหนึ่งซึ่งมีค่าดัดหักเหต่ำกว่า
    • 13.3.A.5.i การสะท้อนกลับทั้งหมดของแสงจะเกิดขึ้นเมื่อมุมตกกระทบเกินกว่ามุมวิกฤต
      • สมการที่ได้จาก: $\theta_{\text{critical}} = \sin^{-1}\left( \dfrac{n_2}{n_1} \right)$
    • 13.3.A.5.ii สำหรับรังสีที่ตกกระทบที่มุมวิกฤตรังสีจะหักเหที่ 90 องศาและเคลื่อนที่ไปตามพื้นผิวของวัสดุ
    • 13.3.A.5.iii สำหรับรังสีที่ตกกระทบเกินกว่ามุมวิกฤต แสงทั้งหมดจะถูกสะท้อน (ไม่มีแสงที่ส่งผ่านไปยังสสารอื่น)

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨แหล่งที่มา: คำอธิบายหลักสูตรและข้อสอบ College Board AP⁩

English

Light bends when it passes between materials because its speed changes – refraction 折射. Each material has an index of refraction 折射率 $n=\dfrac{c}{v}$ (how much it slows light). Snell's law 斯涅尔定律:

$$n_1\sin\theta_1=n_2\sin\theta_2.$$
Light entering a denser medium (larger $n$) bends toward the normal. Beyond a critical angle, light going to a less-dense medium reflects entirely – total internal reflection 全反射, used in fibre optics.

Worked example. A ray in air ($n_1=1.00$) strikes water ($n_2=1.33$) at $40^{\circ}$ to the normal. By Snell's law,

$$\sin\theta_2=\frac{n_1}{n_2}\sin\theta_1=\frac{1.00}{1.33}\sin 40^{\circ}=0.483\;\Rightarrow\;\theta_2=29^{\circ}.$$
The ray bends toward the normal, as expected going into the denser medium.

Worked example (critical angle). For light trying to leave glass ($n=1.50$) for air, total internal reflection begins at the critical angle $\theta_c$ where the refracted ray grazes the surface:

$$\sin\theta_c=\frac{1}{n}=\frac{1}{1.50}=0.667\;\Rightarrow\;\theta_c=42^{\circ}.$$
Any ray hitting the inside surface more steeply than $42^{\circ}$ is trapped – the reason optical fibres carry light for kilometres.

ไทย

แสงเบี่ยงเบนเมื่อผ่านระหว่างวัสดุเนื่องจากความเร็วเปลี่ยนไป – การหักเห วัสดุแต่ละชนิดมี ดรรชนีหักเห $n=\dfrac{c}{v}$ (ว่าช้าลงเท่าไร) กฎของسنেলล์:

$$n_1\sin\theta_1=n_2\sin\theta_2.$$
แสงเข้าสู่สื่อที่หนาแน่นกว่า ($n$ มากขึ้น) จะเบี่ยงเบน เข้าหา แนวปกติ เมื่อเกินมุมวิกฤต แสงที่ส่งไปยังสื่อที่บางกว่าจะถูกสะท้อนทั้งหมด – การสะท้อนภายในทั้งหมด ใช้ในไฟเบอร์ออปติก

แสงหักเห เบี่ยงเบนเข้าหาแนวปกติเมื่อเข้าสู่แก้ว
แสงหักเห เบี่ยงเบนเข้าหาแนวปกติเมื่อเข้าสู่แก้ว

ตัวอย่างโจทย์พร้อมวิธีทำ. รังสีในอากาศ ($n_1=1.00$) ชนน้ำ ($n_2=1.33$) ที่มุม $40^{\circ}$ จากแนวปกติ ตามกฎของسنেলล์,

$$\sin\theta_2=\frac{n_1}{n_2}\sin\theta_1=\frac{1.00}{1.33}\sin 40^{\circ}=0.483\;\Rightarrow\;\theta_2=29^{\circ}.$$
รังสีเบี่ยงเบนเข้าหาแนวปกติ ตามที่คาดไว้เมื่อเข้าสู่สื่อที่หนาแน่นกว่า

ตัวอย่างโจทย์พร้อมวิธีทำ (มุมวิกฤต). สำหรับแสงพยายามออกจากแก้ว ($n=1.50$) สู่อากาศ การสะท้อนภายในทั้งหมดจะเริ่มที่มุมวิกฤต $\theta_c$ ที่รังสีหักเหเสียดกับพื้นผิว:

$$\sin\theta_c=\frac{1}{n}=\frac{1}{1.50}=0.667\;\Rightarrow\;\theta_c=42^{\circ}.$$
รังสีใดๆ ที่ตกกระทบพื้นผิวด้านภายในด้วยมุมมากกว่า $42^{\circ}$ จะถูกกักไว้ – นี่คือเหตุผลที่ใยแก้วนำแสงสามารถส่งแสงไปได้ไกลหลายกิโลเมตร

แสงขาวแยกเป็นสเปกตรัมผ่านปริซึมแก้ว
การหักเหอบิดแต่ละสีในปริมาณต่างกัน ทำให้ปริซึมกระจายแสงขาวออกเป็นรุ้ง
Explore · ⁨สำรวจ⁩

Bend light as it enters glass · ⁨หักเหแสงเมื่อเข้าสู่แก้ว⁩

Light refracts (bends) when it changes speed between media, following Snell's law. The denser the medium, the more it bends toward the normal. · ⁨แสง หักเห (เบี่ยงเบน) เมื่อเปลี่ยนความเร็วระหว่างสื่อ ตามกฎของสเนล สื่อที่มีความหนาแน่นยิ่งมากยิ่งเบี่ยงเบนเข้าหาแนวปกติมากขึ้น⁩

Vocabulary · ⁨คำศัพท์⁩ Train · ⁨ฝึกฝน⁩
English ไทย
Geometric optics/ˌdʒiːəʊˈmetrɪk ˈɒptɪks/ ทัศนศาสตร์เรขาคณิต
law of reflection/lɔː ɒv rɪˈflekʃn/ กฎการสะท้อนแสง
angle of incidence/ˈæŋɡl ɒv ˈɪnsɪdəns/ มุมตกรับ
angle of reflection/ˈæŋɡl ɒv rɪˈflekʃn/ มุมสะท้อน
concave mirror/kɒnˈkeɪv ˈmɪrə/ กระจกเว้า
real image/rɪəl ˈɪmɪdʒ/ ภาพจริง
convex mirror/kɒnˈveks ˈmɪrə/ กระจกนูน
virtual image/ˈvɜːtʃuːəl ˈɪmɪdʒ/ ภาพเสมือน
refraction/rɪˈfrækʃn/ หักเห
index of refraction/ˈɪndeks ɒv rɪˈfrækʃn/ ดัชนีหักเห
Snell's law/snelz lɔː/ กฎ Snell
total internal reflection/ˈtəʊtl ɪnˈtɜːnl rɪˈflekʃn/ การสะท้อนกลับทั้งหมด
Watch lesson · ⁨ดูบทเรียน⁩
13.4

Images Formed by Lenses · ⁨ภาพที่เกิดจากเลนส์⁩

Syllabus · ⁨หลักสูตร⁩
English

Learning Objective 13.4.A: Describe the image formed by a lens.

  • 13.4.A.1 Incident light rays parallel to the principal axis of a thin convex (converging) lens will be refracted and converge toward a common location on the transmitted side of the lens, called the focal point.
  • 13.4.A.2 Incident light rays parallel to the principal axis of a thin concave (diverging) lens will be refracted and diverge as if they originated from a focal point on the incident side of the lens.
  • 13.4.A.3 A real image is formed by a lens when light rays originating from a common point are refracted such that they intersect at another common point.
  • 13.4.A.4 A virtual image is formed by a lens when refracted light rays diverge such that they appear to have originated from a common point.
  • 13.4.A.5 For a thin lens, the location of an image depends on the focal length of the lens and the distance between the object and the midline of the lens, as given by the thin-lens equation:
    • Equation: $\dfrac{1}{s_i} + \dfrac{1}{s_o} = \dfrac{1}{f}$
    • 13.4.A.5.i The locations of a lens's focal point, an object, and the image of the object formed by the lens follow sign conventions that are used to determine those locations relative to the lens itself.
    • 13.4.A.5.ii Lenses have a focal point on both sides of the lens that depends on the shape of the respective side of the lens.
  • 13.4.A.6 For a thin lens, the magnification of an image is the ratio of the size of the image produced to the size of the object itself and depends on the locations of the object and image relative to the lens.
    • Equation: $|M| = \left| \dfrac{h_i}{h_o} \right| = \left| \dfrac{s_i}{s_o} \right|$
  • 13.4.A.7 Ray diagrams can be used to determine the location, type, size, and orientation of images formed by lenses.
    • 13.4.A.7.i The three principal rays are typically used to find the images formed by lenses. The principal rays are 1) the ray parallel to the principal axis, 2) the ray that passes through the center of the lens where the principal axis intersects the lens, and 3) the ray that passes through the focal point of the lens.
    • 13.4.A.7.ii Images formed by a lens can be upright or inverted, virtual or real, and reduced, enlarged, or the same size as the object.
ไทย

จุดประสงค์การเรียนรู้ 13.4.A: อธิบายภาพที่เกิดจากเลนส์

  • 13.4.A.1 รังสีแสงที่ตกกระทบขนานกับแกนหลักของเลนส์นูนบาง (เลนส์รวมแสง) จะถูกหักเหและรวมตัวกันไปยังตำแหน่งเดียวกันด้านที่แสงส่งผ่านของเลนส์ ซึ่งเรียกว่า จุดโฟกัส
  • 13.4.A.2 รังสีแสงที่ตกกระทบขนานกับแกนหลักของเลนส์เว้าบาง (เลนส์แยกแสง) จะถูกหักเหและกระจายออก彷彿ว่าเกิดจากจุดโฟกัสด้านที่แสงตกกระทบของเลนส์
  • 13.4.A.3 ภาพจริงเกิดจากเลนส์เมื่อรังสีแสงที่มาจากจุดเดียวกันถูกหักเหจนตัดกันที่จุดเดียวกันอีกจุดหนึ่ง
  • 13.4.A.4 ภาพลวงตาเกิดจากเลนส์เมื่อรังสีแสงที่ถูกหักเหกระจายออกจนดูเหมือนว่าจะเกิดจากจุดเดียวกัน
  • 13.4.A.5 สำหรับเลนส์บาง ตำแหน่งของภาพขึ้นอยู่กับความยาวโฟกัสของเลนส์และระยะระหว่างวัตถุกับเส้นกลางของเลนส์ ตามสมการเลนส์บาง:
    • สมการ: $\dfrac{1}{s_i} + \dfrac{1}{s_o} = \dfrac{1}{f}$
    • 13.4.A.5.i ตำแหน่งของจุดโฟกัสของเลนส์ วัตถุ และภาพของวัตถุที่เกิดจากเลนส์遵循ตามกฎเครื่องหมายที่ใช้เพื่อระบุตำแหน่งเหล่านั้นเมื่อเทียบกับเลนส์เอง
    • 13.4.A.5.ii เลนส์มีจุดโฟกัสทั้งสองด้านโดยขึ้นอยู่กับรูปร่างของแต่ละด้านของเลนส์
  • 13.4.A.6 สำหรับเลนส์บาง ความขยายของภาพคืออัตราส่วนระหว่างขนาดของภาพที่เกิดขึ้นต่อขนาดของวัตถุ本身 และขึ้นอยู่กับตำแหน่งของวัตถุและภาพเมื่อเทียบกับเลนส์
    • สมการ: $|M| = \left| \dfrac{h_i}{h_o} \right| = \left| \dfrac{s_i}{s_o} \right|$
  • 13.4.A.7 แผนภาพรังสีสามารถใช้กำหนดตำแหน่ง ประเภท ขนาด และการจัดวางของภาพที่เกิดจากเลนส์ได้
    • 13.4.A.7.i รังสีหลักสามชนิดมักใช้ในการหาภาพที่เกิดจากเลนส์ รังสีหลักเหล่านี้ ได้แก่ 1) รังสีที่ขนานกับแกนหลัก 2) รังสีที่ผ่านศูนย์กลางของเลนส์ซึ่งแกนหลักตัดกับเลนส์ และ 3) รังสีที่ผ่านจุดโฟกัสของเลนส์
    • 13.4.A.7.ii ภาพที่เกิดจากเลนส์สามารถตั้งตรงหรือคว่ำ ลวงตาหรือจริง และอาจมีขนาดเล็กกว่า ใหญ่กว่า หรือเท่ากับวัตถุ

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨แหล่งที่มา: คำอธิบายหลักสูตรและข้อสอบ College Board AP⁩

English
A converging lens forms a real image

A lens bends light through refraction. The thin-lens equation has the same form as the mirror equation:

$$\frac{1}{d_o}+\frac{1}{d_i}=\frac{1}{f},\qquad m=-\frac{d_i}{d_o}.$$
A converging 会聚 (convex) lens can form a real, inverted image or, for a close object, a virtual, upright, enlarged image (a magnifying glass). A diverging 发散 (concave) lens always forms a virtual, upright, reduced image. Ray diagrams locate the image quickly using two easy rays: one parallel to the axis that bends to pass through the far focus, and one straight through the centre of the lens (undeviated).

Worked example. An object sits $30\ \text{cm}$ from a converging lens of focal length $f=10\ \text{cm}$. Find the image. From the thin-lens equation,

$$\frac{1}{d_i}=\frac{1}{f}-\frac{1}{d_o}=\frac{1}{10}-\frac{1}{30}=\frac{2}{30}\;\Rightarrow\;d_i=15\ \text{cm},$$
and the magnification is $m=-d_i/d_o=-15/30=-0.5$. The image is real (positive $d_i$), inverted (negative $m$), and half the object's size – just what a camera lens does.

ไทย
เลนส์รวมแสงสร้างภาพจริง

เลนส์ บิดแสงด้วยการหักเห สมการเลนส์บาง มีรูปแบบเดียวกับสมการกระจก:

$$\frac{1}{d_o}+\frac{1}{d_i}=\frac{1}{f},\qquad m=-\frac{d_i}{d_o}.$$
เลนส์รวมแสง (นูน) สามารถสร้างภาพจริงที่คว่ำ หรือสำหรับวัตถุใกล้ จะสร้างภาพลวงตรงและขยายใหญ่ขึ้น (แว่นขยาย) เลนส์แยกแสง (เว้า) สร้างภาพลวงตรงและเล็กลงเสมอ แผนภาพรังสีช่วยระบุตำแหน่งภาพอย่างรวดเร็วโดยใช้รังสีง่าย ๆ สองเส้น: เส้นขนานกับแกนที่หักเหไปผ่านโฟกัสไกล และเส้นตรงผ่านศูนย์กลางเลนส์ (ไม่เบี่ยงเบน)

สองรังสีระบุตำแหน่งภาพ: ขนานแล้วผ่านโฟกัส และตรงผ่านศูนย์กลาง
สองรังสีระบุตำแหน่งภาพ: ขนานแล้วผ่านโฟกัส และตรงผ่านศูนย์กลาง
เลนส์รวมแสง汇聚ขนานรังสีไปที่โฟกัสหลัก
เลนส์รวมแสง汇聚ขนานรังสีไปที่โฟกัสหลัก

ตัวอย่างวิธีทำ. วัตถุวางอยู่ $30\ \text{cm}$ จากเลนส์รวมแสงที่มีความยาวโฟกัส $f=10\ \text{cm}$ หาภาพ ที่เกิดจากสมการเลนส์บาง,

$$\frac{1}{d_i}=\frac{1}{f}-\frac{1}{d_o}=\frac{1}{10}-\frac{1}{30}=\frac{2}{30}\;\Rightarrow\;d_i=15\ \text{cm},$$
และการขยายคือ $m=-d_i/d_o=-15/30=-0.5$. ภาพนั้นเป็นภาพจริง (ค่า $d_i$ เป็นบวก), คว่ำ (ค่า $m$ เป็นลบ) และมีขนาดครึ่งหนึ่งของวัตถุ – พอดีกับสิ่งที่เลนส์กล้องทำ

แว่นขยายแสดงภาพหัวกลับอยู่ด้านหลัง
เลนส์นูนสร้างภาพจริงคว่ำของฉากไกล ตามที่แผนภาพรังสีทำนายไว้
Explore · ⁨สำรวจ⁩

Form an image with a converging lens · ⁨สร้างภาพด้วยเลนส์รวมแสง⁩

A converging lens bends parallel rays to its focal point. Move the object and watch the image change from large and inverted to virtual and upright inside the focal length. · ⁨เลนส์รวมแสง หักเหรังสีขนานไปที่จุดโฟกัส เคลื่อนย้ายวัตถุและดูภาพเปลี่ยนจากใหญ่และคว่ำ เป็นภาพเสมือนและตั้งตรงภายในระยะโฟกัส⁩

Vocabulary · ⁨คำศัพท์⁩ Train · ⁨ฝึกฝน⁩
English ไทย
converging/kənˈvɜːdʒɪŋ/ การรวมแสง
diverging/daɪˈvɜːdʒɪŋ/ การกระจายแสง
Watch lesson · ⁨ดูบทเรียน⁩
13.4

Exam tips · ⁨ข้อแนะนำสำหรับการสอบ⁩

English
  • Measure all angles from the normal, not the surface.
  • Light entering a denser medium (larger $n$) bends toward the normal; use Snell's law $n_1\sin\theta_1=n_2\sin\theta_2$.
  • Total internal reflection happens only going into a less dense medium, beyond the critical angle ($\sin\theta_c=1/n$).
  • For mirrors and lenses use $\tfrac1{d_o}+\tfrac1{d_i}=\tfrac1f$ and $m=-d_i/d_o$: a positive $d_i$ is a real image, negative is virtual.
  • $n=c/v$, so a bigger index means a slower speed of light in the material.
ไทย
  • วัดมุมทั้งหมดจาก แนวตั้งฉาก ไม่ใช่จากผิวหน้า.
  • แสงเข้าสู่สื่อที่ หนาแน่นกว่า (ค่า $n$更大) จะบิดเข้าหา แนวตั้งฉาก; ใช้กฎของสนելล์ $n_1\sin\theta_1=n_2\sin\theta_2$.
  • การสะท้อนภายในทั้งหมดเกิดขึ้นเฉพาะเมื่อเข้าสู่สื่อที่ หนาแน่นน้อยลง,Beyond the critical angle ($\sin\theta_c=1/n$).
  • สำหรับกระจกและเลนส์ใช้ $\tfrac1{d_o}+\tfrac1{d_i}=\tfrac1f$ และ $m=-d_i/d_o$: ค่า $d_i$ เป็นบวกคือภาพจริง, ลบคือภาพลวง
  • $n=c/v$, ดังนั้นค่าดัชนีหักเหที่ใหญ่ขึ้นหมายถึงความเร็วแสงที่ช้าลงในวัสดุนั้น

Interactive lessons on this topic · ⁨บทเรียนเชิงโต้ตอบสำหรับหัวข้อนี้⁩

Work through it step by step, with instant-check exercises. · ⁨ทำทีละขั้นตอน พร้อมแบบฝึกหัดตรวจสอบผลทันที⁩

Past Papers · ⁨ข้อสอบย้อนหลัง⁩

More topics in AP Physics 2 · ⁨หัวข้อเพิ่มเติมใน AP Physics 2⁩

Log in or create account · ⁨เข้าสู่ระบบหรือสร้างบัญชี⁩

IGCSE, A-Level & AP