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石头都能熔化,聚光能产生上千度高温,这就是神奇的菲涅尔透镜

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  相信很多小伙伴都玩过用放大镜来聚太阳光,通过将太阳聚光后,很快就能达到非常高的温度。

  小时候知道放大镜这个功能后,就会用它去做各种破坏实验,如点火柴,烧纸,烧木头,还会用它来烧蚂蚁,马上也能让其没有反应,相信很多小伙伴都干过这样的事吧。

  

  不过,要说聚光能力有种镜子可是比放大镜要强得多,这种镜子的名字叫菲涅尔透镜。

  什么是菲涅尔透镜‍

  其实,从这个名字就可以猜出一二,它是一个叫菲涅尔的法国人发明的,其形状就像一圈圈的螺纹,所以又被称为螺纹透镜。

  菲涅尔透镜一般是由塑料或者玻璃制成的,其一面非常光滑,而另一面则是有许多微型凸起的透镜,这些凸起由小到大按等间距排列的,形成螺纹一样的纹理。

  

  虽然我们平时可能见到的菲涅尔透镜不多,但是其在国防,航空,交通,工业生产以及民用等各个领域中都有广泛的使用。

  菲涅尔透镜的历史‍

  在人类航海时期,作为标志性建筑,灯塔起到了非常重要的作用,一直在指引着人类不断探索未知的世界,而在灯塔中最重要的并不是塔,而是灯,准确的说应该是灯中的透镜。

  水手们依靠灯光导航已有2000多年的历史了,当时的人们通过烧鲸鱼油来为渔船提供指引方向的光亮,这些灯塔也成为港口重要的信标。

  随着海上旅行和商业的增长,灯塔的数量和质量也随之增加,砖和金属灯塔取代了木制平台,燃烧更亮的油灯取代了简单的柴火或煤火,虽然它们能为船只指引方向,但灯光的照射距离还是很有限的。

  

  直到1822年,当时法国物理学家奥古斯丁·让·菲涅尔(Freh-nel)发明了一种新的透镜,该透镜设计将彻底改变灯塔的光学特性,让船只的航行更加安全,成为真正的指路明灯。

  1823年,第一个菲涅尔透镜被用在吉伦特海口的哥杜昂灯塔上;用菲涅尔镜片制造的灯极大地提高了灯塔的效率,在其发明之前,最明亮的灯塔光束只能在12至20公里外看到,菲涅尔透镜发出的光可以一直照射到32公里外。

  

  如今不光是灯塔,像我们日常所用的交通信号灯,汽车前灯都有应用,就连一些手机上使用的闪光灯都能看到一圈圈同心圆,也是使用了菲涅尔透镜。

  菲涅尔透镜的特性和原理‍

  菲涅耳透镜分为不同的尺寸,如常在灯塔上使用的,一阶镜头是最大,功能最强大的镜头,直径超过1.8米,它的光束主要用作海岸灯,在出海32公里处可见,第六级镜头是最小的镜头,仅约30厘米宽,用于港口和航道。

  菲涅尔透镜比传统光源聚光效率要高得多,经过测试表明,用明火会损失近97%的光,使用反射镜会损失约60-80%的光,但是,菲涅尔透镜最多只会损失20%的光。

  菲涅耳透镜的另一个特点是,它能够制造出独特的单个图案,或者是组合图案,这让其使用的范围也就更广。

  相对于普通的透镜,菲涅尔透镜更轻,更薄,聚光能力更强,所以相对的成本也就会更低。

  

  菲涅尔透镜从平面上看,就像有无数多个同心圆组成的玻璃,其聚焦效果却超过了凸透镜,如果投射光源是平行光,汇聚投射后能够保持图像各处亮度的一致。

  通常使用普通的凸透镜聚光时,会出现边缘变暗和模糊,这是因为光的折射只发生在凹透镜的交界面,由于其镜片较厚,所以光在玻璃中传播就会出现光线衰减。

  如果能够让光线只发生折射,这样不但能够节约材料还能达到更好的聚光效果,菲涅尔透镜就是采用了这种原理。

  

  根据光的折射只是在空气和玻璃的界面发生,通过将透镜曲面内部掏空,只保留发生折射的部分,然后再让它“塌陷”到一个平面上接受光线,所以,螺纹状的菲涅尔透镜每一个凹槽都能成为一个独立的透镜。

  

  菲涅尔透镜的隐身能力‍

  菲涅尔透镜不但有着强大的聚光能力,现在有人还发现它的另一个强大的功能,那就是隐身。

  其实,将菲涅尔透镜同心圆换成平行棱状,这样就能改变入射光的角度,将镜面外的画面折射到正前方,从而达到隐身的效果。

  但是,这种隐身也只能改变水平方向的物体,当被隐形的物体与平行棱垂直时就不能达到隐形的效果。

  

  所以说,菲涅尔透镜的这种隐身能力,就好像给视觉物体加上了较高的模糊效果,并不能达到真正的隐身,但它的这种功能还是能在一些领域得到应用。

  菲涅尔透镜的发明的天才之处在于,它在亮度,距离,效率和识别性等多个方面改进了现有的照明和聚光设备。

  

  由于它拥有的这些特性,很容易忽略其镜片本身的美感,其实菲涅尔透镜所具有的立体轮廓相对于普通透镜,应该算是一件艺术品吧。

  菲涅尔透镜聚光实验‍

  下面就来看一组菲涅尔透镜强大的聚光实验(大号的菲涅尔透镜)

  

  将一张菲涅尔镜片凸面对着太阳,聚光处放一张水泥板,让一块木头从聚光处划过,木头瞬间就会冒烟,水泥板上还会有熔化和发黑的现象。

  

  又将一瓶啤酒放在聚光处,玻璃瓶首先开始熔化冒烟,瓶中的啤酒也开始沸腾,最后就是整个啤酒瓶炸裂,整个过程就在几秒钟内发生。

  

  在聚光水泥板上打一个生鸡蛋,3秒钟就能达到9分熟,撒上调料就可以吃了。

  

  最后再来个狠的,把光线聚焦到石头上会怎么样?(火山岩石)

  

  持续了一会,岩石上面已经熔化了,聚光后温度达到了1650摄氏度。

  

  玩是挺好玩的,但也要注意安全哦,千万不能照到身上了。

  参考资料:维基百科,USA National Park Service

  文中图片截取自Youtube《pixabay》《Fresnel Lens》

  文中gif截取自Youtube《Fresnel Lens Section Animation》

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