Собирающие и рассеивающие линзы
Наиболее важное применение преломления света – это использование линз, которые обычно делают из стекла. На рисунке вы видите поперечные разрезы различных линз. Линзой называют прозрачное тело, ограниченное сферическими или плоско-сферическими поверхностями. Всякая линза, которая в средней части тоньше, чем по краям, в вакууме или газе будет рассеивающей линзой. И наоборот: всякая линза, которая в средней части толще, чем по краям, будет собирающей линзой.
Для пояснений обратимся к чертежам. Слева показано, что лучи, идущие параллельно главной оптической оси собирающей линзы, после неё «сходятся», проходя через точку F – действительный главный фокус собирающей линзы. Справа показано прохождение лучей света через рассеивающую линзу параллельно её главной оптической оси. Лучи после линзы «расходятся» и кажутся исходящими из точки F’, называемой мнимым главным фокусом рассеивающей линзы. Он не действительный, а мнимый потому, что через него лучи света не проходят: там пересекаются лишь их воображаемые (мнимые) продолжения.
В школьной физике изучаются только так называемые тонкие линзы, которые вне зависимости от их симметричности «в разрезе» всегда имеют два главных фокуса, расположенные на равных расстояних от линзы. Если лучи направлять под углом к главной оптической оси, то мы обнаружим множество других фокусов у собирающей и/или рассеивающей линзы. Эти, побочные фокусы, будут находиться в стороне от главной оптической оси, но по-прежнему попарно на равных расстояниях от линзы.
Линзой можно не только собирать или рассеивать лучи. При помощи линз можно получать увеличенные и уменьшенные изображения предметов. Например, благодаря собирающей линзе на экране получается увеличенное и перевёрнутое изображение золотой статуэтки (см. рисунок).
Опыты показывают: отчётливое изображение возникает, если предмет, линза и экран расположены на определённых расстояниях друг от друга. В зависимости от них изображения могут быть перевёрнутыми или прямыми, увеличенными или уменьшенными, действительными или мнимыми.
Ситуация, когда расстояние d от предмета до линзы больше её фокусного расстояния F, но меньше двойного фокусного расстояния 2F, описана во второй строке таблицы. Именно это мы и наблюдаем со статуэткой: её изображение действительное, перевёрнутое и увеличенное.
| Изображения, даваемые собирающей линзой | |||
| d 2F | уменьшенное | перевёрнутое | действительное |
Если изображение действительное, его можно спроецировать на экран. При этом изображение будет видно из любого места комнаты, из которого виден экран. Если изображение мнимое, то его нельзя спроецировать на экран, а можно лишь увидеть глазом, располагая его определённым образом по отношению к линзе (нужно смотреть «в неё»).
Опыты показывают, что рассеивающие линзы дают уменьшенное прямое мнимое изображение при любом расстоянии от предмета до линзы.
Изображения, даваемые линзой
Урок 43. Физика 8 класс (ФГОС)
В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам
Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобрев в каталоге.
Получите невероятные возможности
Конспект урока «Изображения, даваемые линзой»
На прошлом уроке мы с вами говорили о том, что линза — это прозрачное тело, ограниченное криволинейными (чаще всего сферическими) или криволинейной и плоской поверхностями. Она служит для управления световыми пучками, а именно для изменения направления лучей.
До сих пор мы с вами не знаем, как построить изображение предмета в тонкой линзе? Ответу на этот вопрос и будет посвящён наш урок.
Для начала рассмотрим, как получить изображения точечного источника света в собирающей и рассеивающей линзах. Для этого мы с вами будем в основном пользоваться тремя «удобными лучами» — это лучи, ход которых после прохождения через линзу нам заранее известен:
1) лучи, идущие параллельно главной оптической оси, так как после преломления в линзе, они проходят через её главный фокус (или проходят их продолжения).
2) из закона обратимости световых лучей следует, что лучи, которые идут к линзе через её фокус, после преломления будут направлены параллельно главной оптической оси — это второй набор лучей.
3) третий набор лучей выбираем исходя из того, что лучи, проходящие через оптический центр линзы, не меняют своего направления.
Точка пересечения преломлённых лучей в собирающей линзе или их продолжений в рассеивающей, и даёт нам положение изображения точечного источника света.
Усложним задачу. Пусть точечный источник света располагается на главной оптической оси линзы. Найдём, где образуется изображение:
Изображение в собирающей линзе будет являться действительным, так как оно получилось на пересечении самих преломлённых лучей, а в рассеивающей — мнимым, так как оно получено на пересечении продолжений преломлённых лучей.
Теперь рассмотрим, как строятся изображения протяжённых предметов, находящихся на разных расстояниях от собирающей линзы.
Для начала рассмотрим случай, когда предмет находится за двойным фокусом линзы:
Охарактеризуем полученное изображение. Во-первых, оно действительное, так как получилось на пересечении преломлённых лучей. Во-вторых, оно перевёрнутое. И в-третьих, как можно видеть из построения, оно уменьшенное.
Обратите внимание, что если предмет расположен перпендикулярно главной оптической оси, то и его изображение также будет перпендикулярно ей. Зная это, мы сможем построить изображение точки B и опустить перпендикуляр на главную оптическую ось, что мы и будем делать в дальнейшем.
Аналогичным способом, можно построить и охарактеризовать изображение предмета, находящегося на других расстояниях от линзы.
Предмет расположен во втором фокусе линзы.
Предмет находится между первым и вторым фокусом линзы.
Такие изображения получаются, например, на экране кинотеатра. Оно увеличенное — экран намного больше плёнки, на которой записан фильм. На экране реально существует светящаяся картинка. А чтобы фильм не шёл вверх ногами, потому что изображение перевёрнутое, в проекторе стоит система линз, каждая из которых вносит свой вклад в изменение хода лучей.
Построим изображение предмета, находящегося в главном фокусе линзе.
Как видим, преломлённые линзой лучи не пересекаются, как и не пересекаются их продолжения. Следовательно, изображения в этом случае нет.
И нам осталось рассмотреть последний случай, когда предмет находится между главным фокусом и линзой.
Обратите внимание, что в этом случае преломлённые лучи расходятся, а пересекаться будут только их продолжения. Поэтому изображение предмета будет мнимым, увеличенным, прямым и находиться со стороны изображаемого предмета.
Такое изображение мы получаем, например, когда пользуемся увеличительным стеклом для рассмотрения мелких объектов. Получается прямое увеличенное изображение, которое нам видно намного лучше, чем сам предмет. Но, заглянув за увеличительное стекло, увидим, что на самом деле этого увеличенного предмета там нет, то есть изображение мнимое.
При построении изображения действительного предмета в рассеивающей линзе поступают точно так же, как и в случае с собирающей. Единственное отличие состоит в том, что у рассеивающей линзы фокус мнимый.
Изображение, даваемое рассеивающей линзой, всегда мнимое, прямое, уменьшенное и находится между линзой и её фокусом со стороны изображаемого предмета.
Теперь выведем формулу, которая свяжет три величины — расстояние от предмета до линзы, расстояние от линзы до изображения и фокус линзы. Для этого рассмотрим собирающую линзу, предмет АВ и его изображение в этой линзе A’B’.
В общем виде, формула тонкой линзы записывается следующим образом: сумма величин, обратных расстояниям от предмета до линзы и от линзы до изображения, равна величине, обратной фокусному расстоянию:
Для практического использования формулы тонкой линзы, нам следует запомнить правило знаков:
для собирающей линзы, действительных источника и изображения, фокусное расстояние, расстояние от предмета до линзы и от линзы до изображения считают положительными;
для рассеивающей линзы, мнимых источника и изображения, фокусное расстояние, расстояние от предмета до линзы и от линзы до изображения считают отрицательными.
Стоит сразу отметить, что предмет или источник является мнимым только в том случае, если на линзу падает пучок сходящихся лучей, продолжения которых пересекаются в одной точке.
Как вы могли заметить, чаще всего, изображение, получаемое с помощью тонкой линзы, отличается своими размерами от предмета. Так вот, это различие между размерами предмета и размерами его изображения принято характеризовать линейным (или поперечным) увеличением линзы.
Если обозначить размеры предмета h, а размеры изображения — H, то линейное увеличение линзы равно отношению линейного размера изображения к линейному размеру предмета:
Линзы и получение изображений с помощью линз
Содержание:
На странице -> решение задач по физике собраны решения задач и заданий с решёнными примерами по всем темам физики.
Линзы и получение изображений с помощью линз
При помощи рассеивающей линзы невозможно получить действительное изображение. Изображение, даваемое рассеивающей линзой, является мнимым, прямым и уменьшенным, и не зависит от взаиморасположения линзы и предмета. При всех построениях лучей, проходящих через тонкую линзу, нужно лишь знать расположение оптического центра и главных фокусов.
Собирающие и рассеивающие линзы. Оптические оси. Оптический центр линзы
Для получения изображений различного вида в оптических приборах очень часто используют линзы.
Линза представляет собой прозрачное тело, ограниченное двумя гладкими выпуклыми или вогнутыми поверхностями (одна из них может быть плоской). Чаще всего поверхности линзы делают сферическими, а саму линзу изготовляют из специальных сортов стекла, например флинтгласа, или других веществ с подходящим показателем преломления. Линзы подразделяются на выпуклые (рис. 30.1, а —в), которые толще к середине, и вогнутые (рис. 30.1, г—в), которые к середине тоньше.
Прямую, которая проходит через сферические центры кривизны поверхностей линзы С1 и С2 или через сферический центр С перпендикулярно к плоской поверхности линзы, называют главной оптической осью линзы. Световой луч, направленный вдоль оптической оси, проходит линзу не преломляясь. (Почему?)
Изменения в ходе лучей, создаваемые линзой, легко выяснить на модели из призм (рис. 30.2). Призмы можно подобрать так, что параллельные лучи, пройдя их, соберутся почти все в одной точке Ф (рис. 30.2, а). Если эти призмы сложить вплотную, то они образуют тело, по форме близкое к выпуклой линзе. Оказывается, выпуклая линза обладает свойством собирать параллельные лучи в одной точке. Поэтому выпуклые линзы называют собирающими.
Модель действия вогнутой линзы изображена на рис. 30.2, б. (Объясните, почему вогнутые линзы называют рассеивающими.)
Внутри каждой линзы на главной оптической оси имеется точка О (рис. 30.3), которая замечательна тем, что проходящий через нее луч идет после выхода из линзы в том же направлении, что и до линзы. Точку О называют оптическим центром линзы.
Плоскости, проведенные через точки А и В, параллельны. Следовательно, луч, проходящий через точку О, идет в линзе так же, как и в плоскопараллельной пластинке, т. е. смещается параллельно самому себе, не изменяя своего направления. Поскольку это смещение луча тем меньше, чем тоньше пластинка, то в достаточно тонких линзах этим смещением луча можно пренебречь, особенно если луч составляет малый угол в главной оптической осью линзы. В дальнейшем будем! рассматривать только тонкие линзы небольших размеров, в которые попадают лишь лучи, составляющие маленький угол с главной оптической осью линзы. Условные изображения тонких линз показаны на рис. 30.4 (а — собирающая, б — рассеивающая линза). Можно считать, что в тонких линзах луч, который проходит через оптический центр линзы, не преломляется. Всякую прямую, которая проходит через оптический центр линзы О (кроме главной оптической оси), называют побочной оптической осью (КМ, К’М’ на рис. 30.5).
Главные фокусы и фокальные плоскости линзы
Если на собирающую линзу направить пучок лучей, параллельных ее главной оптической оси, то они соберутся в точке Ф с другой стороны линзы (рис. 30.6, а). У рассеивающей линзы такие лучи после линзы идут расходящимся пучком (рис. 30.6, б), но таким образом, что их продолжения сходятся в одной точке Ф.
Точку Ф на главной оптической оси линзы, в которой сходятся лучи, идущие до преломления в линзе параллельно ее главной оптической оси, называют главным фокусом линзы. Из сказанного выше следует, что у собирающих линз главный фокус действительный, а у рассеивающих — мнимый. У каждой линзы имеется два главных фокуса, расположенных симметрично относительно ее оптического центра О. Расстояние F между главным фокусом линзы и ее оптическим центром называют главным фокусным расстоянием. Если главный фокус действительный, то F считают положительным, а если мнимый — отрицательным.
Когда лучи падают на линзу параллельно ее побочной оси, например АО (рис. 30.7), то после преломления в линзе они собираются на этой же оси в одной точке В, которую называют фокусом линзы. Очевидно, различных фокусов у линзы имеется множество, но, как показывает опыт, все они расположены в фокальной плоскости КМ. Фокальной называют плоскость, которая перпендикулярна главной оптической оси линзы и проходит через ее главный фокус. Каждая линза имеет две фокальные плоскости.
Итак, лучи, которые параллельны любой оптической оси линзы, собираются после преломления в точке пересечения этой оси с фокальной плоскостью линзы (рис. 30.7, а). У собирающей линзы фокальные плоскости действительные, а у рассеивающей — мнимые (рис. 30.7, б).
Оптическая сила линзы
Положение главного фокуса оказывает существенное влияние на размеры и вид изображений, полученных с помощью линзы.
Величину D, которая характеризует оптические свойства линзы, определяемые положением ее главного фокуса на оптической оси, называют оптической силой линзы. Оптическая сила линзы измеряется числом, обратным главному фокусному расстоянию этой линзы F:
(30.1)
Единица оптической силы из (30.1):
В СИ за единицу оптической силы принимается диоптрия (дптр) — оптическая сила такой линзы, главное фокусное расстояние которой равно одному метру. Оптическую силу собирающих линз (как и фокусное расстояние F) условились считать положительной, а рассеивающих — отрицательной.
Оптическая сила линзы определяется кривизной ее поверхностей, а также показателем преломления ее вещества относительно окружающей среды и может быть вычислена по формуле
(30.2)
где R1 и R2 — радиусы сферических поверхностей линзы, a n — показатель преломления вещества линзы относительно среды, в которой находится эта линза. При вычислениях числовое значение R для выпуклой поверхности линзы следует считать положительным, а для вогнутой — отрицательным. Заметим, что при n
Присылайте задания в любое время дня и ночи в ➔ 
Официальный сайт Брильёновой Натальи Валерьевны преподавателя кафедры информатики и электроники Екатеринбургского государственного института.
Все авторские права на размещённые материалы сохранены за правообладателями этих материалов. Любое коммерческое и/или иное использование кроме предварительного ознакомления материалов сайта natalibrilenova.ru запрещено. Публикация и распространение размещённых материалов не преследует за собой коммерческой и/или любой другой выгоды.
Линза. Виды линз. Фокусное расстояние.
теория по физике 🧲 оптика
Мы уже познакомились с явлением преломления света на границе двух плоских сред. Но на практике особый интерес представляет явление преломления света на сферических поверхностях линз.
Линза — прозрачное тело, ограниченное сферическими поверхностями.
Какими бывают линзы?
По форме различают следующие виды линз:
Выпуклые линзы тоже имеют разновидности:
Разновидности вогнутых линз:
Тонкая линза
Мы будем говорить о линзах, у которых толщина l = AB намного меньше радиусов сферических поверхностей этой линзы R1 и R2. Такие линзы называют тонкими.
Тонкая линза — линза, толщина которой пренебрежимо мала по сравнению с радиусами сферических поверхностей, которыми она ограничена.
Главная оптическая ось тонкой — прямая, проходящая через центры сферических поверхностей линзы (на рисунке она соответствует прямой O1O2).
Оптический центр линзы — точка, расположенная в центре линзы на ее главной оптической оси (на рисунке ей соответствует точка О). При прохождении через оптический центр линзы лучи света не преломляются.
Побочная оптическая ось — любая другая прямая, проходящая через оптический центр линзы.
Изображение в линзе
Подобно плоскому зеркалу, линза создает изображения источников света. Это значит, что свет, исходящий из какой-либо точки предмета (источника), после преломления в линзе снова собирается в точку (изображение) независимо от того, какую часть линзы прошли лучи.
Оптическое изображение — картина, получаемая в результате действия оптической системы на лучи, испускаемые объектом, и воспроизводящая контуры и детали объекта.
Практическое использование изображений часто связано с изменением масштаба изображений предметов и их проектированием на поверхность (киноэкран, фотоплёнку, фотокатод и т. д.). Основой зрительного восприятия предмета является его изображение, спроектированное на сетчатку глаза.
Изображения разделяют на действительные и мнимые. Действительные изображения создаются сходящимися пучками лучей в точках их пересечения (см. рисунок а). Поместив в плоскости пересечения лучей экран или фотоплёнку, можно наблюдать на них действительное изображение.
Если лучи, выходящие из оптической системы, расходятся, но если их мысленно продолжить в противоположную сторону, они пересекутся в одной точке (см. рисунок б). Эту точку называют мнимым изображением точки-объекта. Она не соответствует пересечению реальных лучей, поэтому мнимое изображение невозможно получить на экране или зафиксировать на фотоплёнке. Однако мнимое изображение способно играть роль объекта по отношению к другой оптической системе (например, глазу или собирающей линзе), которая преобразует его в действительное.
Собирающая линза
Обычно линзы изготавливают из стекла. Все выпуклые линзы являются собирающими, поскольку они собирают лучи в одной точке. Любую из таких линз условно можно принять за совокупность стеклянных призм. В воздухе каждая призма отклоняет лучи к основанию. Все лучи, идущие через линзу, отклоняются в сторону ее главной оптической оси.
Если на линзу падают световые лучи, параллельные главной оптической оси, то при прохождении через нее они собираются на одной точке, лежащей на оптической оси. Ее называют главным фокусом линзы. У выпуклой линзы их два — второй главный фокус находится с противоположной стороны линзы. В нем будут собираться лучи, которые будут падать с обратной стороны линзы.
Главный фокус линзы обозначают буквой F.
Фокусное расстояние — расстояние от главного фокуса линзы до их оптического центра. Оно обозначается такой же букой F и измеряется в метрах (м).
В однородных средах главные фокусы собирающих линз находятся на одинаковом расстоянии от оптического центра.
Пример №1. Что произойдет с фокусным расстоянием линзы, если ее поместить в воду?
Вода — оптически более плотная среда, поэтому преломленные лучи будут располагаться ближе к перпендикуляру, восстановленному к разделу двух сред. Следовательно, фокусное расстояние увеличится. На рисунке лучам, выходящим из линзы в воздухе, соответствуют красные линии. Лучам, выходящим из линзы в воде — зеленые. Видно, что зеленые линии больше приближены к перпендикуляру, восстановленному к разделу двух сред, что соответствует закону преломления света.
Направим три узких параллельных пучка лучей от осветителя под углом к главной оптической оси собирающей линзы. Мы увидим, что пересечение лучей произойдет не в главном фокусе, а в другой точке (рисунок а). Но точки пересечения независимо от углов, образуемых этими пучками с главной оптической осью, будут располагаются в плоскости, перпендикулярной главной оптической оси линзы и проходящей через главный фокус (рисунок б). Эту плоскость называют фокальной плоскостью.
Поместив светящуюся точку в фокусе линзы (или в любой точке ее фокальной плоскости), получим после преломления параллельные лучи.
Если сместить источник дальше от фокуса линзы, лучи за линзой становятся сходящимися и дают действительное изображение.
Когда же источник света находится ближе фокуса, преломленные лучи расходятся и изображение получается мнимым.
Рассеивающая линза
Вогнутые линзы обычно являются рассеивающими (лучи, выходя из них, не собираются, а рассеиваются). Это бывает если, поместить вогнутую линзу в оптически менее плотную среду по сравнению с материалом, из которого изготовлена линза. Так, стеклянная линза в воздухе является рассеивающей.
Если направить на вогнутую линзы световые лучи, являющиеся параллельными главной оптической оси, то образуется расходящийся пучок лучей. Если провести их продолжения, то они пересекутся в главном фокусе линзы. В этом случае фокус (и изображение в нем) является мнимым. Этот фокус располагается на фокусном расстоянии, равном F.
Другой мнимый фокус находится по другую сторону линзы на таком же расстоянии при условии, что среда по обе стороны линзы одинаковая.
Оптическая сила линзы
Оптическая сила линзы — величина, характеризующая преломляющую способность симметричных относительно оси линз и центрированных оптических систем, состоящих из таких линз.
Обозначается оптическая сила линзы буквой D. Единица измерения — диоптрий (дптр). Оптической силой в 1 дптр обладает линза с фокусным расстоянием 1 м.
Оптическая сила линзы равна величине, обратной ее фокусному расстоянию:
На рисунке показан ход двух лучей от точечного источника света А через тонкую линзу. Какова приблизительно оптическая сила этой линзы?
