石頭都能熔化，聚光產(chǎn)生上千度高溫,，神奇的菲涅爾透鏡

機(jī)極級(jí)技

相信很多小伙伴都玩過用放大鏡來聚太陽光,，通過將太陽聚光后，很快就能達(dá)到非常高的溫度,。

小時(shí)候知道放大鏡這個(gè)功能后,，就會(huì)用它去做各種破壞實(shí)驗(yàn),，如點(diǎn)火柴，燒紙,，燒木頭,，還會(huì)用它來燒螞蟻，馬上也能讓其沒有反應(yīng),，相信很多小伙伴都干過這樣的事吧,。

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不過，要說聚光能力有種鏡子可是比放大鏡要強(qiáng)得多,，這種鏡子的名字叫菲涅爾透鏡,。

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什么是菲涅爾透鏡‍

其實(shí)，從這個(gè)名字就可以猜出一二,，它是一個(gè)叫菲涅爾的法國(guó)人發(fā)明的，其形狀就像一圈圈的螺紋,，所以又被稱為螺紋透鏡,。

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菲涅爾透鏡一般是由塑料或者玻璃制成的，其一面非常光滑,，而另一面則是有許多微型凸起的透鏡,，這些凸起由小到大按等間距排列的，形成螺紋一樣的紋理,。

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雖然我們平時(shí)可能見到的菲涅爾透鏡不多,，但是其在國(guó)防，航空,，交通,，工業(yè)生產(chǎn)以及民用等各個(gè)領(lǐng)域中都有廣泛的使用。

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菲涅爾透鏡的歷史‍
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在人類航海時(shí)期,，作為標(biāo)志性建筑,，燈塔起到了非常重要的作用，一直在指引著人類不斷探索未知的世界,，而在燈塔中最重要的并不是塔,，而是燈，準(zhǔn)確的說應(yīng)該是燈中的透鏡,。

水手們依靠燈光導(dǎo)航已有2000多年的歷史了,，當(dāng)時(shí)的人們通過燒鯨魚油來為漁船提供指引方向的光亮，這些燈塔也成為港口重要的信標(biāo),。

隨著海上旅行和商業(yè)的增長(zhǎng),，燈塔的數(shù)量和質(zhì)量也隨之增加，磚和金屬燈塔取代了木制平臺(tái),，燃燒更亮的油燈取代了簡(jiǎn)單的柴火或煤火,，雖然它們能為船只指引方向,，但燈光的照射距離還是很有限的。

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直到1822年,，當(dāng)時(shí)法國(guó)物理學(xué)家奧古斯丁·讓·菲涅爾（Freh-nel）發(fā)明了一種新的透鏡,，該透鏡設(shè)計(jì)將徹底改變燈塔的光學(xué)特性，讓船只的航行更加安全,，成為真正的指路明燈,。

1823年，第一個(gè)菲涅爾透鏡被用在吉倫特�,？诘母缍虐簾羲���,；用菲涅爾鏡片制造的燈極大地提高了燈塔的效率，在其發(fā)明之前,，最明亮的燈塔光束只能在12至20公里外看到,，菲涅爾透鏡發(fā)出的光可以一直照射到32公里外。

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如今不光是燈塔,，像我們?nèi)粘Ｋ�用的交通信�?hào)燈,，汽車前燈都有應(yīng)用，就連一些手機(jī)上使用的閃光燈都能看到一圈圈同心圓,，也是使用了菲涅爾透鏡,。

菲涅爾透鏡的特性和原理‍
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菲涅耳透鏡分為不同的尺寸，如常在燈塔上使用的,，一階鏡頭是最大,，功能最強(qiáng)大的鏡頭，直徑超過1.8米,，它的光束主要用作海岸燈,，在出海32公里處可見，第六級(jí)鏡頭是最小的鏡頭,，僅約30厘米寬,，用于港口和航道。

菲涅爾透鏡比傳統(tǒng)光源聚光效率要高得多,，經(jīng)過測(cè)試表明,，用明火會(huì)損失近97％的光，使用反射鏡會(huì)損失約60-80％的光,，但是,，菲涅爾透鏡最多只會(huì)損失20％的光。

菲涅耳透鏡的另一個(gè)特點(diǎn)是,，它能夠制造出獨(dú)特的單個(gè)圖案,，或者是組合圖案，這讓其使用的范圍也就更廣,。

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相對(duì)于普通的透鏡,，菲涅爾透鏡更輕,，更薄，聚光能力更強(qiáng),，所以相對(duì)的成本也就會(huì)更低,。

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菲涅爾透鏡從平面上看，就像有無數(shù)多個(gè)同心圓組成的玻璃,，其聚焦效果卻超過了凸透鏡,，如果投射光源是平行光，匯聚投射后能夠保持圖像各處亮度的一致,。

通常使用普通的凸透鏡聚光時(shí),，會(huì)出現(xiàn)邊緣變暗和模糊，這是因?yàn)楣獾恼凵渲话l(fā)生在凹透鏡的交界面,，由于其鏡片較厚,，所以光在玻璃中傳播就會(huì)出現(xiàn)光線衰減。

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如果能夠讓光線只發(fā)生折射,，這樣不但能夠節(jié)約材料還能達(dá)到更好的聚光效果,，菲涅爾透鏡就是采用了這種原理。

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根據(jù)光的折射只是在空氣和玻璃的界面發(fā)生,，通過將透鏡曲面內(nèi)部掏空，只保留發(fā)生折射的部分,，然后再讓它“塌陷”到一個(gè)平面上接受光線,，所以，螺紋狀的菲涅爾透鏡每一個(gè)凹槽都能成為一個(gè)獨(dú)立的透鏡,。

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7 s( }8 G: @# o' ?% E- f% Q6 N& V菲涅爾透鏡的隱身能力‍
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菲涅爾透鏡不但有著強(qiáng)大的聚光能力,，現(xiàn)在有人還發(fā)現(xiàn)它的另一個(gè)強(qiáng)大的功能，那就是隱身,。

其實(shí),，將菲涅爾透鏡同心圓換成平行棱狀，這樣就能改變?nèi)肷涔獾慕嵌�,，將鏡面外的畫面折射到正前方,，從而達(dá)到隱身的效果。

但是,，這種隱身也只能改變水平方向的物體,，當(dāng)被隱形的物體與平行棱垂直時(shí)就不能達(dá)到隱形的效果。

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所以說,，菲涅爾透鏡的這種隱身能力,，就好像給視覺物體加上了較高的模糊效果，并不能達(dá)到真正的隱身,，但它的這種功能還是能在一些領(lǐng)域得到應(yīng)用,。

菲涅爾透鏡的發(fā)明的天才之處在于,，它在亮度，距離,，效率和識(shí)別性等多個(gè)方面改進(jìn)了現(xiàn)有的照明和聚光設(shè)備,。

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由于它擁有的這些特性，很容易忽略其鏡片本身的美感,，其實(shí)菲涅爾透鏡所具有的立體輪廓相對(duì)于普通透鏡,，應(yīng)該算是一件藝術(shù)品吧。

菲涅爾透鏡聚光實(shí)驗(yàn)‍
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下面就來看一組菲涅爾透鏡強(qiáng)大的聚光實(shí)驗(yàn)（大號(hào)的菲涅爾透鏡）

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將一張菲涅爾鏡片凸面對(duì)著太陽,，聚光處放一張水泥板,，讓一塊木頭從聚光處劃過，木頭瞬間就會(huì)冒煙,，水泥板上還會(huì)有熔化和發(fā)黑的現(xiàn)象,。

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又將一瓶啤酒放在聚光處，玻璃瓶首先開始熔化冒煙,，瓶中的啤酒也開始沸騰,，最后就是整個(gè)啤酒瓶炸裂，整個(gè)過程就在幾秒鐘內(nèi)發(fā)生,。

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在聚光水泥板上打一個(gè)生雞蛋,，3秒鐘就能達(dá)到9分熟，撒上調(diào)料就可以吃了,。

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最后再來個(gè)狠的,，把光線聚焦到石頭上會(huì)怎么樣？（火山巖石）

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持續(xù)了一會(huì),，巖石上面已經(jīng)熔化了,，聚光后溫度達(dá)到了1650攝氏度。

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玩是挺好玩的,，但也要注意安全哦,，千萬不能照到身上了。

參考資料：維基百科,，USA National Park Service

文中圖片截取自Youtube《pixabay》《Fresnel Lens》

文中g(shù)if截取自Youtube《Fresnel Lens Section Animation》

制造原理

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厲害👍