Ce este o lentilă în fizică. Lentila concav-convexă

Tipuri de lentile

Reflexia și refracția luminii sunt folosite pentru a schimba direcția razelor sau, după cum se spune, pentru a controla fasciculele de lumină. Aceasta este baza pentru crearea de instrumente optice speciale, cum ar fi o lupă, telescop, microscop, cameră și altele. Partea principală a celor mai multe dintre ele este lentila. De exemplu, ochelarii sunt lentile închise într-o ramă. Numai acest exemplu arată cât de importantă este utilizarea lentilelor pentru o persoană.

De exemplu, în prima imagine, balonul este așa cum îl vedem în viață,

iar pe al doilea, dacă îl privim printr-o lupă (aceeași lentilă).

În optică, lentilele sferice sunt cel mai des folosite. Astfel de lentile sunt corpuri din sticlă optică sau organică, limitate de două suprafețe sferice.

Lentilele sunt corpuri transparente delimitate pe ambele părți de suprafețe curbe (convexe sau concave). Linia dreaptă AB care trece prin centrele C1 și C2 ale suprafețelor sferice care limitează lentila se numește axă optică.

Această figură prezintă secțiuni transversale a două lentile cu centre în punctul O. Prima lentilă prezentată în figură se numește convexă, a doua se numește concavă. Punctul O, situat pe axa optică în centrul acestor lentile, se numește centrul optic al lentilei.

Una dintre cele două suprafețe de delimitare poate fi plană.

În stânga lentilele sunt convexe,

în dreapta - concav.

Vom lua în considerare doar lentilele sferice, adică lentilele delimitate de două suprafețe sferice.
Lentile limitate la două suprafețe convexe, se numesc biconvexe; lentilele delimitate de două suprafețe concave se numesc biconcave.

Direcționând un fascicul de raze paralel cu axa optică principală a lentilei către o lentilă convexă, vom vedea că, după refracția în lentilă, aceste raze sunt colectate într-un punct numit focarul principal al lentilei.

- punctul F. Lentila are două focare principale, pe ambele părți la aceeași distanță de centru optic. Dacă sursa de lumină este focalizată, atunci după refracția în lentilă razele vor fi paralele cu axa optică principală. Fiecare obiectiv are două puncte focale - câte unul pe fiecare parte a lentilei. Distanța de la o lentilă la focalizarea sa se numește distanța focală a lentilei.
Să direcționăm un fascicul de raze divergente de la o sursă punctuală situată pe axa optică către o lentilă convexă. Dacă distanța de la sursă la lentilă este mai mare decât distanța focală, atunci razele, după refracția în lentilă, vor intersecta axa optică a lentilei într-un punct. În consecință, o lentilă convexă colectează razele provenite de la surse situate din lentilă la o distanță mai mare decât distanța sa focală. Prin urmare, o lentilă convexă este altfel numită lentilă convergentă.
Când razele trec printr-o lentilă concavă, se observă o imagine diferită.
Să trimitem un fascicul de raze paralel cu axa optică pe o lentilă biconcavă. Vom observa că razele vor ieși din lentilă într-un fascicul divergent. Dacă acest fascicul divergent de raze pătrunde în ochi, atunci observatorului i se va părea că razele ies din punctul F. Acest punct se numește focarul imaginar al unei lentile biconcave. O astfel de lentilă poate fi numită divergentă.

Figura 63 explică acțiunea lentilelor convergente și divergente. Lentilele pot fi reprezentate ca un număr mare de prisme. Deoarece prismele deviază razele, așa cum se arată în figuri, este clar că lentilele cu îngroșare în mijloc colectează razele, iar lentilele cu îngroșare la margini le împrăștie. Mijlocul lentilei acționează ca o placă plan-paralelă: nu deviază razele nici în lentila colectoare, nici în lentila divergentă.

În desene, lentilele convergente sunt desemnate așa cum se arată în figura din stânga, iar lentilele divergente - în figura din dreapta.

Printre lentilele convexe se numără: biconvexe, plan-convexe și concav-convexe (respectiv în figură). Toate lentilele convexe au o tăietură mediană mai largă decât marginile. Aceste lentile se numesc lentile convergente. Printre lentilele concave se numără biconcave, plan-concave și convex-concave (respectiv în figură). Toate lentilele concave au o secțiune de mijloc mai îngustă decât marginile. Aceste lentile se numesc lentile divergente.

Lumina este o radiație electromagnetică percepută de ochi prin senzație vizuală.

• Legea propagării rectilinie a luminii: lumina se propagă rectiliniu într-un mediu omogen
• O sursă de lumină ale cărei dimensiuni sunt mici în comparație cu distanța până la ecran se numește sursă de lumină punctuală.

• Fasciculul incident și fasciculul reflectat se află în același plan, cu perpendiculara restabilită pe suprafața reflectantă în punctul de incidență. Unghiu de incidenta egal cu unghiul reflexii.
• Dacă un obiect punctual și reflexia lui sunt schimbate, calea razelor nu se va schimba, ci doar direcția lor.

O suprafață reflectorizantă care căscă se numește oglindă plată, dacă un fascicul de raze paralele incidente asupra lui rămâne paralel după reflexie.

• O lentilă a cărei grosime este mult mai mică decât razele de curbură ale suprafețelor sale se numește lentilă subțire.
• O lentilă care transformă un fascicul de raze paralele într-unul convergent și îl colectează într-un singur punct se numește lentilă convergentă.
• O lentilă care transformă un fascicul de raze paralele într-unul divergent - divergent.

Pentru o lentilă de colectare

Pentru o lentilă divergentă:

În toate pozițiile obiectului, obiectivul oferă o imagine redusă, virtuală, directă, situată pe aceeași parte a lentilei cu obiectul.

Proprietățile ochiului:

• acomodare (realizată prin schimbarea formei lentilelor);
• adaptare (adaptare la conditii diferite iluminare);
• acuitatea vizuală (abilitatea de a distinge separat două puncte apropiate);
• câmp de vedere (spațiul observat când ochii se mișcă, dar capul rămâne staționar)

Deficiențe de vedere

miopie (corecție - cristalin divergent);

hipermetropie (corecție – lentilă convergentă).

O lentilă subțire reprezintă cel mai simplu sistem optic. Lentilele subțiri simple sunt folosite în principal sub formă de ochelari pentru ochelari. În plus, utilizarea unei lentile ca lupă este binecunoscută.

Acțiunea multor instrumente optice - o lampă de proiecție, o cameră și alte dispozitive - poate fi asemănată schematic cu acțiunea lentile subțiri. Cu toate acestea, o lentilă subțire oferă o imagine bună doar relativ într-un caz rar, când vă puteți limita la un fascicul îngust monocolor care vine de la sursă de-a lungul axei optice principale sau la un unghi mare față de aceasta. In majoritate probleme practice, acolo unde aceste conditii nu sunt indeplinite, imaginea data de o lentila subtire este destul de imperfecta.
Prin urmare, în cele mai multe cazuri recurg la construirea unor sisteme optice mai complexe care au număr mare suprafețe refractive și nelimitate de cerința de proximitate a acestor suprafețe (o cerință pe care o îndeplinește o lentilă subțire). [ 4 ]

4.2 Aparatură fotografică. Instrumente optice.

Toate instrumentele optice pot fi împărțite în două grupe:

1) dispozitive cu care se obțin imagini optice pe un ecran. Acestea includ dispozitive de proiectie, camere, camere de filmat etc.

2) dispozitive care funcționează numai împreună cu prin ochii omuluiși nu formați imagini pe ecran. Acestea includ o lupă, un microscop și diverse instrumente ale sistemului de telescop. Astfel de dispozitive se numesc vizuale.

Aparat foto.

Camerele moderne au complexe și structura variata, ne vom uita la ce elemente de bază constă o cameră și cum funcționează acestea.

Imaginea unei lentile formată dintr-un sistem optic sau o parte a unui sistem optic. Folosit în calculul sistemelor optice complexe.

YouTube enciclopedic

Poveste

Cea mai veche lentilă are mai bine de 3000 de ani, așa-numita lentilă Nimrud. A fost găsit în timpul săpăturilor uneia dintre capitalele antice ale Asiriei în Nimrud de către Austin Henry Layard în 1853. Lentila are o formă apropiată de ovală, măcinată gros, o parte este convexă, iar cealaltă este plată și are o mărire de 3x. Lentila Nimrud este expusă la British Museum.

Prima mențiune despre lentile poate fi găsită în piesa greacă antică „Norii” a lui Aristofan (424 î.Hr.), unde focul era produs folosind sticlă convexă și lumina soarelui.

Caracteristicile lentilelor simple

În funcție de formele care există colectare(pozitiv) și împrăștiere lentile (negative). Grupul de lentile colectoare include de obicei lentile al căror mijloc este mai gros decât marginile lor, iar grupul de lentile divergente include lentile ale căror margini sunt mai groase decât mijlocul. Trebuie remarcat faptul că acest lucru este adevărat numai dacă indicele de refracție al materialului lentilei este mai mare decât cel al mediu inconjurator. Dacă indicele de refracție al lentilei este mai mic, situația se va inversa. De exemplu, o bula de aer în apă este o lentilă divergentă biconvexă.

Lentilele sunt de obicei caracterizate prin puterea lor optică (măsurată în dioptrii) și distanța focală.

Pentru a construi dispozitive optice cu aberație optică corectată (în primul rând cromatică, cauzată de dispersia luminii - acromati și apocromatici), sunt importante și alte proprietăți ale lentilelor și ale materialelor acestora, de exemplu, indicele de refracție, coeficientul de dispersie, indicele de absorbție și indicele de împrăștiere a materialul din domeniul optic selectat .

Uneori, lentilele/sistemele optice de lentile (refractorii) sunt special concepute pentru a fi utilizate în medii cu relativ Rata ridicată refracție (vezi microscop de imersie, lichide de imersie).

O lentilă convex-concavă se numește meniscși poate fi colectiv (se îngroașă spre mijloc), difuz (se îngroașă spre margini) sau telescopic (distanța focală este infinită). Deci, de exemplu, lentilele ochelarilor pentru miopie sunt, de regulă, meniscurile negative.

Contrar concepției greșite populare, puterea optică a unui menisc cu raze egale nu este zero, ci pozitivă și depinde de indicele de refracție al sticlei și de grosimea lentilei. Un menisc, ale cărui centre de curbură ale suprafețelor sunt situate într-un punct, se numește lentilă concentrică (puterea optică este întotdeauna negativă).

O proprietate distinctivă a unei lentile colectoare este capacitatea de a colecta razele incidente pe suprafața sa într-un punct situat pe cealaltă parte a lentilei.

Elementele principale ale lentilei: NN - axa optică - o linie dreaptă care trece prin centrele suprafețelor sferice limitând lentila; O - centru optic - punctul în care pentru lentilele biconvexe sau biconcave (cu aceleași raze de suprafață) se află pe axa optică din interiorul lentilei (în centrul acesteia).
Notă. Calea razelor este prezentată ca într-o lentilă idealizată (subțire), fără a indica refracția la interfața reală. În plus, este afișată o imagine oarecum exagerată a unei lentile biconvexe

Dacă un punct luminos S este plasat la o anumită distanță în fața lentilei colectoare, atunci o rază de lumină îndreptată de-a lungul axei va trece prin lentilă fără a fi refractată, iar razele care nu trec prin centru vor fi refractate către axa optică și se intersectează pe ea la un punct F, care va fi imaginea punctului S. Acest punct se numește focalizare conjugată sau pur și simplu se concentreze.

Dacă lumina cade pe lentilă de la o sursă foarte îndepărtată, ale cărei raze pot fi reprezentate ca venind într-un fascicul paralel, atunci la ieșirea din acesta razele se vor refracta la un unghi mai mare, iar punctul F se va deplasa pe axa optică mai aproape de lentilele. În aceste condiții, se numește punctul de intersecție al razelor care ies din lentilă se concentreze F’, iar distanța de la centrul lentilei la focalizare este distanța focală.

Razele incidente pe o lentilă divergentă vor fi refractate către marginile lentilei la ieșire din ea, adică împrăștiate. Dacă aceste raze sunt continuate în direcția opusă așa cum se arată în figură cu o linie punctată, atunci ele vor converge într-un punct F, care va fi se concentreze acest obiectiv. Acest truc va imaginar.

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

Unde u (\displaystyle u)- distanta de la obiectiv la obiect; v (\displaystyle v) f (\displaystyle f)- distanta focala principala a obiectivului. În cazul unei lentile groase, formula rămâne neschimbată, singura diferență fiind că distanțele sunt măsurate nu de la centrul lentilei, ci de la planurile principale.

Pentru a găsi una sau alta cantitate necunoscută cu două cunoscute, utilizați următoarele ecuații:

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)))

Trebuie remarcat faptul că semnele cantităților u (\displaystyle u), v (\displaystyle v), f (\displaystyle f) sunt selectate pe baza următoarelor considerații - pentru o imagine reală dintr-un obiect real într-o lentilă convergentă - toate aceste cantități sunt pozitive. Dacă imaginea este imaginară, distanța până la ea este considerată negativă; dacă obiectul este imaginar, distanța până la acesta este negativă; dacă obiectivul este divergent, distanța focală este negativă.

Imagini cu litere negre printr-o lentilă convexă subțire cu o distanță focală f(in rosu). Afișează raze pentru litere E, euȘi K(albastru, verde și respectiv portocaliu). Imagine cu scrisoare E(situat la o distanta de 2 f) reală și inversată, de aceeași dimensiune. Imagine eu(pe f) - la infinit. Imagine LA(pe f/2) imaginar, direct, dublat

Creștere liniară

Creștere liniară m = a 2 b 2 a b (\displaystyle m=((a_(2)b_(2)) \over (ab)))(pentru desenul din secțiunea anterioară) este raportul dintre dimensiunile imaginii și dimensiunile corespunzătoare ale obiectului. Acest raport poate fi exprimat și ca fracție m = a 2 b 2 a b = v u (\displaystyle m=((a_(2)b_(2)) \over (ab))=(v \over u)), Unde v (\displaystyle v)- distanta de la obiectiv la imagine; u (\displaystyle u)- distanta de la obiectiv la obiect.

Aici m (\displaystyle m) este coeficientul de mărire liniară, adică un număr care arată de câte ori dimensiunile liniare ale imaginii sunt mai mici (mai mari) decât dimensiunile liniare reale ale obiectului.

În practica calculelor, este mult mai convenabil să exprimăm această relație în valori u (\displaystyle u) sau f (\displaystyle f), Unde f (\displaystyle f)- distanta focala a lentilei.

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

Calculul distanței focale și al puterii optice a unui obiectiv

Lentilele sunt simetrice, adică au aceeași distanță focală, indiferent de direcția luminii - stânga sau dreapta, ceea ce, totuși, nu se aplică altor caracteristici, de exemplu, aberații, a căror magnitudine depinde de ce parte a lentila este orientată spre lumină.

Combinație de mai multe lentile (sistem centrat)

Lentilele pot fi combinate între ele pentru a construi sisteme optice complexe. Putere optică un sistem de două lentile poate fi găsit ca simplă sumă a puterilor optice ale fiecărei lentile (cu condiția ca ambele lentile să fie considerate subțiri și să fie situate aproape una de alta pe aceeași axă):

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

Dacă lentilele sunt situate la o anumită distanță unele de altele și axele lor coincid (un sistem de un număr arbitrar de lentile cu această proprietate se numește sistem centrat), atunci puterea lor optică totală poate fi găsită cu un grad suficient de precizie de la următoarea expresie:

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)))),

Unde L (\displaystyle L)- distanta dintre planurile principale ale lentilelor.

Dezavantajele unui obiectiv simplu

Dispozitivele optice moderne impun cerințe mari la calitatea imaginii.

Imaginea produsă de un obiectiv simplu, din cauza unei serii de neajunsuri, nu satisface aceste cerințe. Eliminarea majorității deficiențelor se realizează prin selectarea adecvată a unui număr de lentile într-un sistem optic centrat - lentilă. Dezavantajele sistemelor optice sunt numite aberații, care sunt împărțite în următoarele tipuri:

• Aberații geometrice
• Aberația de difracție (această aberație este cauzată de alte elemente ale sistemului optic și nu are nimic de-a face cu obiectivul în sine).

Obiectiv numit corp transparent delimitat de două suprafețe curbe (cel mai adesea sferice) sau curbe și plane. Lentilele sunt împărțite în convexe și concave.

Lentilele al căror mijloc este mai gros decât marginile se numesc convexe. Lentilele al căror mijloc este mai subțire decât marginile se numesc concave.

Dacă indicele de refracție al lentilei este mai mare decât indicele de refracție al mediului înconjurător, atunci într-o lentilă convexă un fascicul paralel de raze după refracție este transformat într-un fascicul convergent. Se numesc astfel de lentile colectare(Fig. 89, a). Dacă un fascicul paralel dintr-o lentilă este convertit într-un fascicul divergent, atunci aceste lentile se numesc împrăștiere(Fig. 89, b). Lentile concave care au Mediul extern servește aer, sunt disipative.

O 1, O 2 - centre geometrice ale suprafețelor sferice limitând lentila. Drept O 1 O 2 conectarea centrelor acestor suprafețe sferice se numește axă optică principală. De obicei luăm în considerare lentilele subțiri a căror grosime este mică în comparație cu razele de curbură ale suprafețelor sale, astfel încât punctele C 1 și C 2 (vârfurile segmentelor) se află aproape una de alta; ele pot fi înlocuite cu un punct O, numit optic. centrul lentilei (vezi Fig. 89a). Orice linie dreaptă trasată prin centrul optic al unei lentile la un unghi față de axa optică principală se numește axa optică secundară(A 1 A 2 B 1 B 2).

Dacă un fascicul de raze paralel cu axa optică principală cade pe o lentilă colectoare, atunci după refracția în lentilă, acestea sunt colectate într-un punct F, care se numește focalizarea principală a lentilei(Fig. 90, a).

La focarul lentilei divergente se intersectează continuări ale razelor, care înainte de refracție erau paralele cu axa sa optică principală (Fig. 90, b). Focalizarea unei lentile divergente este imaginară. Există două puncte principale; sunt situate pe axa optică principală la aceeași distanță de centrul optic al lentilei pe părți opuse.

Valoare reciprocă distanta focala lentile, se numește putere optică . Putere optică a lentilei - D.

Unitatea SI a puterii optice pentru un obiectiv este dioptria. Dioptria este puterea optică a unei lentile a cărei distanță focală este de 1 m.

Puterea optică a unei lentile convergente este pozitivă, în timp ce cea a unei lentile divergente este negativă.

Se numește planul care trece prin focarul principal al lentilei perpendicular pe axa optică principală focal(Fig. 91). Un fascicul de raze incident pe lentilă paralel cu o axă optică secundară este colectat în punctul de intersecție a acestei axe cu planul focal.

Construirea unei imagini a unui punct și a unui obiect într-o lentilă convergentă.

Pentru a construi o imagine într-o lentilă, este suficient să luați două raze din fiecare punct al obiectului și să găsiți punctul lor de intersecție după refracția în lentilă. Este convenabil să folosiți raze a căror cale după refracția în lentilă este cunoscută. Astfel, o rază incidentă pe o lentilă paralelă cu axa optică principală, după refracția în lentilă, trece prin focarul principal; fasciculul care trece prin centrul optic al lentilei nu este refractat; raza care trece prin focarul principal al lentilei, după refracție, merge paralel cu axa optică principală; o rază incidentă pe lentilă paralelă cu axa optică secundară, după refracția în lentilă, trece prin punctul de intersecție al axei cu planul focal.

Lăsați punctul luminos S să se afle pe axa optică principală.

Alegem un fascicul la întâmplare și desenăm o axă optică secundară paralelă cu acesta (Fig. 92). Raza selectată va trece prin punctul de intersecție al axei optice secundare cu planul focal după refracția în lentilă. Punctul de intersecție al acestei raze cu axa optică principală (a doua rază) va oferi o imagine reală a punctului S - S`.

Să luăm în considerare construirea unei imagini a unui obiect într-o lentilă convexă.

Lăsați punctul să se afle în afara axei optice principale, apoi imaginea S` poate fi construită folosind oricare două raze prezentate în Fig. 93.

Dacă obiectul este situat la infinit, atunci razele se vor intersecta la focar (Fig. 94).

Dacă obiectul este situat în spatele punctului de focalizare dublu, atunci imaginea va fi reală, inversă, redusă (cameră, ochi) (Fig. 95).

Toată lumea știe că un obiectiv fotografic este format din elemente optice. Majoritatea obiectivelor fotografice folosesc lentile ca astfel de elemente. Lentilele dintr-un obiectiv fotografic sunt situate pe axa optică principală, formând designul optic al lentilei.

Lentila optică sferică - este un element omogen transparent delimitat de două suprafețe sferice sau una sferică și celelalte suprafețe plane.

În obiectivele fotografice moderne avem răspândită, De asemenea, asferic lentile a căror formă de suprafață diferă de o sferă. În acest caz, pot exista suprafețe parabolice, cilindrice, torice, conice și alte suprafețe curbe, precum și suprafețe de revoluție cu o axă de simetrie.

Materialele folosite la fabricarea lentilelor pot fi diverse tipuri de sticlă optică, precum și materiale plastice transparente.

Întreaga varietate de lentile sferice poate fi redusă la două tipuri principale: Colectare(sau pozitiv, convex) și Risipirea(sau negativ, concav). Lentilele convergente din centru sunt mai groase decât la margini, dimpotrivă, lentilele divergente din centru sunt mai subțiri decât la margini.

Într-o lentilă convergentă, razele paralele care trec prin ea sunt focalizate într-un punct din spatele lentilei. În lentilele divergente, razele care trec prin lentilă sunt împrăștiate în lateral.

Bolnav. 1. Lentile convergente și divergente.

Numai lentilele pozitive pot produce imagini ale obiectelor. ÎN sisteme optice oferind o imagine reală (în special lentile), lentilele divergente pot fi folosite doar împreună cu cele colective.

Există șase tipuri principale de lentile în funcție de forma secțiunii lor transversale:

1. lentile convergente biconvexe;
2. lentile convergente plan-convexe;
3. lentile colectoare concave-convexe (menisci);
4. lentile biconcave divergente;
5. lentile divergente plate-concave;
6. lentile divergente convex-concave.

Bolnav. 2. Șase tipuri de lentile sferice.

Suprafețele sferice ale lentilei pot avea diferite curbură(grad de convexitate/concavitate) și diferite grosimea axială.

Să ne uităm la acestea și la câteva alte concepte mai detaliat.

Bolnav. 3. Elemente ale unei lentile biconvexe

În Figura 3 puteți vedea o diagramă a formării unei lentile biconvexe.

• C1 și C2 sunt centrele suprafețelor sferice care limitează lentila, se numesc centrele de curbură.
• R1 și R2 sunt razele suprafețelor sferice ale lentilei sau razele de curbură.
• Linia dreaptă care leagă punctele C1 și C2 se numește axa optică principală lentile.
• Se numesc punctele în care axa optică principală intersectează suprafețele lentilelor (A și B). vârfurile lentilei.
• Distanța de la punct A până la punctul B numit grosimea lentilei axiale.

Dacă un fascicul paralel de raze de lumină este îndreptat către o lentilă dintr-un punct situat pe axa optică principală, atunci după ce trec prin el, ele vor converge într-un punct F, care se află și pe axa optică principală. Acest punct se numește concentrare principala lentilele și distanța f de la obiectiv până în acest punct - distanța focală principală.

Bolnav. 4. Focalizarea principală, planul focal principal și distanța focală a obiectivului.

Avion MN perpendicular pe axa optică principală și care trece prin focarul principal se numește planul focal principal. Aici se află matricea fotosensibilă sau filmul fotosensibil.

Distanța focală a unei lentile depinde direct de curbura suprafețelor sale convexe: cu cât razele de curbură sunt mai mici (adică, convexitatea este mai mare), cu atât distanța focală este mai mică.

Există obiecte care sunt capabile să modifice densitatea fluxului care cade asupra lor radiatie electromagnetica, adică fie măriți-l prin colectarea la un moment dat, fie reduceți dispersându-l. Aceste obiecte se numesc lentile în fizică. Să aruncăm o privire mai atentă la această problemă.

Ce sunt lentilele în fizică?

Acest concept înseamnă absolut orice obiect care este capabil să schimbe direcția de propagare a radiației electromagnetice. Acest definiție generală lentile în fizică, care include ochelari optici, lentile magnetice și gravitaționale.

În acest articol, atenția principală va fi acordată ochelarilor optici, care sunt obiecte din material transparent și limitate la două suprafețe. Una dintre aceste suprafețe trebuie să aibă neapărat curbură (adică să facă parte dintr-o sferă cu rază finită), altfel obiectul nu va avea proprietatea de a schimba direcția de propagare a razelor de lumină.

Principiul de funcționare a lentilelor

Esența funcționării acestui obiect optic simplu constă în fenomenul de refracție razele de soare. La începutul secolului al XVII-lea, celebrul fizician și astronom olandez Willebrord Snell van Rooyen a publicat legea refracției, care în prezent îi poartă numele. Formularea acestei legi este următoarea: când lumina soarelui trece prin interfața dintre două medii optic transparente, apoi produsul sinusului dintre fascicul și normala la suprafață și indicele de refracție al mediului în care se propagă este o valoare constantă.

Pentru a explica cele de mai sus, să dăm un exemplu: lăsați lumina să cadă pe suprafața apei, iar unghiul dintre normala la suprafață și rază este egal cu θ 1. Apoi, fasciculul de lumină este refractat și își începe propagarea în apă la un unghi θ 2 față de normala la suprafață. Conform legii lui Snell, obținem: sin(θ 1)*n 1 = sin(θ 2)*n 2, aici n 1 și n 2 sunt indicii de refracție pentru aer și respectiv apă. Ce este indicele de refracție? Aceasta este o valoare care arată de câte ori viteza de propagare undele electromagneticeîn vid este mai mare decât pentru un mediu transparent optic, adică n = c/v, unde c și v sunt viteza luminii în vid și, respectiv, într-un mediu.

Fizica refracției constă în îndeplinirea principiului lui Fermat, conform căruia lumina se mișcă în așa fel încât cel mai putin timp depășiți distanța de la un punct la altul din spațiu.

Aspectul unei lentile optice în fizică este determinat doar de forma suprafețelor care o formează. Direcția de refracție a fasciculului incident depinde de această formă. Deci, dacă curbura suprafeței este pozitivă (convexă), atunci la ieșirea din lentilă, fasciculul de lumină se va propaga mai aproape de axa sa optică (vezi mai jos). Dimpotrivă, dacă curbura suprafeței este negativă (concavă), atunci după trecerea prin sticla optică, fasciculul va începe să se îndepărteze de axa centrală.

Să remarcăm din nou că o suprafață cu orice curbură refractă razele în mod egal (conform legii lui Stell), dar normalele acestora au o înclinare diferită față de axa optică, rezultând un comportament diferit al razei refractate.

O lentilă care este delimitată de două suprafețe convexe se numește lentilă convergentă. La rândul său, dacă este format din două suprafețe cu curbură negativă, atunci se numește împrăștiere. Toate celelalte tipuri sunt asociate cu o combinație a suprafețelor specificate, la care se adaugă și un plan. Ce proprietate va avea lentila combinată (divergentă sau convergentă) depinde de curbura totală a razelor suprafețelor sale.

Elementele lentilelor și proprietățile razelor

Pentru a construi imagini în lentile în fizică, trebuie să vă familiarizați cu elementele acestui obiect. Acestea sunt date mai jos:

• Axa optică principală și centru. În primul caz, ele înseamnă o linie dreaptă care trece perpendicular pe lentilă prin centrul său optic. Acesta din urmă, la rândul său, este un punct din interiorul lentilei, care trece prin care fasciculul nu experimentează refracția.
• Distanța focală și focalizarea - distanța dintre centru și punctul de pe axa optică în care sunt colectate toate razele incidente pe lentilă paralelă cu această axă. Această definiție este valabilă pentru cei care colectează ochelari optici. În cazul lentilelor divergente, nu razele în sine vor fi adunate într-un punct, ci continuarea lor imaginară. Acest punct se numește focus principal.
• Putere optică. Acesta este numele reciprocului distanței focale, adică D = 1/f. Se măsoară în dioptrii (doptrii), adică 1 dioptrie. = 1 m -1 .

Următoarele sunt principalele proprietăți ale razelor care trec printr-o lentilă:

• fasciculul care trece prin centrul optic nu schimbă direcția mișcării sale;
• razele incidente paralele cu axa optică principală își schimbă direcția astfel încât trec prin focarul principal;
• Razele incidente pe sticla optică sub orice unghi, dar trecând prin focarul acesteia, își schimbă direcția de propagare în așa fel încât devin paralele cu axa optică principală.

Proprietățile de mai sus ale razelor pentru lentilele subțiri în fizică (se numesc astfel deoarece nu contează din ce sfere sunt formate și cât de groase sunt, ci doar proprietățile optice ale obiectului materie) sunt folosite pentru a construi imagini în ele.

Imagini în ochelari optici: cum să construiți?

Mai jos este o figură care arată în detaliu schemele de construire a imaginilor în lentilele convexe și concave ale unui obiect (săgeată roșie) în funcție de poziția acestuia.

Din analiza circuitelor din figură rezultă concluzii importante:

• Orice imagine este construită pe doar 2 raze (trec prin centru și paralel cu axa optică principală).
• Lentilele convergente (indicate prin săgeți la capete îndreptate spre exterior) pot produce fie o imagine mărită, fie o imagine redusă, care la rândul său poate fi reală (reala) sau virtuală.
• Dacă un obiect este focalizat, atunci lentila nu își formează imaginea (vezi diagrama de jos din stânga în figură).
• Ochelarii optici difuzi (indicați prin săgeți la capete îndreptate spre interior) oferă întotdeauna o imagine redusă și virtuală, indiferent de poziția obiectului.

Găsirea distanței până la o imagine

Pentru a determina la ce distanță va apărea imaginea, cunoscând poziția obiectului în sine, prezentăm formula lentilei în fizică: 1/f = 1/d o + 1/d i, unde d o și d i sunt distanța până la obiect și la imaginea sa din centrul optic, respectiv, f - focus principal. Dacă despre care vorbim despre colectarea sticlei optice, atunci numărul f va fi pozitiv. Dimpotrivă, pentru o lentilă divergentă f este negativă.

Să folosim această formulă și să rezolvăm sarcină simplă: obiectul să fie la o distanță d o = 2*f de centrul sticlei optice colectoare. Unde va apărea imaginea lui?

Din condiţiile problemei avem: 1/f = 1/(2*f)+1/d i . Din: 1/d i = 1/f - 1/(2*f) = 1/(2*f), adică d i = 2*f. Astfel, imaginea va apărea la o distanță de două puncte focale de lentilă, dar pe cealaltă parte decât obiectul însuși (acest lucru este indicat de semn pozitiv valorile d i).

Poveste scurta

Este interesant să dăm etimologia cuvântului „lentila”. Provine din cuvintele latine lens și lentis, care înseamnă „linte”, deoarece obiectele optice în forma lor sunt într-adevăr asemănătoare cu fructele acestei plante.

Puterea de refracție a sfericului corpuri transparente era cunoscut de vechii romani. În acest scop au folosit vase rotunde de sticlă umplute cu apă. Lentilele de sticlă în sine au început să fie fabricate abia în secolul al XIII-lea în Europa. Au fost folosite ca instrument de citit (ochelari moderni sau lupa).

Utilizarea activă a obiectelor optice în fabricarea telescoapelor și microscoapelor datează din secolul al XVII-lea (Galileo a inventat primul telescop la începutul acestui secol). Rețineți că formularea matematică a legii lui Stell a refracției, fără cunoașterea căreia este imposibil să se producă lentile cu proprietăți date, a fost publicată de un om de știință olandez la începutul aceluiași secol al XVII-lea.

Alte tipuri de lentile

După cum sa menționat mai sus, pe lângă obiectele refractive optice, există și cele magnetice și gravitaționale. Un exemplu al primelor sunt lentilele magnetice în microscop electronic, exemplu strălucitor Al doilea este de a distorsiona direcția fluxului de lumină atunci când trece în apropierea corpurilor cosmice masive (stele, planete).