Оптична силалінзи. Яка лінза сильніша?

Автор: На рис. 8.3 зображені дві лінзи, що збирають. На кожну з них падає паралельний пучок променів, який після заломлення збирається у головному фокусі лінзи. Як Ви вважаєте (виходячи зі здорового глузду), яка з двох лінз сильніше?

Читач:За здоровим глуздом сильніша лінза на рис. 8.3, аадже вона сильнішезаломлює промені, і тому після заломлення вони збираються ближче до лінзи,ніж у випадку, показаному на рис. 8.3 , б.

Оптична сила лінзи– це фізична величина, обернена до фокусної відстані лінзи:

Якщо фокусна відстаньвимірюється за метри: [ F] = м, то [ D] = 1/м. Для одиниці виміру оптичної сили 1/м існує спеціальна назва – діоптрія(ДПТР).

Отже, оптична сила лінзи вимірюється у діоптріях:

= 1 дптр.

Одна діоптрія – це оптична сила такої лінзи, у якої фокусна відстань дорівнює одному метру: F = 1м.

Згідно з формулою (8.1) оптична сила лінзи, що збирає, може бути обчислена за формулою

. (8.2а)

Читач: Ми розглянули випадок двоопуклої лінзи, але ж лінзи бувають і двояковогнуті, і увігнуто-опуклі, і плоско-опуклі і т.д. Як же обчислювати фокусну відстань лінзи у випадку?

Автор: Можна показати (чисто геометрично), що у будь-якому випадку формули (8.1) і (8.2) будуть справедливі, якщо брати значення радіусів сферичних поверхонь R 1 та R 2 з відповідними знаками: "плюс" - якщо відповідна сферична поверхня опукла, і "мінус" - якщо увігнута.

Наприклад, під час розрахунку за формулою (8.2) оптичних сил лінз, зображених на рис. 8.4, слід брати такі знаки величин R 1 та R 2 у таких випадках: a) R 1 > 0 та R 2 > 0, так як обидві поверхні опуклі; б) R 1 < 0 и R 2 < 0, так як обидві поверхні увігнуті; у разі в) R 1 < 0 и R 2 > 0, так як перша поверхня увігнута, а друга опукла.

Мал. 8.4

Читач: А якщо одна з поверхонь лінзи (наприклад, перша) не сферична, а плоска?

Мал. 8.5

Читач: Величина F(і, відповідно, D) за формулами (8.1) та (8.2) може вийти негативною. Що це означає?

Автор: Це означає, що дана лінза розсіююча. Тобто пучок променів, паралельних головній оптичній осі, переломлюється так, що самі заломлені промені утворюють розбіжний пучок, але продовження цих променів перетинаються передплощиною лінзи на відстані, що дорівнює | F| (Рис. 8.5).

СТОП! Вирішіть самостійно: А2-А4.

Завдання 8.1.Заломлюючі поверхні лінзи є концентричними сферичними поверхнями. Великий радіус кривизни R= 20 см, товщина лінзи l= 2 см, показник заломлення скла п= 1,6. Збирає або розсіює лінза? Знайдіть фокусну відстань.

Мал. 8.6

Основним застосуванням законів спотворення світла є лінзи.

Що таке лінза?

Саме слово «лінза» означає «чечевиця».

Лінзою називають прозоре тіло, обмежена з двох сторін сферичними поверхнями.

Розглянемо, як працює лінза на принципі спотворення світла.

Мал. 1. Двоопуклі лінза

Лінза може бути розбита на кілька окремих частин, кожна з яких є скляною призму. Верхню частинулінзи представимо у вигляді тригранної призми: падаючи на неї, світло заломлюється і зміщується у бік основи. Всі наступні частини лінзи представимо як трапеції, в яких промінь світла проходить усередину і знову виходить, зміщуючи у напрямку (рис. 1).

Види лінз(Рис. 2)

Мал. 2. Види лінз

Збірні лінзи

1 - двоопукла лінза

2 - плоско-опукла лінза

3 - опукло-увігнута лінза

Лінізи, що розсіюють

4 - двояковогнута лінза

5 - плоско-увігнута лінза

6 - опукло-увігнута лінза

Позначення лінз

Тонка лінза - це лінза, товщина якої набагато менше радіусів, що обмежують її поверхню (рис. 3).

Мал. 3. Тонка лінза

Бачимо, що радіус однієї сферичної поверхні та іншої сферичної поверхні більший, ніж товщина лінзи α.

Лінза заломлює світло певним чином. Якщо лінза збирає, промені збираються в одній точці. Якщо лінза розсіює, то промені розсіюються.

Для позначення різних лінз запроваджено спеціальний малюнок (рис. 4).

Мал. 4. Схематичне зображення лінз

1 - схематичне зображення лінзи, що збирає

2 - схематичне зображення лінзи, що розсіює

Точки та лінії лінзи:

1. Оптичний центр лінзи

2. Головна оптична вісь лінзи (рис. 5)

3. Фокус лінзи

4. Оптична сила лінзи

Мал. 5. Головна оптична вісь та оптичний центр лінзи

Головна оптична вісь – уявна лінія, яка проходить через центр лінзи та перпендикулярна площині лінзи. Точка є оптичним центром лінзи. Всі промені, що проходять через цю точку, не переломлюються.

Інша важлива точкалінзи – фокус (рис. 6). Він розташований на головній оптичній осі лінзи. У точці фокусу перетинаються всі промені, які падають на лінзу паралельно головній оптичній осі.

Мал. 6. Фокус лінзи

У кожної лінзи два фокуси. Ми розглядатимемо рівнофокусну лінзу, тобто коли фокуси стоять від лінзи на однаковій відстані.

Відстань між центром лінзи та фокусом називається фокусною відстанню (відрізок на малюнку). Другий фокус розташований з зворотного бокулінзи.

Наступна характеристика лінзи – це оптична сила лінзи.

Оптична сила лінзи (позначається) - це здатність лінзи заломлювати промені. Оптична сила лінзи - зворотне значення фокусної відстані:

Фокусна відстань вимірюється в одиницях довжини.

За одиницю оптичної сили обрана така одиниця виміру, за якої фокусна відстань дорівнює одному метру. Така одиниця оптичної сили називається діоптрію.

У лінз, що збирають, попереду оптичної сили ставиться знак «+», а якщо лінза розсіює, то перед оптичною силою ставиться знак «-».

Одиниця діоптрію записується наступним чином:

Для кожної лінзи є ще одне важливе поняття. Це уявний фокус та дійсний фокус.

Справжній фокус - це такий фокус, який утворений променями, що переломилися в лінзі.

Уявний фокус - це фокус, який утворюється продовженням променів, що пройшли через лінзу (рис. 7).

Уявний фокус, як правило, у лінзи, що розсіює.

Мал. 7. Уявний фокус лінзи

Висновок

На цьому уроці ви дізналися, що таке лінза, які бувають лінзи. Познайомилися з визначенням тонкої лінзи та головними характеристиками лінз і дізналися, що таке уявний фокус, дійсний фокус і в чому їхня відмінність.

Список литературы

1. Генденштейн Л.Е, Кайдалов А.Б., Кожевніков В.Б. / За ред. Орлова В.А., Ройзена І.І. Фізика 8. – К.: Мнемозіна.
2. Перишкін А.В. Фізика 8. – М.: Дрофа, 2010.
3. Фадєєва А.А., Засов А.В., Кисельов Д.Ф. Фізика 8. - М: Просвітництво.

1. Tak-to-ent.net().
2. Tepka.ru ().
3. Megaresheba.ru ().

Домашнє завдання

1. Завдання 1. Визначте оптичну силу лінзи, що збирає, з фокусною відстанню 2 метри.
2. Завдання 2. Яка фокусна відстань лінзи, оптична сила якої дорівнює 5 діоптрій?
3. Завдання 3. Чи може двоопукла лінза мати негативну оптичну силу?

Лінзами називаються прозорі для даного випромінювання тіла, обмежені двома поверхнями. різної форми(сферичній, циліндричній і т. д.). Освіта сферичних лінз показано на рис. IV.39. Одна з поверхонь, що обмежують лінзу, може бути сферою нескінченно великого радіусу, тобто площиною.

Вісь, що проходить через центри поверхонь, що утворюють лінзу, називається оптичною віссю; у плосковипуклої та плосковогнутої лінз оптична вісь проводиться через центр сфери пер пен ярно площині.

Лінза називається тонкою, якщо її товщина значно менша за радіуси кривизни утворюючих поверхонь. У тонкій лінзі можна знехтувати зміщенням променів, що проходять через центральну частину (рис. IV.40). Лінза є збирає, якщо вона заломлює промені, що проходять через неї, у бік оптичної осі, і розсіює, якщо вона відхиляє промені від оптичної осі.

Формула лінзи

Розглянемо заломлення променів спочатку однієї сферичної поверхні лінзи. Позначимо точки перетину оптичної осі з поверхнею, що розглядається через О, з падаючим променем - через і з заломленим променем (або його продовженням) - через точка є центр сферичної поверхні (рис. IV.41); позначимо відстані радіус кривизни поверхні). Залежно від кута падіння променів на сферичну поверхню можливі різні розташування точок щодо точки О. На рис. IV.41 показаний хід променів, що падають на опуклу поверхню під різними кутами падіння, а за умови де показник заломлення середовища, звідки йде падаючий промінь, а показник заломлення середовища, куди йде заломлений промінь. Припустимо, що падаючий промінь - параксиальний, тобто.

складає з оптичною віссю дуже малий кут, тоді кути також малі і можна вважати:

На підставі закону заломлення при малих кутах а і у

З рис. IV.41, отже:

Підставивши ці вирази у формулу (1.34), отримаємо після скорочення на формулу заломлюючої сферичної поверхні:

Знаючи відстань від «предмета» до поверхні, що заломлює, можна за цією формулою розрахувати відстань від поверхні до «зображення»

Зауважимо, що з виведенні формули (1.35) величина скоротилася; це означає, що всі параксіальні промені, що вийшли з точки, який би кут вони не становили з оптичною віссю, зберуться в точці.

Провівши аналогічні міркування інших кутів падіння (рис. IV.41,б, в), отримаємо відповідно:

Звідси отримуємо правило знаків (вважаючи відстань завжди позитивним): якщо точка або лежить на тій стороні заломлюючої поверхні, на якій знаходиться точка відстані

і слід брати зі знаком мінус; якщо ж точка або знаходиться по інший бік поверхні по відношенню до точки, то відстані слід брати зі знаком плюс. Таке правило знаків вийде, якщо розглядати заломлення променів через увігнуту сферичну поверхню. З цією метою можна скористатися тими самими кресленнями, наведеними на рис. IV.41, якщо тільки змінити напрямок променів на зворотний і змінити позначення показників заломлення.

Лінзи мають дві заломлюючі поверхні, радіуси кривизни яких можуть бути однаковими або різними. Розглянемо двоопуклу лінзу; для променя, що проходить через таку лінзу, перша (вхідна) поверхня є опуклою, а друга (вихідна) - увігнутою. Формулу для розрахунку за даними можна отримати, якщо скористатися формулами (1.35) для вхідної та (1.36) для вихідної поверхні (зі зворотним ходом променів, оскільки промінь переходить із середовища в середу

Так як «зображення» від першої поверхні є «предметом» для другої поверхні, тоді з формули (1.37) отримуємо, замінивши на на

З цього співвідношення видно, що постійна величина, тобто взаємопов'язані. Позначимо, де фокусна відстань лінзи називається оптичною силою лінзи і вимірюється в діоптріях). Отже,

Якщо ж розрахунок провести для двояковогнутої лінзи, то отримаємо

Порівнюючи результати, можна зробити висновок, що для розрахунку оптичної сили лінзи будь-якої форми слід користуватися однією формулою (1.38) з дотриманням правила знаків: радіуси кривизни опуклих поверхонь підставляти зі знаком плюс, увігнутих - зі знаком мінус. Негативна оптична сила тобто негативна фокусна відстань означає, що відстань має знак мінус, тобто «зображення» знаходиться на тій стороні, де розташований «предмет». У цьому випадку "зображення" є уявним. Лінзи про позитивну оптичну силу є збираючими і дають дійсні зображення, поки при відстань набуває знак мінус і зображення виходить уявним. Лінзи з негативною оптичною силою - що розсіюють і дають завжди уявне зображення; для них і за жодних числових значень не можна отримати позитивну відстань

Формула (1.38) виведена за умови, що по обидва боки лінзи знаходиться те саме середовище. Якщо ж показники заломлення середовищ, що межують з поверхнями лінзи різні (наприклад, у кришталика ока), то фокусні відстані праворуч і ліворуч від лінзи не рівні, причому

де фокусна відстань із того боку, де знаходиться предмет.

Зауважимо, що, згідно з формулою (1.38), оптична сила лінзи визначається не лише її формою, а й співвідношенням між показниками заломлення речовини лінзи та навколишнього середовища. Наприклад, двоопукла лінза в середовищі з великим показником заломлення має негативну оптичну силу, тобто є лінзою, що розсіює.

Навпаки, двояковогнута лінза в такому ж середовищі має позитивну оптичну силу, тобто є лінзою, що збирає.

Розглянемо систему із двох лінз (рис. IV.42, а); припустимо, що точковий предмет знаходиться у фокусі першої лінзи. Промінь, що вийшов із першої лінзи, буде паралельним оптичній осі і, отже, пройде через фокус другої лінзи. Розглядаючи цю систему як одну тонку лінзу, можемо написати.

Цей результат вірний і для більш складної системитонких лінз (якщо сама система може розглядатися як «тонка»): оптична сила системи тонких лінз дорівнює сумі оптичних сил складових частин:

(у лінз, що розсіюють, оптична сила має негативний знак). Наприклад, плоскопаралельна пластинка, складена з двох тонких лінз (рис. IV.42, б), може бути збирає (якщо або розсіює (якщо лінзою. Для двох тонких лінз, що знаходяться на відстані один від одного) (рис. IV.43) , оптична сила є функцією від а і фокусних відстаней лінз і

(увігнуті або розсіювальні). Хід променів у цих видах лінз різний, але світло завжди переломлюєтьсяОднак, щоб розглянути їх пристрій та принцип дії, треба ознайомитися з однаковими для обох видів поняттями.

Якщо домалювати сферичні поверхні двох сторін лінзи до повних сфер, то пряма, що проходить крізь центри цих сфер, буде оптичною віссю лінзи. Фактично, оптична вісь проходить крізь найширше місце опуклої лінзи та найвужче у увігнутій.

Оптична вісь, фокус лінзи, фокусна відстань

На цій осі знаходиться точка, де збираються всі промені, що пройшли через лінзу, що збирає. У разі ж розсіювальної лінзи можна провести продовження променів, що розходяться, і тоді ми отримаємо точку, також розташовану на оптичній осі, де сходяться всі ці продовження. Ця точка називається фокусом лінзи.

У збираючої лінзи фокус дійсний, і розташований він з зворотного боку від падаючих променів, у фокус, що розсіює, уявний, і розташовується він з тієї ж сторони, з якої світлопадає на лінзу.

Крапка на оптичній осі рівно посередині лінзи називається її оптичним центром. А відстань від оптичного центру до фокусу лінзи – це фокусна відстань лінзи.

Фокусна відстань залежить від рівня кривизни сферичних поверхонь лінзи. Більш опуклі поверхні будуть сильніше заломлювати промені і, відповідно, зменшувати фокусну відстань. Якщо фокусна відстань коротша, то лінза даватиме більше збільшення зображення.

Оптична сила лінзи: формула, одиниця виміру

Для характеристики збільшує здатність лінзи запровадили поняття «оптична сила». Оптична сили лінзи – це величина, обернена до її фокусної відстані. Оптична сила лінзи виражається формулою:

де D – оптична сила, F – фокусна відстань лінзи.

Одиницею виміру оптичної сили лінзи є діоптрію (1 дптр). 1 діоптрія – це оптична сила такої лінзи, фокусна відстань якої дорівнює 1 метру. Чим менша фокусна відстань, тим більшою буде оптична сила, тобто тим сильніше лінза збільшує зображення.

Так як фокус у лінзи, що розсіює, уявний, то домовилися вважати її фокусну відстань величиною негативною. Відповідно, і її оптична сила теж негативна величина. Що стосується збираючої лінзи, то її фокус дійсний, тому фокусна відстань і оптична сила у збираючої лінзи - величини позитивні.