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, de exemplu, o lupă, un telescop, un microscop, o cameră și altele. Partea principală a celor mai multe dintre ele este lentila. De exemplu, ochelarii sunt lentile închise într-o ramă. Acest exemplu arată deja cât de importantă este utilizarea lentilelor pentru o persoană.

De exemplu, în prima imagine, balonul este modul în care 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, delimitate 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 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.

Lentilele din stânga sunt convexe

dreapta - concav.

Vom lua în considerare doar lentilele sferice, adică lentilele delimitate de două suprafețe sferice (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 lentilă are două focare, 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 traversa axa optică a lentilei într-un punct. Prin urmare, o lentilă convexă colectează razele provenite de la surse situate la o distanță de lentilă 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 o umflătură în mijloc colectează razele, iar lentilele cu o umflătură la margini le împrăștie. Mijlocul lentilei acționează ca o placă plan-paralelă: nu deviază razele nici într-o lentilă convergentă, nici într-o lentilă divergentă.

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

Printre lentilele convexe se numără: biconvexe, plan-convexe și concav-convexe (respectiv, în figură). La toate lentilele convexe, mijlocul tăieturii este mai lat 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 într-un mediu omogen se propagă în linie dreaptă
• 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 fasciculul de raze paralele incidente pe acesta 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 în divergente - divergente.

Pentru o lentilă convergentă

Pentru lentile divergente:

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

Proprietățile ochilor:

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

defecte de vedere

miopie (corecție - cristalin divergent);

hipermetropie (corecție – lentilă convergentă).

O lentilă subțire este 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 dispozitive 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 un caz rar când este posibil să ne limităm 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 sarcini practice acolo unde aceste condiții nu sunt îndeplinite, imaginea produsă de o lentilă subțire este destul de imperfectă.
Prin urmare, în cele mai multe cazuri, se recurge la construcția de sisteme optice mai complexe cu număr mare suprafețe refractive și nelimitate de cerința proximității acestor suprafețe (o cerință pe care o îndeplinește o lentilă subțire). [patru]

4.2 Aparatură fotografică. Dispozitive optice.

Toate dispozitivele optice pot fi împărțite în două grupuri:

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

2) dispozitive care funcționează numai împreună cu ochi umaniși nu formați imagini pe ecran. Acestea includ o lupă, un microscop și diverse instrumente ale unui sistem de telescop. Astfel de dispozitive se numesc vizuale.

Aparat foto.

Camerele moderne au un complex și structura variata, vom lua în considerare din ce elemente de bază constă camera și cum funcționează acestea.

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

YouTube enciclopedic

Poveste

Vârsta celei mai vechi lentile este de peste 3000 de ani, aceasta este 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, lustruită gros, una dintre laturi este convexă, iar cealaltă este plată, are o creștere de trei ori. Obiectivul Nimrud este expus la British Museum.

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

Caracteristicile lentilelor simple

În funcție de forme, există adunare(pozitiv) și împrăștiere lentile (negative). Grupul de lentile convergente include de obicei lentile, în care mijlocul este mai gros decât marginile lor, iar grupul de lentile divergente este 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 de difuzie biconvexă.

Lentilele se caracterizează, de regulă, prin puterea lor optică (măsurată în dioptrii) și distanța focală.

Pentru construcția de dispozitive optice cu aberație optică corectată (în primul rând cromatică, datorită dispersiei luminii, - acromate și apocromate), 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 al materialului în 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), împrăștiat (se îngroașă spre margini) sau telescopic (distanța focală este infinită). Deci, de exemplu, lentilele ochelarilor pentru miopie sunt de obicei meniscuri negative.

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

O proprietate distinctivă a unei lentile convergente 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 - punct care, pentru lentilele biconvexe sau biconcave (cu aceleași raze de suprafață), este situat 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 dintre medii. 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 convergente, atunci un fascicul de lumină îndreptat de-a lungul axei va trece prin lentilă fără a fi refractat, iar razele care nu trec prin centru vor fi refractate către optic. axa și se intersectează pe ea într-un punct F, care va fi imaginea punctului S. Acest punct se numește focar conjugat sau pur și simplu se concentreze.

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

Razele incidente pe o lentilă divergentă, la ieșirea din ea, vor fi refractate spre marginile lentilei, adică vor fi împrăștiate. Dacă aceste raze continuă în direcția opusă așa cum se arată în figură prin linia punctată, atunci ele vor converge într-un punct F, care va fi se concentreze acest obiectiv. Acest focus 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) este distanța focală principală a obiectivului. În cazul unei lentile groase, formula rămâne neschimbată cu singura diferență 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 alese pe baza următoarelor considerații - pentru o imagine reală dintr-un obiect real într-o lentilă convergentă - toate aceste mărimi sunt pozitive. Dacă imaginea este imaginară - distanța până la ea este considerată negativă, dacă obiectul este imaginar - distanța până la aceasta este negativă, dacă lentila este divergentă - 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) - catre infinit. Imagine La(pe f/2) imaginar, direct, dublat

Zoom liniar

Zoom liniar m = a 2 b 2 a b (\displaystyle m=((a_(2)b_(2)) \over (ab)))(pentru figura din secțiunea anterioară) este raportul dintre dimensiunile imaginii și dimensiunile corespunzătoare ale subiectului. 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) este distanța de la lentilă la obiect.

Aici m (\displaystyle m) există un coeficient de creștere 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 termeni de u (\displaystyle u) sau f (\displaystyle f), Unde f (\displaystyle f) este distanța focală 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 lentilei

Lentilele sunt simetrice, adică au aceeași distanță focală indiferent de direcția luminii - la stânga sau la dreapta, ceea ce, totuși, nu se aplică altor caracteristici, cum ar fi aberațiile, a căror magnitudine depinde pe ce parte a lentilei este întors spre lumină.

Combinație de lentile multiple (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 o 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 din 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

În dispozitivele optice moderne, cerințele ridicate sunt impuse calității imaginii.

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

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

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

Lentilele în care mijlocul este mai gros decât marginile se numesc convexe. Lentilele care sunt mai subțiri la mijloc decât marginile se numesc lentile concave.

Dacă indicele de refracție al lentilei este mai mare decât indicele de refracție al mediului, atunci într-o lentilă convexă, un fascicul paralel de raze după refracție este transformat într-un fascicul descendent. Se numesc astfel de lentile adunare(Fig. 89, a). Dacă într-o lentilă un fascicul paralel este transformat într-un fascicul divergent, atunci aceste lentile se numesc împrăștiere(Fig. 89, b). Lentile concave care Mediul extern servește ca aer, se împrăștie.

O 1 , O 2 - centre geometrice ale suprafețelor sferice delimitând 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, deci punctele C 1 și C 2 (vârfurile segmentelor) se află aproape unul de celălalt, ele putând fi înlocuite cu un punct O, numit centru optic. a lentilei (vezi Fig. 89a). Orice linie dreaptă trasată prin centrul optic al lentilei 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 convergentă, 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 continuarea 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, a numit-o putere optică . Puterea optică a lentilei - D.

Unitatea de măsură a puterii optice a unei lentile în SI este dioptria. Dioptria este puterea optică a unui obiectiv cu o distanță focală de 1 m.

Puterea optică a lentilei convergente este pozitivă, lentila divergentă 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 o lentilă paralelă cu o axă optică secundară este colectat în punctul de intersecție a acestei axe cu planul focal.

Construcția imaginii 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. Deci, un fascicul incident 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; fasciculul care trece prin focarul principal al lentilei, după refracție, merge paralel cu axa optică principală; un fascicul incident pe lentilă paralel 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 arbitrar și desenăm o axă optică laterală paralelă cu acesta (Fig. 92). Fasciculul selectat va trece prin punctul de intersecție al axei optice secundare cu planul focal după refracția în lentilă. Punctul de intersecție al acestui fascicul cu axa optică principală (al doilea fascicul) va oferi o imagine reală a punctului S - S`.

Luați în considerare construcția 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 se va dovedi a fi reală, inversă, redusă (camera, ochi) (Fig. 95).

Toată lumea știe că un obiectiv fotografic este alcătuit din elemente optice. Majoritatea obiectivelor fotografice folosesc lentile ca astfel de elemente. Lentilele dintr-un obiectiv fotografic sunt situate pe axa optică principală, formând schema optică a obiectivului.

Lentila optică sferică - este un element omogen transparent, limitat de doua suprafete sferice sau una sferica si celelalte suprafete plane.

În obiectivele fotografice moderne primite răspândită, de asemenea, asferic lentile a căror formă de suprafață este diferită de cea a unei sfere. În acest caz, pot exista suprafețe parabolice, cilindrice, torice, conice și alte suprafețe curbe, precum și suprafețe de revoluție cu o axă de simetrie.

Materialul pentru fabricarea lentilelor poate fi diferite tipuri de sticlă optică, precum și materiale plastice transparente.

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

În lentilele convergente, razele paralele care trec prin el sunt focalizate într-un punct din spatele lentilei. În lentilele divergente, razele care trec prin lentilă sunt împrăștiate în lateral.

bolnav. 1. Lentile colectoare și divergente.

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

În funcție de forma secțiunii transversale, se disting șase tipuri principale de lentile:

1. lentile convergente biconvexe;
2. lentile convergente plan-convexe;
3. lentile convergente concav-convexe (menisci);
4. lentile de difuzie biconcave;
5. lentile de difuzie plan-concave;
6. lentile de difuzie 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 formarea unei lentile biconvexe.

• C1 și C2 sunt centrele suprafețelor sferice care delimitează lentila, se numesc centre de curbură.
• R1 și R2 sunt razele suprafețelor sferice ale lentilei sau razele de curbură.
• Linia care leagă punctele C1 și C2 se numește axa optică principală lentile.
• Punctele de intersecție ale axei optice principale cu suprafețele lentilei (A și B) se numesc 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 lentilă dintr-un punct situat pe axa optică principală, atunci după ce trec prin acesta, se vor aduna în punctul 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, cu atât umflarea 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 mărește-l prin adunarea într-un punct, fie micșorează-l împrăștiind. Aceste obiecte se numesc lentile în fizică. Să luăm în considerare această întrebare mai detaliat.

Ce sunt lentilele în fizică?

Acest concept înseamnă absolut orice obiect care este capabil să schimbe direcția de propagare a radiației electromagnetice. aceasta 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 realizate dintr-un material transparent și limitate de 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 lentilei

Esența acestui obiect optic simplu este 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 îi poartă în prezent numele de familie. 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 clarifica cele de mai sus, să dăm un exemplu: lăsați lumina să cadă pe suprafața apei, în timp ce unghiul dintre normala la suprafață și fascicul este egal cu θ 1 . Apoi, fasciculul de lumină este refractat și își începe propagarea în apă deja la un unghi θ 2 față de normala la suprafață. Conform legii lui Snell, obținem: sin (θ 1) * n 1 \u003d sin (θ 2) * n 2, aici n 1 și n 2 sunt indicii de refracție pentru aer și respectiv apă. Care 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 vitezele luminii în vid și, respectiv, în mediu.

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

Tipul de lentilă optică în fizică este determinat numai de forma suprafețelor care o formează. Direcția de refracție a fasciculului incident asupra lor 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). În schimb, dacă curbura suprafeței este negativă (concavă), atunci trecând prin sticla optică, fasciculul se va îndepărta de axa centrală.

Observăm din nou că suprafața oricărei curburi refractă razele în același mod (conform legii lui Stella), dar normalele acestora au o pantă diferită față de axa optică, rezultând un comportament diferit al fasciculului refractat.

O lentilă 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 vederi sunt asociate cu o combinație a suprafețelor indicate, la care se adaugă și un plan. Ce proprietate va avea lentila combinată (difuză sau convergentă) depinde de curbura totală a razelor suprafețelor sale.

Elementele lentilelor și proprietățile razelor

Pentru a construi lentile în fizica imagistică, este necesar să vă familiarizați cu elementele acestui obiect. Acestea sunt enumerate 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 un punct de pe axa optică, în care sunt colectate toate razele incidente pe lentilă paralele cu această axă. Această definiție este valabilă pentru cei care colectează ochelari optici. În cazul lentilelor divergente, nu razele în sine vor converge către un punct, ci continuarea lor imaginară. Acest punct se numește focus principal.
• putere optică. Acesta este numele reciprocului distanței focale, adică D \u003d 1 / f. Se măsoară în dioptrii (dioptrii), 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 care cad pe sticla optică sub orice unghi, dar trecând prin focarul acesteia, își schimbă direcția de propagare în așa fel încât să devină paralele cu axa optică principală.

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

Imagini în ochelari optici: cum să construiți?

Figura de mai jos prezintă 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 (notate cu săgeți la capete îndreptate spre exterior) pot oferi atât o imagine mărită, cât și o imagine redusă, care la rândul lor poate fi reală (reala) sau imaginară.
• Dacă obiectul este focalizat, atunci lentila nu își formează imaginea (vezi diagrama de jos din stânga în figură).
• Ochelarii optici împrăștiați (notat cu săgeți la capetele lor îndreptate spre interior) oferă întotdeauna o imagine redusă și imaginară, indiferent de poziția obiectului.

Găsirea distanței până la o imagine

Pentru a determina la ce distanță va apărea imaginea, cunoscând poziția obiectului în sine, dăm 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 este focalizarea principală. În cazul în care un vorbim despre sticla optică de colectare, atunci numărul f va fi pozitiv. În schimb, pentru o lentilă divergentă, f este negativă.

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

Din starea 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 focare de lentilă, dar pe cealaltă parte decât obiectul însuși (acest lucru este indicat de semn pozitiv valorile d i).

Poveste scurta

Este curios să dăm etimologia cuvântului „lentila”. Provine din cuvintele latine lens și lentis, care înseamnă „linte”, deoarece obiectele optice în forma lor arată într-adevăr ca fructul 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 (la începutul acestui secol, Galileo a inventat primul telescop). Rețineți că formularea matematică a legii refracției a lui Stella, fără a ști care este imposibil să fabricați lentile cu proprietățile dorite, a fost publicată de un om de știință olandez la începutul aceluiași secol al XVII-lea.

Alte tipuri de lentile

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