Ваша жизнь не была бы такой без линз. Независимо от того, нужны ли вам корректирующие очки или нет, вы не сможете увидеть четкое изображение чего-либо без каких-либо линз, которые сгибают проходящие через них лучи света в единую точку фокусировки.
Ученые полагаются на микроскопы и телескопы, позволяющие им видеть очень маленькие или далекие объекты, за исключением случаев увеличения до точки, где они могут извлекать полезные данные или наблюдения из изображений. И точно такие же принципы используются, чтобы убедиться, что у вас есть камера, которая поможет вам сделать идеальное селфи.
Все линзы, от увеличительного стекла до человеческого глаза, работают по одним и тем же основным принципам. Хотя есть важные различия между собирающими линзами (выпуклыми линзами) и расходящимися линзами (вогнутые линзы), как только вы изучите некоторые основные детали, вы заметите много общего тоже.
Определения, которые нужно знать
Прежде чем отправиться в путь к пониманию выпуклых и вогнутых линз, важно ознакомиться с некоторыми ключевыми концепциями оптики. В
координационный центрэто точка, в которой параллельные лучи сходятся (т. е. встречаются) после прохождения через линзу и где формируется четкое изображение.Вфокусное расстояниелинзы - это расстояние от центра линзы до фокальной точки, при этом меньшее фокусное расстояние указывает на линзу, которая сильнее отклоняет лучи света.
Воптическая осьЛинзы линзы - это линия симметрии, проходящая через центр линзы, которая проходит горизонтально, если представить линзу вертикально стоящей.
Алуч света- полезный способ представить путь луча света, используемый в лучевых диаграммах, чтобы дать визуальную интерпретацию того, как наличие линзы влияет на путь светового луча.
На практике у любого объекта будут световые лучи, выходящие из него во всех направлениях, но не все они предлагают полезную информацию, когда дело доходит до анализа того, что на самом деле делает линза. Когда вы рисуете лучевые диаграммы, обычно достаточно выбрать несколько ключевых световых лучей, чтобы объяснить распространение световых волн и процесс формирования изображения.
Диаграммы лучей
Диаграммы лучей и трассировка лучей позволяют определить место формирования изображения на основе местоположения объекта и положения линзы.
Процесс рисования световых лучей и их отклонения при прохождении через линзу может быть завершен с помощью закона преломления Снеллиуса, который связывает угол луча до достижения линзы к углу на другой стороне линзы, на основе показателей преломления для воздуха (или другой среды, через которую проходит луч) и куска стекла или другого материала, используемого для линза.
Однако это может занять много времени, и есть несколько приемов, которые помогут вам произвестилучевые диаграммылегче. В частности, помните, что световые лучи, проходящие через центр линзы, не преломляются в заметной степени, а параллельные лучи отклоняются к фокусной точке.
Есть два основных типа формирования изображения, которые могут происходить с линзами, и для определения которых вы можете использовать лучевые диаграммы. Первое из них - «реальное изображение», которое относится к точке, в которой световые лучи сходятся для создания изображения. Если вы поместите экран в это место, световые лучи создадут сфокусированное изображение на экране. Реальное изображение создается собирающей линзой, которая также известна как выпуклая линза.
Виртуальный образ совершенно другой и создается рассеивающейся линзой. Потому что эти линзы искривляют световые лучидалекодруг от друга (т.е. заставить их расходиться), «изображение» фактически формируется на той стороне линзы, откуда исходят падающие световые лучи.
Из-за того, что лучи выходят на противоположной стороне, создается впечатление, что лучи были созданы объектом на той же стороне. линзы как падающие лучи, как если бы вы проследили лучи обратно по прямой линии до точки, где они сходятся. Однако это не совсем так, и если вы разместите экран в этом месте, изображения не будет.
Уравнение тонкой линзы
Уравнение тонкой линзы - одно из самых важных уравнений в оптике, и оно связывает расстояние до объекта.dо, расстояние до изображенияdя и фокусное расстояние объективаж. Уравнение довольно простое, но использовать его немного сложнее, чем некоторые другие уравнения в физике, потому что ключевые члены находятся в знаменателях дробей, а именно:
\ frac {1} {d_o} + \ frac {1} {d_i} = \ frac {1} {f}
Принято считать, что виртуальное изображение имеет отрицательное расстояние, а реальные изображения - положительное расстояние. Фокусное расстояние объектива также соответствует тому же соглашению, поэтому положительные фокусные расстояния представляют собирающие линзы, а отрицательные фокусные расстояния представляют расходящиеся линзы.
Выпуклые и вогнутые линзы- это два основных типа линз, которые обсуждаются на вводных занятиях по физике, поэтому, если вы понимаете, как они себя ведут, вы сможете ответить на любой вопрос.
Важно отметить, что это уравнение относится к «тонкой» линзе. Это означает, что линзу можно рассматривать как отклоняющую путь светового луча отодинтолько расположение, центр линзы.
На практике наблюдается отклонение с обеих сторон линзы - одна на границе раздела между воздухом и материалом линзы, а другой на границе раздела между материалом линзы и воздухом на другой стороне - но это предположение значительно усложняет расчет проще.
Вогнутые линзы
Вогнутые линзы также называются расходящимися линзами, и они изогнуты так, что «чаша» линзы обращена к рассматриваемому объекту. Как упоминалось выше, существует соглашение, что линзам, подобным этой, назначается отрицательное фокусное расстояние, а создаваемое ими виртуальное изображение находится на той же стороне, что и исходный объект.
Чтобы завершитьпроцесс трассировки лучейдля вогнутой линзы обратите внимание, что любой световой луч от объекта, идущий параллельно оптической оси линзы, будет отклонено, поэтому кажется, что он исходит от точки фокусировки линзы, на той же стороне линзы, что и объект сам.
Как упоминалось выше, любой луч, проходящий через центр линзы, будет продолжаться без отклонения. Наконец, любой луч, движущийся к точке фокуса на противоположной стороне линзы, будет отклоняться, поэтому он выходит параллельно оптической оси.
Нарисовать несколько таких лучей на основе одной точки на объекте обычно бывает достаточно, чтобы определить местоположение создаваемого изображения.
Выпуклые линзы
Выпуклая линза также известна как собирающая линза и по существу работает противоположно вогнутой линзе. Он изогнут так, что внешний изгиб формы «чаша» находится ближе всего к объекту, а фокусному расстоянию присвоено положительное значение.
Процесс трассировки лучей для собирающей линзы очень похож на процесс трассировки лучей для расходящейся линзы, с несколькими важными отличиями. Как всегда, лучи света, проходящие через центр линзы, не отклоняются.
Если падающий луч движется параллельно оптической оси, он будет отклоняться через точку фокусировки на противоположной стороне линзы. И наоборот, любой световой луч, исходящий от объекта и проходящий через ближайшую фокусную точку на своем пути к линзе, будет отклоняться, поэтому он выходит параллельно оптической оси.
Опять же, нарисовав два или три луча для точки на объекте на основе этих простых принципов, вы сможете определить местоположение изображения. Это точка, где все световые лучи сходятся на противоположной стороне линзы от самого объекта.
Концепция увеличения
Увеличение - важное понятие в оптике, и оно относится к соотношению размера изображения, создаваемого линзой, и размера исходного объекта. Примерно так вы понимаете увеличение как концепцию из повседневной жизни: если изображение вдвое больше объекта, оно увеличивается в два раза. Но точное определение таково:
M = - \ frac {i} {o}
ГдеMувеличение,яотносится к размеру изображения иоотносится к размеру объекта. Отрицательное увеличение означает перевернутое изображение, а положительное - вертикальное.
Сходства и различия
В общих чертах есть сходство между выпуклыми и вогнутыми линзами, но при более подробном рассмотрении различий больше, чем сходства.
Основное сходство заключается в том, что они оба работают по одному и тому же основному принципу, в котором разница в показатель преломления между линзой и окружающей средой позволяет им отклонять световые лучи и создавать координационный центр. Однако расходящиеся линзы всегда создают виртуальные изображения, а сходящиеся линзы могут создавать реальные или виртуальные изображения.
По мере уменьшения кривизны линзы сходящаяся и расходящаяся линзы становятся все более похожими друг на друга, потому что геометрия поверхностей также становится более похожей. Поскольку они оба работают по одному и тому же принципу, по мере того, как геометрия становится более похожей, эффект, который они оказывают на световой луч, также становится более похожим.
Приложения и примеры
Вогнутые и выпуклые линзы имеют множество практических применений, но наиболее распространенным в повседневной жизни является использованиекорректирующие линзы(очки) от миопии или близорукости, или даже дальнозоркости или дальнозоркости.
В обоих этих условиях точка фокусировки хрусталика глаза не совсем совпадает с положением светочувствительная сетчатка в задней части глаза, при этом она находится спереди при близорукости и сзади при дальнозоркости. Очки для близорукости расходятся, поэтому точка фокусировки смещена назад, а для дальнозоркости используются собирающие линзы.
Увеличительные стекла и микроскопы работают одинаково, используя двояковыпуклые линзы (линзы с двумя выпуклыми сторонами) для получения увеличенной версии изображений. Увеличительное стекло - это более простое оптическое устройство с одной линзой, которое позволяет получить изображение большего размера, чем вы могли бы получить в противном случае. Микроскопы немного сложнее (потому что они обычно имеют несколько линз), но они создают увеличенные изображения в основном одинаковым образом.
Рефракторные телескопы работают так же, как микроскопы и лупы, с двояковыпуклой линзой. образуя точку фокусировки внутри телескопа, но свет продолжает достигать окуляр.
Как и в микроскопах, у них есть еще одна линза в окуляре, чтобы убедиться, что захваченный свет находится в фокусе, когда он достигает вашего глаза. Другой основной тип телескопов - телескоп с рефлектором, в котором вместо линз используются зеркала, которые собирают свет и направляют его в ваш глаз. Зеркало вогнутое, поэтому оно фокусирует свет на реальное изображение на той же стороне зеркала, что и объект.