Рассмотрим теперь, другой случай, имеющий большое практическое значение. Большинство линз, которыми — мы пользуемся, имеет не одну, а две поверхности раздела. К чему это приводит? Пусть имеется стеклянная линза, ограниченная поверхностями с разной кривизной (фиг. 27.5). Рассмотрим задачу о фокусировании пучка света из точки О в точку О’. Как это сделать? Сначала используем формулу (27.3) для первой поверхности, забыв о второй поверхности. Это позволит нам установить, что испускаемый в точке О свет будет казаться сходящимся или расходящимся (в зависимости от знака фокусного расстояния) из некоторой другой точки, скажем О’. Решим теперь вторую часть задачи. Имеется другая поверхность между стеклом и воздухом, и лучи подходят к ней, сходясь к точке О’. Где они сойдутся на самом деле? Снова воспользуемся той же формулой! Находим, что они сойдутся к точке О». Таким образом можно пройти, если необходимо, через 75 поверхностей, последовательно применяя одну и ту же формулу и переходя от одной поверхности к другой!
Имеются еще более сложные формулы, которые могут нам помочь в тех редких случаях нашей жизни, когда нам почему-то нужно проследить путь света через пять поверхностей. Однако если уж это необходимо, то лучше последовательно перебрать пять поверхностей, чем запоминать кучу формул, ведь может случиться, что нам вообще не придется возиться с поверхностями!
Во всяком случае, принцип расчета таков: при переходе через одну поверхность мы находим новое положение, новую точку фокуса и рассматриваем ее как источник для следующей
поверхности и т. д. Часто в системах бывает несколько сортов стекла с разными показателями n 1 , n 2 , … ; поэтому для конкретного решения задачи нам нужно обобщить формулу (27.3) на случай двух разных показателей n 1 , n 2 . Нетрудно показать, что обобщенное уравнение (27.3) имеет вид
Особенно прост случай, когда поверхности близки друг к другу и ошибками из-за конечной толщины можно пренебречь. Рассмотрим линзу, изображенную, на фиг. 27.6, и поставим такой вопрос: каким условиям должна удовлетворять линза, чтобы пучок из О фокусировался в О’? Пусть свет проходит точно через край линзы в точке Р. Тогда (пренебрегая временно толщиной линзы Т с показателем преломления n 2) излишек времени на пути ОРО’ будет равен (n 1 h 2 /2s) + (n 1 h 2 /2s’). Чтобы уравнять время на пути ОРО’ и время на прямолинейном пути, линза должна обладать в центре такой толщиной Т, чтобы она задерживала свет на нужное время. Поэтому толщина линзы T должна удовлетворять соотношению
Можно еще выразить Т через радиусы обеих поверхностей R 1 и R 2 . Учитывая условие 3 (приведенное на стр. 27), мы находим для случая R 1 < R 2 (выпуклая линза)
Отсюда получаем окончательно
Отметим, что, как и раньше, когда одна точка находится на бесконечности, другая будет расположена на расстоянии, которое мы называем фокусным расстоянием f. Величина f определяется равенством
где n = n 2 /n 1 .
В противоположном случае, когда s стремится к бесконечности, s’ оказывается на фокусном расстоянии f’. Для нашей линзы фокусные расстояния совпадают. (Здесь мы встречаемся еще с одним частным случаем общего правила, по которому отношение фокусных расстояний равно отношению показателей преломления тех двух сред, где лучи фокуси-руются. Для нашей оптической системы оба показателя одинаковы, а поэтому фокусные расстояния равны.)
Забудем на время формулу для фокусного. расстояния. Если вы купили линзу с неизвестными радиусами кривизны и каким-то показателем преломления, то фокусное расстояние можно просто измерить, собирая в фокус лучи, идущие от удаленного источника. Зная f, удобнее переписать нашу формулу сразу в терминах фокусного расстояния
Давайте посмотрим теперь, как работает эта формула и что из нее получается в разных случаях. Во-первых, если одно из расстояний s и s’ бесконечно, другое равно f. Это условие означает, что параллельный пучок света фокусируется на расстоянии f и может использоваться на практике для определения f. Интересно также, что обе точки движутся в одну сторону. Если одна идет направо, то и вторая движется в ту же сторону. И наконец, если s и s’ одинаковы, то каждое из них равно 2f.
Приборы и принадлежности : оптическая скамья, осветитель с матовым или молочным стеклом, ползушка с линзой, экран, собирающая и рассеивающая линзы, линейка с миллиметровыми делениями.
Цель работы : определение фокусного расстояния собирающей линзы.
Краткая теория
Ввиду малости световых волн (диапазон видимого спектра 400-700 нм), оказывается возможным выделить из широкого потока света сравнительно узкую ее часть без существенного нарушения прямолинейности распространения, вследствие дифракции. Такой прямолинейно распространяющийся узкий пучок света называется световым лучом. Световыми лучами можно управлять с помощью линз, зеркал, призм и т.д.
Линзой называется прозрачное тело, ограниченное двумя сферическими поверхностями. Линия, проходящая через центры этих поверхностей, называется главной оптической осью . В дальнейшем мы будем иметь в виду лучи, проходящие вблизи главной оптической оси (параксиальные лучи). Все лучи, параллельные главной оптической оси, пересекаются в одной и той же точке оси F - главном фокусе . Точка линзы (точка O на рис. 1), проходя через которую лучи не изменяют своего направления, называется оптическим центром линзы . Расстояние между главным фокусом и оптическим центром называется главным фокусным расстоянием .
В формулах, связывающих геометрические параметры оптической системы, принято правило знаков, согласно которому линейные размер считается отрицательным, если отрезок, его выражающий, располагается по ту сторону линзы, откуда распространяется свет и положительным, если отрезок лежит в стороне, куда распространяется свет. В первом случае значение величины входит в формулу со знаком минус (например: s = -|s| на рис. 1), во втором - со знаком плюс (s 1 = |s 1 | ). Таким образом, все отрезки в оптической системе являются алгебраическими величинами.
На рис. 1 показаны основные точки оптической системы и даны основные определения: AA 1 - главная оптическая ось; F и F 1 - передний и задний фокусы оптической системы; f и f 1 - переднее и заднее фокусные расстояния; s и s 1 - расстояния от линзы до предмета и до изображения; y и y 1 - поперечные размеры предмета и изображения.
Величину Φ=1/f 1 называют оптической силой линзы , которую измеряют в диоптриях (дптр): 1 дтпр = 1 м -1 . Величину β = y 1 /y называют линейным или поперечным увеличением линзы . Можно показать, что β = s 1 /s .
Фокусное расстояние можно вычислить по формуле:
где f 1 - заднее фокусное расстояние, n - показатель преломления вещества линзы; R 1 и R 2 - радиусы сферических поверхностей линзы.
Плоскость, проходящая через главный фокус перпендикулярно главной оптической оси, называется фокальной плоскостью . В точках этой плоскости (побочных фокусах), пересекаются пучки параллельных лучей, идущих под некоторым углом к главной оптической оси.
Определение знака фокусного расстояния подчиняется правилу знаков. При построение изображений, получаемых с помощью собирающих линз, пользуются фокусами от линзы со стороны, противоположной предмету. Поэтому фокусное расстояние собирающей линзы имеет положительное значение. При построении мнимых изображений, получаемых с помощью рассеивающих линз, используется фокус, лежащий от линзы по туже сторону, что и предмет. Поэтому фокусное расстояние рассеивающей линзы имеет отрицательное значение.
Описание аппаратуры и метода измерений
Горизонтальная оптическая скамья составлена из двух параллельных металлических стержней, свободно входящих своими концами в трубки, благодаря чему скамья может быть раздвинута на необходимую длину. Так как стержни и трубки имеют различную толщину, то прибор снабжен ползунками двойного рода: одни предназначены для стержней, другие для трубок.
На одном из концов скамьи установлен экран с круглым осветителем, на котором изображена стрелка, служащая предметом. Отверстие со стрелкой освещается фонарем, снабженным матовым стеклом.
Изображение A 1 B 1 (A 2 B 2) предмета AB , полученное с помощью линзы, рассматривается на экране, помещенном на противоположном конце скамьи. Линзы устанавливаются на такой высоте, при которой перекресток оказывается лежащим на уровне главной оптической оси линзы. Плоскость экрана должна быть перпендикулярна этой оси. Расстояние между приборами измеряется при помощи линейки с миллиметровыми делениями, прикрепленной к скамье.
Главное фокусное расстояние линзы можно определить непосредственно, измеряя расстояние от линзы до предмета и до изображения, воспользовавшись затем уравнением (1).
Однако величины s и s 1 измерить точно нельзя, в силу того, что в общем случае оптический центр линзы не совпадает с центром симметрии и найти его положение трудно.
Рис. 2
Поэтому мы будем пользоваться более совершенным методом, называемым методом Бесселя. Сущность этого метода заключается в следующем. Если расстояние L от предмета до экрана больше 4f , то всегда можно найти два таких положения линзы (рис. 2), при котором на экране получается отчетливые изображения предмета: в одном случае - рис. 2a) - увеличенное, в другом - рис. 2b) - уменьшенное.
В первом положении линзы можно выразить фокусное расстояние, пользуясь формулой (1), соблюдая при этом правило знаков (обозначения указаны на рис.2):
(2)
Аналогично для второго положения:
(3)
Каждая из сумм в знаменателе правой части равенства (2) и (3) равна расстоянию L между предметом и экраном, поэтому:
В таком случае должны быть равны и числители правой части равенств (2) и (3)
(5)
Однако совместное существование равенств (4) и (5) возможно лишь при условии, если s=t , s 1 =t 1 или s=t 1 , t=s 1 . Первое невозможно по условию опыта. Следовательно, остается в силе лишь второе условие.
Обозначим расстояние между оптическими центрами линзы в I и II положениях через l . Тогда из рис. 2 видно, что
Расстояние
Воспользовавшись формулой (2), выразим фокусное расстояние линзы:
Задача, таким образом, сводится к измерению перемещения любой точки линзы или даже подставки, на которой линза закреплена.
Порядок выполнения работы
- Установить предмет и экран на расстоянии L (по указанию преподавателя), поместить между ними линзу и, передвигая её, добиться получения на экране вполне отчетливого изображения (например, увеличенного). Отметить по шкале положение линзы или какой-нибудь точки ползунка относительно экрана (или предмета)
- Передвигая линзу, добиться второго отчетливого изображения предмета (уменьшенного) и вновь отметить положение линзы на шкале.
- Измерить расстояние l между отметками, соответствующими двум положениям линзы.
- Установки и измерения повторить 5 раз.
- Изменить расстояние L между экраном и предметом.
- Все результаты измерения занести в таблицу 1.
| N опыта | l , см | Δl , см | L , см | ΔL , см |
|---|---|---|---|---|
| Среднее |
Определение главного фокусного расстояния рассеивающей линзы
Приборы и принадлежности : оптическая скамья, осветитель с матовым стеклом, ползушка с рассеивающей линзой, линейка с миллиметровыми делениями.
Цель работы : определение фокусного расстояния рассеивающей линзы.
Описание метода
Рис. 3
Если на пути лучей, выходящих из точки М и сходящихся после преломления в линзе BB в точке D (рис. 3), поставить рассевающую линзу СС так, чтобы её расстояние от точки D было меньше её фокусного расстояния, то изображение точки М удалиться от линзы ВВ , переместившись в точку Е .
Основываясь на принципе обратимости световых лучей в системах линз, мы можем рассматривать лучи, изображенные на рис. 3, как выходящие из точки Е и собирающиеся в точке М . Тогда точка D будет мнимым изображением точки Е после преломления лучей в рассевающей линзе СС .
Обозначая расстояния точек Е и D от линзы до СС соответственно через s и s" можно, пользуясь формулой (1), вычислить фокусное расстояние рассеивающей линзы, учитывая при этом, что, согласно правилу знаков, числовые значения s и s" войдут в формулу (1) со знаком минус.
Порядок выполнения работы
- Поместить на оптическую скамью линзу и экран. Передвигая экран, добиться отчетливого изображения предмета.
- Установить между собирающей линзой и экраном рассеивающую линзу и, смещая экран в сторону свободного конца скамьи, убедиться в возможности получения при данном расположении приборов отчетливого действительного изображения с рассеивающей линзой.
- После этого снять рассеивающую линзу и, вновь передвигая экран, получить резкое изображение с одной собирающей линзой.
- Изменить расстояние МD , соответствующее первому положению экрана. Сдвинуть экран и установить вновь. Произвести повторное измерение. Установку экрана и измерения повторить 5 раз.
- Поставить на скамью рассеивающую линзу и, сдвигая экран, вновь получите резкое изображение предмета.
- Измерить расстояния от предмета до рассеивающей линзы и нового положения экрана. Установку и измерения повторить 5 раз.
Обработка результатов измерений
| N опыта | L 0 , см | ΔL 0 , см | L 1 , см | ΔL 1 , см | L 2 , см | ΔL 2 , см |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Среднее |
Контрольные вопросы
- Что называется главным фокусным расстоянием линзы?
- В чем состоит правило знаков?
- Напишите формулу тонкой линзы.
- Объясните способ Бесселя. В чем его преимущество?
- В чем заключается принцип обратимости световых лучей?
Литература
- Савельев И.В. Курс общей физики. - М.: Наука, 1998, т. 4, §3.6, §3.7, §3.8.
- Иродов И.Е. Волновые процессы. Основные законы. - М.: Лаборатория Базовых Знаний, 1999, §3.3
Фо́кусное расстоя́ние - физическая характеристика оптической системы. Для центрированной оптической системы, состоящей из сферических поверхностей, описывает способность собирать лучи в одну точку при условии, что эти лучи идут из бесконечности параллельным пучком параллельно оптической оси.
Для системы линз, как и для простой линзы конечной толщины, фокусное расстояние зависит от радиусов кривизны поверхностей, показателей преломления стёкол и толщин.
Определяется как расстояние от передней главной точки до переднего фокуса (для переднего фокусного расстояния), и как расстояние от задней главной точки дозаднего фокуса (для заднего фокусного расстояния). При этом, под главными точками подразумеваются точки пересечения передней (задней) главной плоскости соптической осью.
Величина заднего фокусного расстояния является основным параметром, которым принято характеризовать любую оптическую систему.
Парабола (или параболоид вращения) фокусирует параллельный пучок лучей в одну точку
Фо́кус (от лат. focus - «очаг») оптической (или работающей с другими видами излучения) системы - точка, в которой пересекаются («фокусируются» ) первоначально параллельные лучи после прохождения через собирающую систему (либо где пересекаются их продолжения, если система рассеивающая). Множество фокусов системы определяет её фокальную поверхность. Главный фокус системы является пересечением её главной оптической оси и фокальной поверхности. В настоящее время , вместо термина главный фокус (передний или задний) используются термины задний фокус и передний фокус .
Опти́ческая си́ла - величина, характеризующая преломляющую способность осесимметричных линз и центрированных оптических систем из таких линз. Измеряется оптическая сила в диоптриях (в СИ): 1 дптр=1 м -1 .
Обратно пропорциональна фокусному расстоянию системы:
где - фокусное расстояние линзы.
Оптическая сила положительна у собирающих систем и отрицательна в случае рассеивающих.
Оптическая сила системы, состоящей из двух находящихся в воздухе линз с оптическими силами и, определяется формулой :
где - расстояние между задней главной плоскостью первой линзы и передней главной плоскостью второй линзы. В случае тонких линзсовпадает с расстоянием между линзами.
Обычно оптическая сила используется для характеристики линз, используемых в офтальмологии, в обозначениях очков и для упрощённого геометрического определения траектории луча.
Для измерения оптической силы линз используют диоптриметры , которые позволяют проводить измерения в том числе астигматических и контактных линз.
18. Формула сопряжённых фокусных расстояний. Построение изображения линзой.
Сопряжённое фо́кусное расстоя́ние - расстояние от задней главной плоскости объектива до изображения объекта, когда объект расположен не в бесконечности, а на некотором расстоянии от объектива. Сопряженное фокусное расстояние всегда большефокусного расстояния объектива и тем больше, чем меньше расстояние от объекта допередней главной плоскости объектива . Эта зависимость приведена в таблице, в которой расстоянияивыражены в величинах.
|
Изменение величины сопряженного фокусного расстояния |
|
|
Расстояние до объекта R |
Расстояние до изображения d |
Для линзы эти расстояния связаны отношением, непосредственно следующим из формулы линзы:
или, если d и R выразить в величинах фокусного расстояния :
б) Построение изображения в линзах .
Для построения хода луча в линзе применяются те же законы, что и для вогнутого зеркала. Луч, параллельный оси , проходит через фокус и наоборот. Центральный луч (луч, идущий через оптический центр линзы) проходит через линзу без отклонения ; в толстых
линзах
он немного смещается параллельно самому
себе (как в плоскопараллельной пластинке,
см. рис. 214). Из обратимости хода лучей
следует, что каждая линза имеет два
фокуса, которые находятся на одинаковых
расстояниях от линзы (последнее верно
лишь для тонких линз). Для тонких
собирающих линз и центральных лучей
справедливы следующие законы
построения изображений
:
g > 2F ; изображение обратное, уменьшенное, действительное, b > F (рис.221).
g = 2F ; изображение обратное, равное, действительное, b = F .
F < g < 2F ; изображение обратное, увеличенное, действительное, b > 2F .
g < F ; изображение прямое, увеличенное, мнимое, - b > F .
При g < F лучи расходятся, на продолжении пересекаются и дают мнимое
изображение. Линза действует как увеличительное стекло (лупа).
Изображения в рассеивающих линзах всегда мнимые, прямые и уменьшенные (рис.223).
Собирающая линза — это оптическая система, которая представляет собой подобие сплющенной сферы, у которой толщина краев меньше, чем оптического центра. Для того, чтобы правильно произвести построение изображения в собирающей линзе нужно учитывать несколько важных моментов, которые сыграют ключевую роль как в построении, так и в полученном изображении предмета. Многие современные приборы работают на этих простых принципах, используя свойства собирающей линзы и геометрию построения изображения предмета.
Появилось еще в 20 веке, слово пришло с латыни. Обозначало стекло с выпуклым или вогнутым центром. Спустя небольшой промежуток времени стало активно применяться в физике и получило свое массовое распространение с помощью науки и приборам, которые были сделаны на ее основе. Схема собирающей линзы представляет собой систему из двух сплюснутых у краев полусфер, которые соединены между собой ровной стороной и имеют одинаковый центр.
Фокус собирающей линзы — это место, где все проходящие лучи света пересекаются. Эта точка является очень важной при построении.
Фокусное расстояние собирающей линзы — это не что иное, как отрезок от принятого центра линзы до фокуса.
Из-за того, где именно на оптической оси будет располагаться предмет, который предстоит построить, можно получить несколько типичных вариантов. Первое, что следует рассмотреть, это случай, когда предмет находится прямо на фокусе. В этом случае построить изображение просто не удастся, так как лучи будут идти параллельно друг другу. Поэтому получить решение невозможно. Это своего рода аномалия в построении изображения предмета, которая обосновывается геометрией.
Построение изображения тонкой собирающей линзой не составляет особого труда, если использовать правильный подход и алгоритм, благодаря которому можно получить изображение любого предмета. Для построения изображения предмета достаточно двух основных точек, используя которые не составит труда спроектировать полученное в результате преломления света в собирающей линзе изображение. Стоит отметить главные моменты при построении, без которых невозможно будет обойтись:
- Линия, проходящая через центр линзы считается лучом, который во время прохождения через линзу изменяет свое направление крайне незначительно
- Линия, проведенная параллельно ее главной оптической оси, которая после преломления в линзе проходит через фокус собирающей линзы
Обратите внимание, что информация о том, как рассчитывается формула оптической линзы доступна по этому адресу: .
Построение изображения в собирающей линзе фото
Ниже приводим фотографии по теме статьи «Построение изображения в собирающей линзе». Для открытия галереи фотографий достаточно нажать на миниатюру изображения.
Видеоурок 2:
Рассеивающая линза - Физика в опытах и экспериментах
Лекция: Собирающие и рассеивающие линзы. Тонкая линза. Фокусное расстояние и оптическая сила тонкой линзы
Линза. Виды линз
Как известно, все физические явления и процессы используются при проектировании техники и иного оборудования. Преломление света не является исключением. Данное явление получило применение при изготовлении камер, биноклей, а также человеческий глаз также является неким оптическим прибором, способным изменять ход лучей. Для этого используется линза.
Линза - это прозрачное тело, которое ограничено с двух сторон сферами.
В школьном курсе физики рассматриваются линзы, выполненные из стекла. Однако, могут использоваться и другие материалы.
Существует несколько основных видов линз, выполняющих определенные функции.
Двояковыпуклая линза
Если линзы выполнены из двух выпуклых полусфер, то они называются двояковыпуклыми. Давайте рассмотрим, как ведут себя лучи при прохождении через такую линзу.
На рисунке A 0 D - это основная оптическая ось. Это луч, что проходит через центр линзы. Относительно данной оси линза симметрична. Все остальные лучи, что проходят через центр, называются побочными осями, относительно их симметрия не наблюдается.
Рассмотрим падающий луч АВ , который из-за перехода в другую среду преломляется. После того, как преломленный луч касается второй стенки сферы, он преломляется еще раз до пересечения с главной оптической осью.
Отсюда можно сделать вывод, что если некоторый луч шел параллельно главной оптической оси, то после прохождения через линзу он пересечет главную оптическую ось.
Все лучи, которые находятся неподалеку от оси, пересекаются в одной точке, создавая пучок. Те лучи, что далеки от оси, пересекаются в месте, находящемся ближе к линзе.
Явление, при котором лучи собираются в одной точке, называется фокусировкой , а точка фокусировки - это фокус .
Фокус (фокусное расстояние) обозначается на рисунке буквой F .
Линза, в которой лучи собираются в одной точке за ней, называется собирающей. То есть двояковыпуклая линза является собирающей .
Любая линза имеет два фокуса - они находятся перед линзой и за ней.
Двояковогнутая линза
Линза, выполненная из двух вогнутых полусфер, называется двояковогнутой .
Как видно из рисунка, лучи, попавшие на такую линзу, преломляются, и на выходе не пересекают ось, а наоборот, стремятся от нее.
Отсюда можно сделать вывод, что такая линза рассеивает, и поэтому называется рассеивающей .
Если лучи, что рассеялись, продолжить перед линзой, то они соберутся в одной точке, которая называется мнимым фокусом .
Собирающие и рассеивающие линзы могут принимать и другие виды, что указаны на рисунках.
1 - двояковыпуклая;
2 - плосковыпуклая;
3 - вогнуто-выпуклая;
4 - двояковогнутая;
5 - плосковогнутая;
6 - выпукло-вогнутая.
В зависимости от толщины линзы, она может либо сильнее, либо слабее преломлять лучи. Чтобы определить, насколько сильно преломляет линза, ввели величину, которая называется оптической силой .
D - оптическая сила линзы (или системы линз);
F - фокусное расстояние линзы (или системы линз).
[D] = 1 дптр . Единицей оптической силы линзы является диоптрия (м -1).
Тонкая линза
При изучении линз мы будем пользоваться понятием тонкой линзы.
Итак, рассмотрим рисунок, на котором изображена тонкая линза. Так вот тонкой линзой называется та, у которой толщина достаточно мала. Однако, для физических законов недопустима неопределенность, поэтому термин "достаточно" использовать рискованно. Считается, что линзу можно назвать тонкой в том случае, когда толщина меньше, чем радиусы двух сферических поверхностей.
Loading...