Има обекти, които могат да променят плътността на падащия върху тях поток от електромагнитно излъчване, тоест или да го увеличат, като го събират в една точка, или да го намалят, като го разпръснат. Тези обекти във физиката се наричат лещи. Нека разгледаме по-отблизо този проблем.
Какво са лещите във физиката?
Това понятие означава абсолютно всеки обект, който е в състояние да промени посоката на разпространение на електромагнитното излъчване. Това е общото определение за лещи във физиката, което включва оптични очила, магнитни и гравитационни лещи.
В тази статия фокусът ще бъде върху оптичните очила, които са обекти, изработени от прозрачен материал и ограничени от две повърхности. Една от тези повърхности задължително трябва да има кривина (тоест да е част от сфера с краен радиус), в противен случай обектът няма да има свойството да променя посоката на разпространение на светлинните лъчи.
Принципът на обектива
Същността на работата е тази неусложненаоптичен обект е явлението на пречупване на слънчевите лъчи. В началото на 17 век известният холандски физик и астроном Вилеброрд Снел ван Ройен публикува закона за пречупването, който в момента носи неговото фамилно име. Формулировката на този закон е следната: когато слънчевата светлина преминава през границата между две оптически прозрачни среди, тогава произведението на синуса на ъгъла на падане между лъча и нормалата към повърхността и коефициента на пречупване на средата, в която той се разпространява е постоянна стойност.
За да изясним горното, нека дадем пример: нека светлината пада върху повърхността на водата, докато ъгълът между нормалата към повърхността и лъча е θ1. След това светлинният лъч се пречупва и започва своето разпространение във водата вече под ъгъл θ2 спрямо нормалата към повърхността. Според закона на Снел получаваме: sin(θ1)n1=sin(θ2) n2, където n1 и n2 са показателите на пречупване на въздуха и водата, съответно. Какъв е индексът на пречупване? Това е стойност, показваща колко пъти скоростта на разпространение на електромагнитните вълни във вакуум е по-голяма от тази за оптически прозрачна среда, тоест n=c/v, където c и v са скоростите на светлината във вакуум и във средно, съответно.
Физиката на появата на пречупване се крие в прилагането на принципа на Ферма, според който светлината се движи по такъв начин, че да преодолее разстоянието от една точка до друга в пространството за най-кратко време.
Видове лещи
Видът на оптичната леща във физиката се определя единствено от формата на повърхностите, които я образуват. Посоката на пречупване на падащия върху тях лъч зависи от тази форма. Така че, ако кривината на повърхността е положителна (изпъкнала), тогава при излизане от лещата светлинният лъч ще се разпространява по-близо до оптичната си ос (вижте по-долу). Обратно, ако кривината на повърхността е отрицателна (вдлъбната), тогава преминавайки през оптичното стъкло, лъчът ще се отдалечи от централната си ос.
Забележете отново, че повърхност с всяка кривина пречупва лъчите по същия начин (според закона на Стела), но нормалите към тях имат различен наклон спрямо оптичната ос, което води до различно поведение на пречупения лъч.
Леща, ограничена от две изпъкнали повърхности, се нарича събирателна леща. От своя страна, ако се образува от две повърхности с отрицателна кривина, тогава се нарича разсейване. Всички останали видове оптични стъкла са свързани с комбинация от тези повърхности, към които се добавя и равнина. Какво свойство ще притежава комбинираната леща (дивергентна или събирателна) зависи от общата кривина на радиусите на нейните повърхности.
Елементи на обектива и свойства на лъча
За да вградите лещи във физиката на изображението, трябва да се запознаете с елементите на този обект. Те са изброени по-долу:
- Основна оптична ос и център. В първия случай те означават права линия, минаваща перпендикулярно на лещата през нейния оптичен център. Последният от своя страна е точка вътре в лещата, преминавайки през която лъчът не изпитва пречупване.
- Фокусно разстояние и фокус - разстоянието между центъра и точка на оптичната ос, която събира всички лъчи, попадащи върху лещата, успоредни на тази ос. Това определение е вярно за събирането на оптични очила. При дивергентните лещи не самите лъчи ще се събират в точка, а тяхното въображаемо продължение. Тази точка се нарича основен фокус.
- Оптична мощност. Това е името на реципрочната стойност на фокусното разстояние, тоест D \u003d 1 / f. Измерва се в диоптри (диоптри), тоест 1 диоптър.=1 m-1.
Следните са основните свойства на лъчите, които преминават през лещата:
- лъч, преминаващ през оптичния център, не променя посоката си на движение;
- лъчи, падащи успоредно на главната оптична ос, променят посоката си, така че да преминават през главния фокус;
- лъчи, падащи върху оптично стъкло под произволен ъгъл, но преминавайки през фокуса му, променят посоката си на разпространение по такъв начин, че да станат успоредни на главната оптична ос.
Гореописаните свойства на лъчите за тънки лещи във физиката (както се наричат, защото без значение какви сфери са образувани и колко са дебели, само оптичните свойства на предметната материя) се използват за изграждане на изображения в тях.
Изображения в оптични очила: как се изграждат?
По-долу е фигура, която подробно описва схемите за изграждане на изображения в изпъкналите и вдлъбнатите лещи на обект(червена стрелка) в зависимост от позицията му.
Важни заключения следват от анализа на веригите на фигурата:
- Всяко изображение е изградено само върху 2 лъча (минаващи през центъра и успоредно на главната оптична ос).
- Сборните лещи (означени със стрелки в краищата, сочещи навън) могат да дадат както увеличено, така и намалено изображение, което от своя страна може да бъде реално (реално) или въображаемо.
- Ако обектът е на фокус, тогава лещата не формира своето изображение (вижте долната диаграма вляво на фигурата).
- Разпръскващите оптични очила (означени със стрелки в краищата им, сочещи навътре) винаги дават намалено и виртуално изображение, независимо от позицията на обекта.
Намиране на разстоянието до изображение
За да определим на какво разстояние ще се появи изображението, като знаем позицията на самия обект, даваме формулата на лещата във физиката: 1/f=1/do + 1 /d i, където do и di са разстоянието до обекта и до неговото изображение от оптичния център, съответно, f е основният фокус. Ако говорим за събиращо оптично стъкло, тогава f-числото ще бъде положително. Обратно, за дивергентна леща, f е отрицателно.
Нека използваме тази формула и решаваме прост проблем: нека обектът е на разстояние do=2f от центъра на събиращото оптично стъкло. Къде ще се появи изображението му?
От условието на задачата имаме: 1/f=1/(2f)+1/di. От: 1/di=1/f - 1/(2f)=1/(2f), т.е. di=2 е. По този начин изображението ще се появи на разстояние от два фокуса от обектива, но от другата страна от самия обект (това се обозначава с положителния знак на стойността di).
Кратка история
Любопитно е да се даде етимологията на думата "леща". Произлиза от латинските думи lens и lentis, което означава "леща", тъй като оптичните обекти в тяхната форма наистина приличат на плодовете на това растение.
Пречупващата сила на сферичните прозрачни тела е била известна на древните римляни. За целта са използвали кръгли стъклени съдове, пълни с вода. Самите стъклени лещи започват да се произвеждат едва през 13 век в Европа. Използвани са като инструмент за четене (модерни очила или лупа).
Активното използване на оптични обекти в производството на телескопи и микроскопи датира от 17-ти век (в началото на този век Галилей изобретява първия телескоп). Имайте предвид, че математическата формулировка на закона за пречупване на Стела, без познаване на който е невъзможно да се произвеждат лещи с желаните свойства, е публикувана от холандски учен в началото на същия 17-ти век.
Други лещи
Както беше отбелязано по-горе, в допълнение към оптични пречупващи обекти, има също магнитни и гравитационни обекти. Пример за първия са магнитните лещи в електронен микроскоп, ярък пример за втория е изкривяването на посоката на светлинния поток,когато минава близо до масивни космически тела (звезди, планети).
