Există obiecte care sunt capabile să modifice densitatea fluxului de radiații electromagnetice care cade asupra lor, adică fie să-l mărească prin colectarea la un moment dat, fie să-l scadă prin împrăștiere. Aceste obiecte sunt numite 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. Aceasta este definiția generală a lentilelor în fizică, care include ochelari optici, lentile magnetice și gravitaționale.
În acest articol, accentul se va pune pe ochelarii 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 lucrării acestui necomplicatobiectul optic este fenomenul de refracție a razelor solare. 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: atunci când lumina soarelui trece prin interfața dintre două medii transparente optic, atunci produsul dintre sinusul unghiului de incidență 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 θ1. Apoi, fasciculul de lumină este refractat și își începe propagarea în apă deja la un unghi θ2 față de normala la suprafață. Conform legii lui Snell, obținem: sin(θ1)n1=sin(θ2) n2, unde n1 și n2 sunt indici de refracție pentru aer și apă, respectiv. Care este indicele de refracție? Aceasta este o valoare care arată de câte ori viteza de propagare a undelor electromagnetice în vid este mai mare decât cea pentru un mediu transparent optic, adică n=c/v, unde c și v sunt vitezele luminii în vid și în mediu, respectiv.
Fizica apariției refracției constă în implementarea principiului lui Fermat, conform căruia lumina se mișcă în așa fel încât să depășească distanța de la un punct la altul din spațiu în cel mai scurt timp.
Tipuri de lentile
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.
Rețineți că o suprafață cu orice curbură 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 razei refractate.
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 celel alte tipuri de ochelari optici sunt asociate cu o combinație a acestor suprafețe, 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 lentilei și proprietățile razelor
Pentru a construi lentile în fizica imaginii, trebuie 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, care colectează toate razele incidente pe lentilă paralel cu această axă. Această definiție este valabilă pentru colectarea ochelarilor 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 prin lentilă:
- fascicul care trece prin centrul optic nu își schimbă direcția de mișcare;
- razele incidente paralele cu axa optică principală își schimbă direcția astfel încât să treacă prin focarul principal;
- razele care cad pe sticla optică în orice unghi, dar trecând prin focalizarea 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 pentru că indiferent de ce sfere sunt formate și cât de groase sunt, doar proprietățile optice ale obiectului materiei) sunt folosite pentru a construi imagini în ele.
Imagini în ochelari optici: cum se construiesc?
Mai jos este o figură care detaliază schemele de construire a imaginilor în lentilele convexe și concave ale unui obiect(săgeată roșie) în funcție de poziția sa.
Concluzii importante rezultă din analiza circuitelor din figură:
- 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 (indicați prin săgeți la capetele lor 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, dăm formula lentilei în fizică: 1/f=1/do + 1 /d i, unde do și di sunt distanța până la obiect și imaginea acestuia de la optic centru, respectiv, f este focalizarea principală. Dacă vorbim despre o sticlă optic de colectare, atunci numărul f va fi pozitiv. În schimb, pentru o lentilă divergentă, f este negativ.
Să folosim această formulă și să rezolvăm o problemă simplă: lăsați obiectul să fie la o distanță do=2f de centrul sticlei optic colectoare. Unde va apărea imaginea lui?
Din starea problemei avem: 1/f=1/(2f)+1/di. De la: 1/di=1/f - 1/(2f)=1/(2f), adică di=2 f. Astfel, imaginea va apărea la o distanță de două focare de lentilă, dar pe ceal altă parte decât obiectul în sine (acest lucru este indicat de semnul pozitiv al valorii di).
O scurtă istorie
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 corpurilor sferice transparente era cunoscută 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 lupă).
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 cunoașterea căreia este imposibil să se producă lentile cu proprietățile dorite, a fost publicată de un om de știință olandez la începutul aceluiași secol al XVII-lea.
Alte lentile
După cum s-a menționat mai sus, pe lângă obiectele optice refractive, există și obiecte magnetice și gravitaționale. Un exemplu al primelor sunt lentilele magnetice într-un microscop electronic, un exemplu viu al celui din urmă este distorsiunea direcției fluxului de lumină,când trece în apropierea corpurilor spațiale masive (stele, planete).
