Οι φακοί, τόσο βιολογικοί όσο και συνθετικοί, είναι θαύματα της οπτικής φυσικής που κάνουν χρήση της ικανότητας ορισμένων μέσων να διαθλάσουν, ή να κάμψουν, τις ακτίνες φωτός. Έρχονται σε δύο βασικά σχήματα: κυρτό, ή καμπύλο προς τα έξω, και κοίλο, ή καμπύλο προς τα μέσα. Ένας από τους κύριους σκοπούς τους είναι να μεγεθύνουν τις εικόνες ή να τις κάνουν να φαίνονται μεγαλύτερες από ό, τι στην πραγματικότητα.
Μπορείτε να βρείτε φακούς σε τηλεσκόπια, μικροσκόπια, κιάλια και άλλα οπτικά όργανα, μαζί με τα μάτια σας. Οι επιστήμονες και οι μαθητές έχουν στη διάθεσή τους μια σειρά από απλές αλγεβρικές εξισώσεις για να συσχετίσουν τις φυσικές διαστάσεις και το σχήμα ενός φακού με τις επιπτώσεις του στις ακτίνες φωτός που διέρχονται από αυτόν.
Φακοί και Φυσική Μεγέθυνσης
Οι περισσότεροι "τεχνητοί" φακοί είναι κατασκευασμένοι από γυαλί. Ο λόγος που οι φακοί διαθλούν το φως είναι ότι όταν οι ακτίνες φωτός μετακινούνται από τη μίαΜεσαίο(π.χ. αέρας, νερό ή άλλο φυσικό υλικό) σε άλλο, η ταχύτητά τους αλλάζει πολύ ελαφρά και οι ακτίνες αλλάζουν πορεία ως αποτέλεσμα.
Όταν οι ακτίνες φωτός εισέρχονται σε έναν διπλό κυρτό φακό (δηλαδή, που μοιάζει με ισοπεδωμένο οβάλ από την πλευρά) σε κατεύθυνση κάθετη προς στην επιφάνεια του φακού, οι ακτίνες που βρίσκονται πλησιέστερα σε κάθε άκρη διαθλάται απότομα προς το κέντρο, πρώτα κατά την είσοδο του φακού και ξανά όταν φεύγοντας. Εκείνοι που βρίσκονται πιο κοντά στη μέση κάμπτονται λιγότερο, και αυτοί που περνούν κάθετα μέσω του κέντρου δεν διαθλαίνονται καθόλου. Το αποτέλεσμα είναι ότι όλες αυτές οι ακτίνες συγκλίνουν σε έναεπίκεντρο (φά) μια απόστασηφάαπό το κέντρο του φακού.
Η εξίσωση λεπτού φακού και ο λόγος μεγέθυνσης
Οι εικόνες που παράγονται από φακούς και καθρέφτες μπορούν να είναι είτεπραγματικός(δηλαδή, προβάλλονται σε οθόνη) ήεικονικός(δηλαδή, μη προβλεπόμενο). Κατά συνθήκη, οι τιμές των αποστάσεων των πραγματικών εικόνων (Εγώ) από τον φακό είναι θετικοί, ενώ εκείνοι των εικονικών εικόνων είναι αρνητικοί. Η απόσταση του ίδιου του αντικειμένου από το φακό (ο) είναι πάντα θετικό.
Οι κυρτοί (συγκλίνουσες) φακοί παράγουν πραγματικές εικόνες και σχετίζονται με θετική τιμήφά, ενώ οι κοίλοι (αποκλίνουσες) φακοί παράγουν εικονικές εικόνες και σχετίζονται με αρνητική τιμήφά.
Το εστιακό μήκοςφά, απόσταση αντικειμένουοκαι απόσταση εικόναςΕγώσχετίζονται με τολεπτή εξίσωση φακού:
\ frac {1} {o} + \ frac {1} {i} = \ frac {1} {f}
Ενώ ο τύπος μεγέθυνσης ήαναλογία μεγέθυνσης (Μ) συνδέει το ύψος της εικόνας που παράγεται από το φακό με το ύψος του αντικειμένου:
m = \ frac {-i} {o}
Θυμάμαι,Εγώείναι αρνητικό για εικονικές εικόνες.
Το ανθρώπινο μάτι
Οι φακοί των ματιών σας λειτουργούν ως συγκλίνουσες φακοί.
Όπως θα μπορούσατε να προβλέψετε με βάση αυτό που έχετε ήδη διαβάσει, οι φακοί των ματιών σας είναι κυρτοί και στις δύο πλευρές. Χωρίς τους φακούς σας να είναι κυρτοί και εύκαμπτοι, το φως που περνά στα μάτια σας θα ερμηνευόταν πολύ πιο έντονα από τον εγκέφαλό σας από ότι στην πραγματικότητα είναι, και οι άνθρωποι θα είχαν τρομερή δυσκολία στην πλοήγηση στον κόσμο (και μάλλον δεν θα είχαν επιζήσει για να σερφάρετε στο Διαδίκτυο για την επιστήμη πληροφορίες).
Το φως εισέρχεται πρώτα στο μάτι μέσω του κερατοειδούς, το διογκωμένο εξωτερικό στρώμα του μπροστινού μέρους του βολβού. Στη συνέχεια περνά μέσα από τον μαθητή, η διάμετρος του οποίου μπορεί να ρυθμιστεί από μικροσκοπικούς μυς. Ο φακός βρίσκεται πίσω από τον μαθητή. Το μέρος του ματιού στο οποίο σχηματίζεται η εικόνα, το οποίο βρίσκεται στο εσωτερικό του κάτω πίσω τμήματος του βολβού, ονομάζεταιαμφιβληστροειδής χιτώνας. Οι οπτικές πληροφορίες μεταφέρονται από τον αμφιβληστροειδή στον εγκέφαλο μέσω των οπτικών νεύρων.
Υπολογιστής μεγέθυνσης
Μπορείτε να βρείτε ιστότοπους που θα σας βοηθήσουν με ορισμένα από αυτά τα προβλήματα μόλις εξοικειωθείτε με τη βασική φυσική, δουλεύοντας μόνοι σας. Η κύρια ιδέα είναι να κατανοήσουμε πώς τα διάφορα στοιχεία της εξίσωσης φακών σχετίζονται μεταξύ τους και γιατί οι αλλαγές στις μεταβλητές παράγουν τα πραγματικά αποτελέσματα που κάνουν.
Ένα παράδειγμα ενός τέτοιου διαδικτυακού εργαλείου δίνεται στους πόρους.