Što je leća u fizici. Konkavno-konveksna leća

Vrste leća

Refleksija i lom svjetlosti koristi se za promjenu smjera zraka ili, kako kažu, za kontrolu svjetlosnih zraka. To je osnova za stvaranje posebnih optičkih instrumenata, kao što su, na primjer, povećalo, teleskop, mikroskop, kamera i drugi. Glavni dio većine njih je leća. Na primjer, naočale su leće zatvorene u okviru. Već ovaj primjer pokazuje koliko je korištenje leća važno za osobu.

Na primjer, na prvoj slici pljoska je onakva kakvom je vidimo u životu,

a na drugom ako ga gledamo kroz povećalo (istu leću).

U optici se najčešće koriste sferne leće. Takve leće su tijela od optičkog ili organskog stakla, omeđena dvjema sfernim površinama.

Leće su prozirna tijela s obje strane omeđena zakrivljenim površinama (konveksnim ili konkavnim). Pravac AB koji prolazi kroz središta C1 i C2 sfernih ploha koje omeđuju leću naziva se optička os.

Ova slika prikazuje presjeke dviju leća sa središtima u točki O. Prva leća prikazana na slici naziva se konveksna, a druga konkavna. Točka O koja leži na optičkoj osi u središtu ovih leća naziva se optičko središte leće.

Jedna od dvije granične površine može biti ravna.

Leće s lijeve strane su konveksne

desno - konkavno.

Razmatrat ćemo samo sferne leće, odnosno leće omeđene dvjema sfernim (sfernim) plohama.
Leće ograničene na dvije konveksne površine, nazivaju se bikonveksnim; leće omeđene s dvije konkavne plohe nazivaju se bikonkavne.

Usmjerivši snop zraka paralelno s glavnom optičkom osi leće na konveksnu leću, vidjet ćemo da se te zrake nakon loma u leći skupljaju u točki koja se zove glavno žarište leće.

- točka F. Leća ima dva glavna žarišta, s obje strane na istoj udaljenosti od optički centar. Ako je izvor svjetlosti u fokusu, tada će nakon loma u leći zrake biti paralelne s glavnom optičkom osi. Svaka leća ima dva žarišta, po jedno sa svake strane leće. Udaljenost od leće do žarišta naziva se žarišna duljina leće.
Usmjerimo snop divergentnih zraka iz točkastog izvora koji leži na optičkoj osi na konveksnu leću. Ako je udaljenost od izvora do leće veća od žarišne duljine, tada će zrake, nakon loma u leći, u jednoj točki prijeći optičku os leće. Stoga konveksna leća skuplja zrake koje dolaze iz izvora koji se nalaze na udaljenosti od leće većoj od njezine žarišne duljine. Stoga se konveksna leća inače naziva konvergentna leća.
Kada zrake prolaze kroz konkavnu leću, opaža se drugačija slika.
Pošaljimo snop zraka paralelan s optičkom osi na bikonkavnu leću. Primijetit ćemo da će zrake izlaziti iz leće u divergentnom snopu. Ako taj divergentni snop zraka uđe u oko, tada će se promatraču činiti da zrake izlaze iz točke F. Ta se točka naziva zamišljenim žarištem bikonkavne leće. Takvu leću možemo nazvati divergentnom.

Slika 63 objašnjava djelovanje konvergentne i divergentne leće. Leće se mogu prikazati kao veliki broj prizmi. Budući da prizme odbijaju zrake, kao što je prikazano na slikama, jasno je da leće s izbočenjem u sredini skupljaju zrake, a leće s izbočenjem na rubovima ih raspršuju. Sredina leće djeluje kao planparalelna ploča: ne skreće zrake ni u konvergentnoj ni u divergentnoj leći

Na crtežima su konvergentne leće označene kao što je prikazano na slici lijevo, a divergentne - na slici desno.

Među konveksnim lećama postoje: bikonveksne, plankonveksne i konkavno-konveksne (odnosno, na slici). Kod svih konveksnih leća sredina reza je šira od rubova. Ove leće se nazivaju konvergentne leće. Među konkavnim lećama postoje bikonkavne, plano-konkavne i konveksno-konkavne (odnosno, na slici). Sve konkavne leće imaju uži središnji dio od rubova. Ove leće se nazivaju divergentne leće.

Svjetlost je elektromagnetsko zračenje koje oko percipira vizualnim osjetom.

• Zakon pravocrtnog prostiranja svjetlosti: svjetlost se u homogenom sredstvu širi pravocrtno
• Izvor svjetlosti čije su dimenzije male u odnosu na udaljenost od ekrana naziva se točkasti izvor svjetlosti.

• Upadni snop i reflektirani snop leže u istoj ravnini s okomicom vraćenom na reflektirajuću površinu u točki upada. Upadni kut jednaka kutu refleksije.
• Ako se točkasti objekt i njegov odraz zamijene, putanja zraka se neće promijeniti, promijenit će se samo njihov smjer.

Zjevajuća reflektirajuća površina naziva se ravno ogledalo, ako snop paralelnih zraka koji pada na njega ostaje paralelan nakon refleksije.

• Leća čija je debljina puno manja od polumjera zakrivljenosti njezinih površina naziva se tanka leća.
• Leća koja snop paralelnih zraka pretvara u konvergentni i skuplja ga u jednu točku naziva se konvergentna leća.
• Leća koja snop paralelnih zraka pretvara u divergentne – divergentne.

Za konvergentnu leću

Za divergentne leće:

Na svim položajima predmeta, leća daje smanjenu, zamišljenu, izravnu sliku koja leži na istoj strani leće kao i predmet.

Svojstva oka:

• smještaj (postiže se promjenom oblika leća);
• adaptacija (prilagodba na različitim uvjetima osvjetljenje);
• vidna oštrina (sposobnost odvojenog razlikovanja dviju bliskih točaka);
• vidno polje (prostor koji se promatra kada se oči pomiču, ali glava miruje)

mane vida

miopija (korekcija - divergentna leća);

dalekovidnost (korekcijska - konvergentna leća).

Tanka leća je najjednostavniji optički sustav. Jednostavne tanke leće koriste se uglavnom u obliku naočala za naočale. Osim toga, dobro je poznata upotreba leće kao povećala.

Djelovanje mnogih optičkih uređaja - svjetiljke za projekciju, kamere i drugih uređaja - može se shematski usporediti s djelovanjem tanke leće. Međutim, tanka leća daje dobru sliku samo u tom relativnom smislu rijedak slučaj kada je moguće ograničiti se na uski jednobojni snop koji dolazi od izvora duž glavne optičke osi ili pod velikim kutom prema njoj. U većini praktičnih zadataka gdje ovi uvjeti nisu zadovoljeni, slika koju stvara tanka leća prilično je nesavršena.
Stoga se u većini slučajeva pribjegava izgradnji složenijih optičkih sustava s veliki broj lomne površine i nije ograničeno zahtjevom blizine tih površina (zahtjev koji tanka leća zadovoljava). [ 4 ]

4.2 Fotografski uređaji. Optički uređaji.

Svi optički uređaji mogu se podijeliti u dvije skupine:

1) uređaji uz pomoć kojih se na ekranu dobivaju optičke slike. To uključuje uređaji za projekciju, kamere, filmske kamere itd.

2) uređaji koji rade samo u sprezi s ljudske oči i ne stvaraju slike na ekranu. To uključuje povećalo, mikroskop i razne instrumente sustava teleskopa. Takvi uređaji nazivaju se vizualni.

Fotoaparat.

Moderne kamere imaju složen i raznolika struktura, razmotrit ćemo od kojih se osnovnih elemenata sastoji kamera i kako oni rade.

Slika leće koju tvori optički sustav ili dio optičkog sustava. Koristi se u proračunu složenih optičkih sustava.

Enciklopedijski YouTube

Priča

Starost najstarije leće je više od 3000 godina, to je takozvana Nimrud leća. Austin Henry Layard 1853. godine pronašao ga je tijekom iskapanja jedne od drevnih prijestolnica Asirije u Nimrudu. Leća ima oblik blizak ovalnom, grubo polirana, jedna strana je konveksna, a druga ravna, ima 3 puta povećanje. Nimrudova leća izložena je u Britanskom muzeju.

Prvo spominjanje leće može se naći u starogrčkoj drami "Oblaci" (424. pr. Kr.) od Aristofana, gdje se vatra pali pomoću konveksnog stakla i sunčeve svjetlosti.

Karakteristike jednostavnih leća

Ovisno o oblicima, postoje prikupljanje(pozitivno) i raspršivanje(negativne) leće. U skupinu konvergentnih leća obično spadaju leće, kod kojih je sredina deblja od njihovih rubova, a u skupinu divergentnih leća leće, čiji su rubovi deblji od sredine. Treba napomenuti da je to točno samo ako je indeks loma materijala leće veći od okoliš. Ako je indeks loma leće manji, situacija će biti obrnuta. Na primjer, mjehurić zraka u vodi je bikonveksna difuzna leća.

Leće se u pravilu odlikuju svojom optičkom snagom (mjerenom u dioptrijama) i žarišnom duljinom.

Za izradu optičkih uređaja s ispravljenom optičkom aberacijom (prvenstveno kromatskom, zbog disperzije svjetlosti, - akromatima i apokromatima) važna su i druga svojstva leća i njihovih materijala, npr. indeks loma, koeficijent disperzije, indeks apsorpcije i indeks raspršenja materijala u odabranom optičkom području .

Ponekad su leće/optički sustavi leća (refraktori) posebno dizajnirani za korištenje u okruženjima s relativno visoka stopa refrakcija (vidi imerzijski mikroskop, imerzijske tekućine).

Konveksno-konkavna leća naziva se meniskus a može biti skupna (deblja se prema sredini), raspršujuća (deblja se prema rubovima) ili teleskopska (žarišna duljina je beskonačna). Tako su, primjerice, leće naočala za kratkovidne obično negativni menisci.

Suprotno uvriježenoj zabludi, optička jakost meniskusa s istim radijusima nije nula, već pozitivna, a ovisi o indeksu loma stakla i debljini leće. Meniskus, čija su središta zakrivljenosti površina u jednoj točki, naziva se koncentrična leća (optička jakost je uvijek negativna).

Posebno svojstvo konvergentne leće je sposobnost prikupljanja zraka koje padaju na njezinu površinu u jednoj točki koja se nalazi na drugoj strani leće.

Glavni elementi leće: NN - optička os - ravna linija koja prolazi kroz središta sfernih površina koje ograničavaju leću; O - optičko središte - točka koja se kod bikonveksnih ili bikonkavnih (s istim radijusima površine) leća nalazi na optičkoj osi unutar leće (u njezinom središtu).
Bilješka. Put zraka prikazan je kao u idealiziranoj (tankoj) leći, bez indikacije loma na stvarnoj granici između medija. Dodatno, prikazana je ponešto preuveličana slika bikonveksne leće.

Ako se svjetleća točka S postavi na nekoj udaljenosti ispred sabirne leće, tada će snop svjetlosti usmjeren duž osi proći kroz leću bez loma, a zrake koje ne prolaze kroz središte lomit će se prema optičkoj leći. osi i sijeku se na njoj u nekoj točki F, koja će biti slika točke S. Ta se točka naziva konjugirano žarište ili jednostavno usredotočenost.

Ako svjetlost iz vrlo udaljenog izvora padne na leću, čije se zrake mogu zamisliti kao da putuju u paralelnom snopu, tada će se pri izlasku iz njega zrake lomiti pod većim kutom, a točka F će se približiti leća na optičkoj osi. U tim uvjetima naziva se točka sjecišta zraka koje izlaze iz leće usredotočenost F ', a udaljenost od središta leće do žarišta je žarišna duljina.

Zrake koje padaju na divergentnu leću, po izlasku iz nje, lomit će se prema rubovima leće, odnosno raspršit će se. Ako te zrake nastave u suprotnom smjeru kao što je prikazano na slici isprekidanom linijom, tada će se skupiti u jednoj točki F, koja će biti usredotočenost ovaj objektiv. Ovaj fokus će zamišljena.

1 u + 1 v = 1 f (\displaystyle (1 \preko u)+(1 \preko v)=(1 \preko f))

Gdje u (\displaystyle u)- udaljenost leće od predmeta; v (\displaystyle v) f (\displaystyle f) je glavna žarišna duljina leće. U slučaju debele leće, formula ostaje nepromijenjena s jedinom razlikom da se udaljenosti mjere ne od središta leće, već od glavnih ravnina.

Da biste pronašli jednu ili drugu nepoznatu količinu s dvije poznate, upotrijebite sljedeće jednadžbe:

f = v ⋅ u v + u (\displaystyle f=((v\cdot u) \over (v+u))) u = f ⋅ v v − f (\displaystyle u=((f\cdot v) \over (v-f))) v = f ⋅ u u − f (\displaystyle v=((f\cdot u) \over (u-f)))

Treba napomenuti da predznaci količina u (\displaystyle u), v (\displaystyle v), f (\displaystyle f) biraju se na temelju sljedećih razmatranja - za stvarnu sliku iz stvarnog objekta u konvergentnoj leći - sve su te veličine pozitivne. Ako je slika imaginarna - udaljenost do nje je negativna, ako je predmet imaginaran - udaljenost do nje je negativna, ako je leća divergentna - žarišna duljina je negativna.

Slike crnih slova kroz tanku konveksnu leću sa žarišnom duljinom f(u crveno). Prikaz zraka za slova E, ja I K(plava, zelena i narančasta redom). Slika slova E(nalazi se na udaljenosti od 2 f) pravi i obrnuti, iste veličine. Slika ja(na f) - do beskonačnosti. Slika DO(na f/2) imaginaran, izravan, udvostručen

Linearno zumiranje

Linearno zumiranje m = a 2 b 2 a b (\displaystyle m=((a_(2)b_(2)) \preko (ab)))(za sliku iz prethodnog odjeljka) je omjer dimenzija slike i odgovarajućih dimenzija subjekta. Ovaj omjer također se može izraziti kao razlomak m = a 2 b 2 a b = v u (\displaystyle m=((a_(2)b_(2)) \preko (ab))=(v \preko u)), Gdje v (\displaystyle v)- udaljenost leće od slike; u (\displaystyle u) je udaljenost od leće do predmeta.

Ovdje m (\displaystyle m) postoji koeficijent linearnog porasta, odnosno broj koji pokazuje koliko su puta linearne dimenzije slike manje (veće) od stvarnih linearnih dimenzija predmeta.

U praksi izračuna mnogo je prikladnije izraziti ovaj odnos u terminima u (\displaystyle u) ili f (\displaystyle f), Gdje f (\displaystyle f) je žarišna duljina leće.

M = f u − f ; m = v − f f (\displaystyle m=(f \preko (u-f));m=((v-f) \preko f)).

Izračun žarišne duljine i optičke jakosti leće

Leće su simetrične, odnosno imaju jednaku žarišnu duljinu bez obzira na smjer svjetlosti - lijevo ili desno, što se, međutim, ne odnosi na druge karakteristike, poput aberacija čija veličina ovisi o s koje strane je leća okrenuta prema svjetlu.

Kombinacija više leća (centrirani sustav)

Leće se mogu međusobno kombinirati za izgradnju složenih optičkih sustava. optička snaga sustav dviju leća može se pronaći kao jednostavan zbroj optičkih jakosti svake leće (pod uvjetom da se obje leće mogu smatrati tankima i da se nalaze blizu jedna drugoj na istoj osi):

1 F = 1 f 1 + 1 f 2 (\displaystyle (\frac (1)(F))=(\frac (1)(f_(1)))+(\frac (1)(f_(2)) )).

Ako se leće nalaze na određenoj udaljenosti jedna od druge i njihove se osi podudaraju (sustav proizvoljnog broja leća s ovim svojstvom naziva se centrirani sustav), tada se njihova ukupna optička snaga može pronaći s dovoljnim stupnjem točnosti iz sljedeći izraz:

1 F = 1 f 1 + 1 f 2 − L f 1 f 2 (\displaystyle (\frac (1)(F))=(\frac (1)(f_(1)))+(\frac (1) (f_(2)))-(\frac (L)(f_(1)f_(2)))),

Gdje L (\displaystyle L)- udaljenost između glavnih ravnina leća.

Nedostaci jednostavne leće

U suvremenim optičkim uređajima visoki zahtjevi postavljaju se na kvalitetu slike.

Slika koju daje jednostavna leća, zbog niza nedostataka, ne udovoljava ovim zahtjevima. Otklanjanje većine nedostataka postiže se odgovarajućim izborom većeg broja leća u centriranom optičkom sustavu - objektivu. Nedostaci optičkih sustava nazivaju se aberacije, koje se dijele na sljedeće vrste:

• Geometrijske aberacije
• Difrakcijska aberacija (ovu aberaciju uzrokuju drugi elementi optičkog sustava i nema veze sa samom lećom).

Leće naziva prozirno tijelo omeđeno dvjema krivuljastim (najčešće sfernim) ili zakrivljenim i ravnim plohama. Leće se dijele na konveksne i konkavne.

Leće kod kojih je sredina deblja od rubova nazivaju se konveksne. Leće koje su u sredini tanje od rubova nazivaju se konkavne leće.

Ako je indeks loma leće veći od indeksa loma okoline, tada se u konveksnoj leći paralelni snop zraka nakon loma pretvara u silazni snop. Takve leće nazivaju se prikupljanje(Slika 89, a). Ako se u leći paralelni snop transformira u divergentni snop, te leće nazivaju se raspršivanjem(Slika 89, b). Konkavne leće koje vanjsko okruženje služi kao zrak, raspršuju se.

O 1 , O 2 - geometrijska središta sfernih ploha koje omeđuju leću. Ravno O 1 O 2 koja povezuje središta ovih sfernih ploha naziva se glavna optička os. Obično razmatramo tanke leće čija je debljina mala u usporedbi s polumjerima zakrivljenosti njegovih površina, tako da točke C 1 i C 2 (vrhovi segmenta) leže blizu jedna drugoj, mogu se zamijeniti jednom točkom O, koja se naziva optičko središte leće (vidi sl. 89a). Svaka ravna crta povučena kroz optičko središte leće pod kutom prema glavnoj optičkoj osi naziva se sekundarna optička os(A 1 A 2 B 1 B 2).

Ako snop zraka paralelan s glavnom optičkom osi padne na konvergentnu leću, tada se nakon loma u leći skupljaju u jednoj točki F, koja se naziva glavni fokus objektiva(Slika 90, a).

U fokusu divergentne leće sijeku se nastavci zraka, koji su prije loma bili paralelni s njegovom glavnom optičkom osi (slika 90, b). Fokus divergentne leće je zamišljen. Dva su glavna fokusa; nalaze se na glavnoj optičkoj osi na istoj udaljenosti od optičkog središta leće na suprotnim stranama.

Vrijednost, recipročna žarišna duljina leće, nazvao ju je optička snaga . Optička jakost leće - D.

Jedinica optičke jakosti leće u SI je dioptrija. Dioptrija je optička jakost leće žarišne duljine 1 m.

Optička jakost konvergentne leće je pozitivna, a divergentne leće negativna.

Ravnina koja prolazi kroz glavno žarište leće okomito na glavnu optičku os naziva se žarišni(Slika 91). Snop zraka koji pada na leću paralelno s nekom sekundarnom optičkom osi skuplja se u točki presjeka te osi sa žarišnom ravninom.

Konstrukcija slike točke i predmeta u sabirnoj leći.

Za izgradnju slike u leći dovoljno je uzeti dvije zrake iz svake točke predmeta i pronaći njihovu sjecišnu točku nakon loma u leći. Pogodno je koristiti zrake čiji je put nakon loma u leći poznat. Dakle, zraka koja pada na leću paralelno s glavnom optičkom osi, nakon loma u leći prolazi kroz glavno žarište; zraka koja prolazi kroz optičko središte leće se ne lomi; zraka koja prolazi kroz glavno žarište leće, nakon loma ide paralelno s glavnom optičkom osi; zraka koja pada na leću paralelno sa sekundarnom optičkom osi, nakon loma u leći prolazi kroz točku presjeka osi sa žarišnom ravninom.

Neka svjetleća točka S leži na glavnoj optičkoj osi.

Odaberemo proizvoljan snop i povučemo bočnu optičku os paralelnu s njim (slika 92). Odabrani snop će nakon loma u leći proći kroz točku sjecišta sekundarne optičke osi sa žarišnom ravninom. Točka presjeka ove zrake s glavnom optičkom osi (druga zraka) dat će stvarnu sliku točke S - S`.

Razmotrimo konstrukciju slike predmeta u konveksnoj leći.

Neka točka leži izvan glavne optičke osi, tada se slika S` može konstruirati pomoću bilo koje dvije zrake prikazane na sl. 93.

Ako se predmet nalazi u beskonačnosti, tada će se zrake sijeći u žarištu (slika 94).

Ako se objekt nalazi iza dvostruke točke fokusa, tada će slika ispasti stvarna, inverzna, smanjena (kamera, oko) (Sl. 95).

Svatko zna da se fotografski objektiv sastoji od optičkih elemenata. Većina fotografskih objektiva kao takve elemente koristi leće. Leće u fotoobjektivu nalaze se na glavnoj optičkoj osi, tvoreći optičku shemu leće.

Optička sferna leća - to je proziran homogeni element, ograničen dvjema sfernim ili jednom sfernom, a drugom ravnom plohom.

U modernim fotografskim objektivima primljeni raširen, Također, asferičan leće čiji se oblik površine razlikuje od sfere. U ovom slučaju mogu postojati parabolične, cilindrične, torične, stožaste i druge zakrivljene površine, kao i površine revolucije s osi simetrije.

Materijal za izradu leća mogu biti razne vrste optičkog stakla, kao i prozirne plastike.

Cijela raznolikost sferičnih leća može se svesti na dvije glavne vrste: Prikupljanje(ili pozitivan, konveksan) i Raspršivanje(ili negativ, konkavan). Konvergentne leće u sredini su deblje nego na rubovima, naprotiv, difuzne leće u sredini su tanje nego na rubovima.

U konvergentnim lećama, paralelne zrake koje prolaze kroz nju fokusiraju se u jednoj točki iza leće. Kod divergentnih leća, zrake koje prolaze kroz leću se raspršuju na strane.

bolestan 1. Sabirne i divergentne leće.

Samo pozitivna leća mogu proizvesti slike predmeta. U optički sustavi koje daju stvarnu sliku (osobito leće), divergentne leće mogu se koristiti samo zajedno sa skupnim.

Prema obliku poprečnog presjeka razlikuje se šest glavnih vrsta leća:

1. bikonveksne konvergentne leće;
2. plankonveksne konvergentne leće;
3. konkavno-konveksne konvergentne leće (menisci);
4. bikonkavne difuzne leće;
5. plano-konkavne difuzne leće;
6. konveksno-konkavne difuzne leće.

bolestan 2. Šest vrsta sferičnih leća.

Sferne površine leće mogu imati različite zakrivljenost(stupanj konveksnosti / konkavnosti) i razn aksijalna debljina.

Pogledajmo detaljnije ove i neke druge pojmove.

bolestan 3. Elementi bikonveksne leće

Na slici 3 možete vidjeti nastanak bikonveksne leće.

• C1 i C2 su središta sfernih ploha koje omeđuju leću, tzv središta zakrivljenosti.
• R1 i R2 su polumjeri sfernih ploha leće odn radijusi zakrivljenosti.
• Pravac koji spaja točke C1 i C2 naziva se glavna optička os leće.
• Točke sjecišta glavne optičke osi s površinama leće (A i B) nazivaju se vrhovi leće.
• Udaljenost od točke A do točke B nazvao debljina aksijalne leće.

Ako je paralelni snop svjetlosnih zraka usmjeren na leću iz točke koja leži na glavnoj optičkoj osi, tada će se, prošavši kroz nju, okupiti u točki F, koji je također na glavnoj optičkoj osi. Ova točka se zove glavni fokus leće i udaljenost f od objektiva do ove točke - glavna žarišna duljina.

bolestan 4. Glavni fokus, glavna žarišna ravnina i žarišna duljina leće.

Avion MN okomito na glavnu optičku os i prolazi kroz glavno žarište naziva se glavna žarišna ravnina. Tu se nalazi fotoosjetljiva matrica ili fotoosjetljivi film.

Žarišna duljina leće izravno ovisi o zakrivljenosti njegovih konveksnih površina: što su manji polumjeri zakrivljenosti (tj. Što je veća izbočina) - to je žarišna duljina kraća.

Postoje objekti koji mogu promijeniti gustoću protoka koji pada na njih. elektromagnetska radijacija, odnosno ili ga povećati skupljanjem u jednu točku ili smanjiti raspršivanjem. Ti se objekti u fizici nazivaju leće. Razmotrimo ovo pitanje detaljnije.

Što su leće u fizici?

Ovaj koncept znači apsolutno svaki objekt koji je sposoban promijeniti smjer širenja elektromagnetskog zračenja. Ovaj opća definicija leće u fizici, što uključuje optička stakla, magnetske i gravitacijske leće.

U ovom članku glavna pozornost bit će usmjerena na optička stakla, koja su predmeti izrađeni od prozirnog materijala i ograničeni s dvije površine. Jedna od ovih površina mora nužno imati zakrivljenost (to jest, biti dio sfere konačnog radijusa), inače objekt neće imati svojstvo promjene smjera širenja svjetlosnih zraka.

Princip objektiva

Suština ovog jednostavnog optičkog objekta je fenomen refrakcije sunčeve zrake. Početkom 17. stoljeća poznati nizozemski fizičar i astronom Willebrord Snell van Rooyen objavio je zakon refrakcije, koji danas nosi njegovo prezime. Formulacija ovog zakona je sljedeća: kada sunčeva svjetlost prolazi kroz sučelje između dva optički prozirna medija, tada je umnožak sinusa između snopa i normale na površinu i indeksa loma medija u kojem se širi konstantna vrijednost.

Da pojasnimo navedeno, navedimo primjer: neka svjetlost pada na površinu vode, dok je kut između normale na površinu i snopa jednak θ 1 . Tada se svjetlosna zraka lomi i počinje se širiti u vodi već pod kutom θ 2 u odnosu na normalu na površinu. Prema Snellovom zakonu dobivamo: sin (θ 1) * n 1 \u003d sin (θ 2) * n 2, ovdje su n 1 i n 2 indeksi loma zraka, odnosno vode. Što je indeks loma? Ovo je vrijednost koja pokazuje koliko je puta brzina širenja Elektromagnetski valovi u vakuumu veća od one za optički prozirni medij, odnosno n = c/v, gdje su c i v brzine svjetlosti u vakuumu odnosno u mediju.

Fizika loma je implementacija Fermatovog principa, prema kojem se svjetlost kreće na takav način da za najmanje vremena prevladati udaljenost od jedne do druge točke u prostoru.

Vrsta optičke leće u fizici određena je isključivo oblikom površina koje je tvore. O tom obliku ovisi smjer loma zrake koja pada na njih. Dakle, ako je zakrivljenost površine pozitivna (konveksna), tada će se svjetlosna zraka nakon izlaska iz leće širiti bliže svojoj optičkoj osi (vidi dolje). Obrnuto, ako je zakrivljenost površine negativna (konkavna), tada će se zraka prolazeći kroz optičko staklo udaljiti od svoje središnje osi.

Ponovno napominjemo da površina bilo koje zakrivljenosti lomi zrake na isti način (prema Stellinom zakonu), ali normale na njih imaju drugačiji nagib u odnosu na optičku os, što rezultira drugačijim ponašanjem lomljene zrake.

Leća omeđena dvjema konveksnim plohama naziva se konvergentna leća. S druge strane, ako ga tvore dvije površine s negativnom zakrivljenošću, tada se naziva raspršenje. Svi ostali pogledi pridruženi su kombinaciji naznačenih ploha, kojima je također dodana ravnina. Kakvo će svojstvo kombinirana leća imati (difuzno ili konvergentno) ovisi o ukupnoj zakrivljenosti polumjera njezinih površina.

Elementi leće i svojstva zraka

Za ugradnju leća u slikovnu fiziku potrebno je upoznati se s elementima ovog objekta. Oni su navedeni u nastavku:

• Glavna optička os i središte. U prvom slučaju oni označavaju ravnu liniju koja prolazi okomito na leću kroz njezino optičko središte. Potonji je, pak, točka unutar leće, prolazeći kroz koju zraka ne doživljava lom.
• Žarišna duljina i fokus - udaljenost između središta i točke na optičkoj osi, u kojoj se skupljaju sve zrake koje padaju na leću paralelno s ovom osi. Ova definicija vrijedi za one koji sakupljaju optička stakla. U slučaju divergentnih leća, same zrake neće konvergirati u točku, već njihov zamišljeni nastavak. Ova se točka naziva glavni fokus.
• optička snaga. Ovo je naziv recipročne žarišne duljine, odnosno D \u003d 1 / f. Mjeri se u dioptrijama (dioptrijama), odnosno 1 dioptrija. = 1 m -1.

Sljedeća su glavna svojstva zraka koje prolaze kroz leću:

• zraka koja prolazi kroz optički centar ne mijenja smjer svog kretanja;
• zrake koje padaju paralelno s glavnom optičkom osi mijenjaju smjer tako da prolaze kroz glavno žarište;
• zrake koje padaju na optičko staklo pod bilo kojim kutom, ali prolazeći kroz njegovo žarište mijenjaju smjer širenja na način da postaju paralelne s glavnom optičkom osi.

Gornja svojstva zraka za tanke leće u fizici (kako se zovu, jer nije važno kakve su sfere oblikovane i koliko su debele, bitna su samo optička svojstva predmeta) koriste se za izgradnju slika u njima.

Slike u optičkim naočalama: kako izgraditi?

Na donjoj slici detaljno su prikazane sheme za konstruiranje slika u konveksnim i konkavnim lećama objekta (crvena strelica) ovisno o njegovom položaju.

Važni zaključci proizlaze iz analize sklopova na slici:

• Svaka se slika sastoji od samo 2 zrake (prolaze kroz središte i paralelne s glavnom optičkom osi).
• Konvergentne leće (označene strelicama na krajevima usmjerenim prema van) mogu dati i uvećanu i smanjenu sliku, koja opet može biti stvarna (stvarna) ili imaginarna.
• Ako je objekt u fokusu, tada leća ne formira njegovu sliku (vidi donji dijagram lijevo na slici).
• Raspršujuća optička stakla (označena strelicama na krajevima prema unutra) uvijek daju smanjenu i zamišljenu sliku bez obzira na položaj predmeta.

Određivanje udaljenosti do slike

Da bismo odredili na kojoj udaljenosti će se slika pojaviti, znajući položaj samog objekta, dajemo formulu leće u fizici: 1/f = 1/d o + 1/d i , gdje su d o i d i udaljenost do objekta i do njegova slika iz optičkog središta, odnosno f je glavni fokus. Ako pričamo o sabirnom optičkom staklu, tada će f-broj biti pozitivan. Obrnuto, za divergentnu leću f je negativan.

Upotrijebimo ovu formulu i riješimo jednostavan zadatak: neka je objekt na udaljenosti d o = 2*f od središta sabirnog optičkog stakla. Gdje će se pojaviti njegova slika?

Iz uvjeta zadatka imamo: 1/f = 1/(2*f)+1/d i . Iz: 1/d i = 1/f - 1/(2*f) = 1/(2*f), tj. d i = 2*f. Dakle, slika će se pojaviti na udaljenosti od dva žarišta od leće, ali s druge strane od samog objekta (to je označeno s pozitivan znak vrijednosti d i).

Pripovijetka

Zanimljivo je dati etimologiju riječi "leća". Potječe od latinskih riječi lens i lentis, što znači "leća", budući da optički objekti svojim oblikom zaista podsjećaju na plodove ove biljke.

Snaga loma sferne prozirna tijela bio poznat starim Rimljanima. U tu svrhu koristili su okrugle staklene posude napunjene vodom. Same staklene leće počele su se izrađivati ​​tek u 13. stoljeću u Europi. Služile su kao sredstvo za čitanje (moderne naočale ili povećalo).

Aktivna uporaba optičkih predmeta u proizvodnji teleskopa i mikroskopa datira još iz 17. stoljeća (početkom ovog stoljeća Galileo je izumio prvi teleskop). Imajte na umu da je matematičku formulaciju Stellinog zakona loma, bez poznavanja kojeg je nemoguće proizvesti leće sa željenim svojstvima, objavio nizozemski znanstvenik početkom istog 17. stoljeća.

Ostale vrste leća

Kao što je gore navedeno, osim optičkih refraktivnih objekata, postoje i magnetski i gravitacijski. Primjer prvog su magnetske leće u elektronski mikroskop, vrhunski primjer drugi je iskriviti smjer svjetlosnog toka kada prolazi blizu masivnih kozmičkih tijela (zvijezda, planeta).