Что такое линза? Оптические линзы Свойства выпуклой линзы.

Содержание

Оптические линзы (физика): определение, описание, формула и решение

Что такое линза? Оптические линзы Свойства выпуклой линзы.

Существуют объекты, которые способны изменять плотность падающего на них потока электромагнитного излучения, то есть либо увеличивать его, собирая в одну точку, либо уменьшать его путем рассеивания. Эти объекты называются линзами в физике. Рассмотрим подробнее этот вопрос.

Что представляют собой линзы в физике?

Под этим понятием подразумевают абсолютно любой объект, который способен изменять направление распространения электромагнитного излучения. Это общее определение линз в физике, под которое попадают оптические стекла, магнитные и гравитационные линзы.

В данной статье главное внимание будет уделено именно оптическим стеклам, которые представляют собой объекты, изготовленные из прозрачного материала, и ограниченные двумя поверхностями.

Одна из этих поверхностей обязательно должна иметь кривизну (то есть являться частью сферы конечного радиуса), в противном случае объект не будет обладать свойством изменения направления распространения световых лучей.

Принцип работы линзы

Суть работы этого незамысловатого оптического объекта заключается в явлении преломления солнечных лучей. В начале XVII века знаменитый голландский физик и астроном Виллеброрд Снелл ван Ройен опубликовал закон преломления, который в настоящее время носит его фамилию.

Формулировка этого закона следующая: когда солнечный свет переходит через границу раздела двух оптически прозрачных сред, то произведение синуса угла падения между лучом и нормалью к поверхности на коэффициент преломления среды, в которой он распространяется, является величиной постоянной.

Для пояснения вышесказанного приведем пример: пусть свет падает на поверхность воды, при этом угол между нормалью к поверхности и лучом равен θ1. Затем, световой пучок преломляется и начинает свое распространение в воде уже под углом θ2 к нормали к поверхности.

Согласно закону Снелла получим: sin(θ1)*n1 = sin(θ2)*n2, здесь n1 и n2 – коэффициенты преломления для воздуха и воды, соответственно.

Что такое коэффициент преломления? Это величина, показывающая, во сколько раз скорость распространения электромагнитных волн в вакууме больше таковой для оптически прозрачной среды, то есть n = c/v, где c и v – скорости света в вакууме и в среде, соответственно.

Физика возникновения преломления заключается в выполнении принципа Ферма, согласно которому свет движется таким образом, чтобы за наименьшее время преодолеть расстояние от одной точки к другой в пространстве.

Виды линз

Вид оптической линзы в физике определяется исключительно формой поверхностей, которые ее образуют. От этой формы зависит направление преломления падающего на них луча.

Так, если кривизна поверхности будет положительной (выпуклой), то по выходе из линзы световой пучок будет распространяться ближе к ее оптической оси (см. ниже).

Наоборот, если кривизна поверхности является отрицательной (вогнутой), тогда пройдя через оптическое стекло, луч станет удаляться от его центральной оси.

Отметим еще раз, что поверхность любой кривизны преломляет лучи одинаково (согласно закону Стелла), но нормали к ним имеют разный наклон относительно оптической оси, в результате получается разное поведение преломленного луча.

Линза, которая ограничена двумя выпуклыми поверхностями, называется собирающей. В свою очередь, если она образована двумя поверхностями с отрицательной кривизной, тогда она называется рассеивающей.

Все остальные виды оптических стекол связаны с комбинацией указанных поверхностей, к которым добавляется еще и плоскость.

Каким свойством будет обладать комбинированная линза (рассеивающим или собирающим), зависит от суммарной кривизны радиусов ее поверхностей.

Элементы линзы и свойства лучей

Для построения в линзах в физике изображений необходимо познакомиться с элементами этого объекта. Они приведены ниже:

  • оптическая ось и центр. В первом случае имеют в виду прямую, проходящую перпендикулярно линзе через ее оптический центр. Последний, в свою очередь, представляет собой точку внутри линзы, проходя через которую, луч не испытывает преломления.
  • Фокусное расстояние и фокус – дистанция между центром и точкой на оптической оси, в которую собираются все падающие на линзу параллельно этой оси лучи. Это определение верно для собирающих оптических стекол. В случае рассеивающих линз собираться в точку будут не сами лучи, а мнимое их продолжение. Эта точка называется главным фокусом.
  • Оптическая сила. Так называется величина, обратная фокусному расстоянию, то есть D = 1/f. Измеряется она в диоптриях (дптр.), то есть 1 дптр. = 1 м-1.

Ниже приводятся основные свойства лучей, которые проходят через линзу:

  • пучок, проходящий через оптический центр, не изменяет направления своего движения;
  • лучи, падающие параллельно главной оптической оси, изменяют свое направление так, что проходят через главный фокус;
  • лучи, падающие на оптическое стекло под любым углом, но проходящие через его фокус, изменяют свое направление распространения таким образом, что становятся параллельными главной оптической оси.

Приведенные выше свойства лучей для тонких линз в физике (так их называют, потому что не важно, какими сферами они образованы, и какой толщиной обладают, имеют значение только оптические свойства объекта) используются для построения изображений в них.

Изображения в оптических стеклах: как строить?

Ниже приведен рисунок, где подробно разобраны схемы построения изображений в выпуклой и вогнутой линзах объекта (красной стрелки) в зависимости от его положения.

Из анализа схем на рисунке следуют важные выводы:

  • Любое изображение строится всего на 2-х лучах (проходящем через центр и параллельном главной оптической оси).
  • Собирающие линзы (обозначаются со стрелками на концах, направленными наружу) могут давать как увеличенное, так и уменьшенное изображение, которое в свою очередь может быть реальным (действительным) или мнимым.
  • Если предмет расположен в фокусе, то линза не образует его изображения (см. нижнюю схему слева на рисунке).
  • Рассеивающие оптические стекла (обозначаются стрелками на их концах, направленными внутрь) дают независимо от положения предмета всегда уменьшенное и мнимое изображение.

Нахождение расстояния до изображения

Чтобы определять, на каком расстоянии появится изображение, зная положение самого предмета, приведем формулу линзы в физике: 1/f = 1/do + 1/di, где do и di – расстояние до предмета и до его изображения от оптического центра, соответственно, f – главный фокус. Если речь идет о собирающем оптическом стекле, тогда число f будет положительным. Наоборот, для рассеивающей линзы f – отрицательное.

Воспользуемся этой формулой и решим простую задачу: пусть предмет находится на расстоянии do = 2*f от центра собирающего оптического стекла. Где появится его изображение?

Из условия задачи имеем: 1/f = 1/(2*f)+1/di. Откуда: 1/di = 1/f – 1/(2*f) = 1/(2*f), то есть di = 2*f. Таким образом, изображение появится на расстоянии двух фокусов от линзы, но уже с другой стороны, чем сам предмет (об этом говорит положительный знак величины di).

Краткая история

Любопытно привести этимологию слова “линза”. Оно ведет происхождение от латинских слов lens и lentis, что означает “чечевица”, поскольку оптические объекты по своей форме действительно похожи на плод этого растения.

Преломляющая способность сферических прозрачных тел была известна еще древним римлянам. Для этой цели они применяли круглые стеклянные сосуды, наполненные водой. Сами же стеклянные линзы начали изготавливаться только в XIII веке в Европе. Использовались они в качестве инструмента для чтения (современные очки или лупа).

Активное использование оптических объектов при изготовлении телескопов и микроскопов относится к XVII (в начале этого века Галилей изобрел первый телескоп). Отметим, что математическая формулировка закона преломления Стелла, без знания которой невозможно изготавливать линзы с заданными свойствами, была опубликована голландским ученым в начале того же XVII века.

Другие виды линз

Как было отмечено выше, помимо оптических преломляющих объектов, существуют также магнитные и гравитационные. Примером первых являются магнитные линзы в электронном микроскопе, яркий пример вторых заключается в искажении направления светового потока, когда он проходит вблизи массивных космических тел (звезд, планет).

Источник: https://FB.ru/article/421601/opticheskie-linzyi-fizika-opredelenie-opisanie-formula-i-reshenie

Что такое линза? Оптические линзы Свойства выпуклой линзы. – Врач-информ

Что такое линза? Оптические линзы Свойства выпуклой линзы.

Существуют объекты, которые способны изменять плотность падающего на них потока электромагнитного излучения, то есть либо увеличивать его, собирая в одну точку, либо уменьшать его путем рассеивания. Эти объекты называются линзами в физике. Рассмотрим подробнее этот вопрос.

Физика линз и оптических зеркал

Физика линз и сферических зеркал заключается в изменении направление лучей света, создании изображений, которые больше или меньше отображаемого объекта. Линзы — кусочки прозрачного материала, ограниченные сферическими поверхностями. Подобно сферическим зеркалам, они создают увеличенные или уменьшенные изображения предметов.

Схемы хода лучей помогают наглядно представить пути нескольких лучей, особенно тех, которые падают на зеркало или на линзу параллельно их главной оптической оси. Отличие линз от зеркал заключается в том, что линза формирует изображение объекта, находящегося позади нее, тогда как зеркало изменяет вид объекта, находящегося перед ним.

  • Вогнутые зеркала
  • Выпуклые зеркала
  • Увеличение и поле зрение
  • Оптические линзы
    • Вогнутые линзы
    • Выпуклые линзы
    • Вогнутое зеркало дает сходящийся пучок лучей. Все лучи, падающие на такое зеркало параллельно его главной оси, после отражения сходятся в точке, называемой фокусом. Расстояние между фокусом и и зеркалом — это фокусное расстояние зеркала. Чем меньше фокусное расстояние, тем сильнее увеличение. Фокусное расстояние зависит от кривизны зеркала. Зеркало со значительной кривизной обладает коротким фокусным расстоянием и большим увеличением.

      Выпуклые зеркала

      Выпуклое зеркало дает расходящийся пучок лучей. Когда параллельные лучи падают на выпуклое зеркало, отраженные лучи расходятся. Фокус выпуклого зеркала расположен позади него, в точке, из которой эти лучи кажутся исходящими. Чем меньше фокусное расстояние, тем меньше отраженное изображение. Выпуклые зеркала формируют прямые (не перевернутые) изображения.

      Увеличение и поле зрение

      Обычные плоские зеркала формируют неискаженные изображения, соответствующие реальным пропорциям отраженного объекта. У вогнутого зеркала того же размера поле зрения уже, поэтому оно формирует изображение уменьшенного участка объекта, зато во много раз увеличенное по сравнению с оригиналом. Благодаря способности создавать увеличенное изображение вогнутые зеркала позволяют подробно рассмотреть отдельный небольшой участок объекта. Вот почему у вогнутого зеркала удобно бриться или накладывать косметику на лицо.Выпуклые зеркала имеют более широкое поле зрение, чем плоские, но формируют уменьшенные изображения. Это очень удобно, если необходимо обеспечить панорамный обзор. На стенках многих крупных магазинов, высоко над головами покупателей, установлены большие выпуклые зеркала. В сочетании с видеокамерами они позволяют службе безопасности наблюдать даже за за теми уголками помещения, которые обычно скрыты от глаз. Зеркала заднего вида в автомобилях тоже слегка выпуклый. Обзор у водителя шире, чем был бы при плоском зеркале.Вогнутые и выпуклые поверхности кривых зеркал в комнатах смеха создают забавные эффекты, растягивая, сужая или переворачивая изображения.

      Оптические линзы

      Преломление светового луча при переходе из воздуха в стекло используется в оптических приборах, например в линзах. Физика линзы состоит в построении изображение объекта, находящегося за ней.Линзы обычно имеют круглую форму. Выпуклые линзы толще посередине, чем по краям. У вогнутых линз середина тоньше, чем края. Световой луч преломляется сначала на поверхность линзы, а затем лучи преломляются вновь, выходя наружу с противоположной стороны линзы. Линзы, предназначенные для работы в ультрафиолетовой области спектра, изготавливают из кристаллов кварца, флюорита, фтористого лития, в инфракрасной — из особых сортов стекла, кремния, германия, фтористого лития, йодистого цезия.

      Вогнутые линзы

      Вогнутые, или рассеивающие, линзы превращают параллельные лучи в расходящиеся. Фокус вогнутой линзы — это точка позади линзы, из которой лучи кажутся исходящими. Объекты выглядят меньше, если их наблюдать через вогнутую линзу. Увеличение кривизны сокращает фокусное расстояние вогнутой линзы и еще сильнее уменьшает изображения объектов.На схеме показан ход лучей через вогнутую линзу. Вогнутая линза создает уменьшенное изображение, заставляя световые лучи расходиться от оптической оси.Вогнутые линзы используют в очках для близоруких людей, в объективах фотоаппаратов, в телескопах и микроскопах. Их точно подгоняют к криволинейным поверхностям выпуклых линз и других материалов. Составные линзы снижают хроматическую аберрацию, то есть, нечеткость изображений, вызванную тем, что для света с разной длиной волны увеличения слегка различается.

      Выпуклые линзы

      Выпуклые, или собирающие, линзы собирают световые лучи, параллельные главной оптической оси, в одну точку, называемую главным фокусом. Фокусное расстояние — это расстояние между линзой и главным фокусом.На схеме показан ход лучей через выпуклую линзу. Выпуклая линза создает увеличенное изображение, заставляя световые лучи сходится к оптической оси линзы.Выпуклая линза может сфокусировать свет от объекта на экране. Изображение окажется перевернутым.Выпуклые линзы применяются в увеличительных стеклах (лупах) и очках для дальнозорких людей. Поскольку выпуклая линза собирает солнечный свет в главном фокусе, с ее помощью можно зажечь бумагу или другой легко воспламеняющейся материал.Выпуклая линза в проекторе формирует увеличенное изображение слайда в проекторах. Это изображение действительное, потому что изображение проходит сквозь него, и его можно спроецировать на экран.

(9 votes, average: 4,67

Источник: https://vrachinformy.ru/chto-takoe-linza-opticheskie-linzy-svojstva-vypukloj-linzy.html

Линза для очков. Что это такое?

Что такое линза? Оптические линзы Свойства выпуклой линзы.

Одним из основных параметров очковой линзы является оптическая сила. По своей сути, этот параметр определяет, насколько сильно линза отклоняет световые лучи.

Например, если линза собирающая, то чем сильнее оптическая сила, тем ближе будет фокус линзы (обозначается как F) – точка, где сойдутся световые лучи, которые прошли через эту линзу.

У рассеивающих линз – чем сильнее оптическая сила, тем сильнее линза отклонит световые лучи в сторону.

С другой стороны, оптическая сила линзы характеризует ее увеличивающую способность. У собирающих линз принято обозначать «оптическую силу» знаком «+», у рассеивающих – знаком «-» (здесь увеличивающая способность является отрицательной).

В связи с этим люди, которые носят очки с плюсовыми линзами, видят мир вокруг чуть большего размера. А те, кто носит минусовые линзы, видят его меньшего размера. И чем больше плюс или минус в очках, тем сильнее разница между тем, что видит человек через очки и тем, что есть на самом деле.

Диаметр линзы. Параметр, обуславливающий толщину линзы. Для линз положительной рефракции работает четкое правило: чем меньше диаметр готовой линзы и больше он соответствует размеру светового проема оправы, тем тоньше линза по центру.

Диаметр готовых линз отрицательной рефракции не существенно влияет на их толщину по краю, а определяется размером светового проема оправы.

Для отрицательных линз справедливо другое правило: чем меньше световой проем оправы, тем тоньше линзы по краю.

Показатель преломления. Преломление (рефракция) – явление изменения пути следования светового луча на границе двух сред. Число, характеризующее преломляющую силу прозрачной среды.

Световой луч, при прохождении через очковую линзу, будет преломляться в большей или меньшей степени, в том числе, и в зависимости от индекса преломления.

Если сравнивать две линзы одинаковой оптической силы и одинакового диаметра, но с разным индексом преломления, то линза с более высоким индексом преломления будет тоньше, чем линза с более низким индексом преломления.

Важно отметить, что с увеличением показателя преломления линзы, увеличивается коэффициент отражения света от поверхности, а светопропускание линзы уменьшается. Поэтому на высокоиндексные линзы обязательно наносится просветляющее покрытие.

Число Аббе – мера прозрачности линзы. Характеризует хроматические аберрации, вызывающие появление окрашенных контуров у изображений предметов при взгляде на них через периферическую часть линзы.

Аберрации возникают из-за того, что показатель преломления светового излучения зависит от длины волны. Достаточно хорошие оптические свойства линзы получают, если число Аббе выше 30.

Следует иметь в виду, что число Аббе и показатель преломления, как правило, зависят друг от друга обратно пропорционально. У высокопреломляющих материалов число Аббе ниже, чем у CR-39 (около 58).

Конструкция очковых линз.

Сферическая линза – самая простая и распространённая конструкция очковых линз. Это линза, передняя и задняя поверхности которой являются частями поверхности сферы, а ось линзы перпендикулярна обеим поверхностям. Другими словами, поверхность линзы имеет единый радиус кривизны по всем меридианам;

Асферическая линза – линза, одна или обе поверхности которой не являются сферическими или цилиндрическими. Радиус асферической линзы постепенно увеличивается от центра к периферии, таким образом, она становится более плоской ближе к периферии.

Данный дизайн минимизирует аберрации (искажения), выравнивая изображение по всей площади линзы, что обеспечивает более острое и более контрастное зрение. А это в свою очередь, сводит зрительный дискомфорт к минимуму. Кроме того, данные линзы за счет своей асферичности тоньше и легче, чем сферические, имеют более “стройный” профиль и менее выпуклые.

Очки с асферическими линзами имеют более эстетичный внешний вид, линзы меньше выделяются из рамки оправы.

Лентикулярные очковые линзы предназначены для коррекции высокой степени аметропии. Данная линза обладает заданной рефракцией только в центральной части, а периферия служит основой. Такой дизайн позволяет значительно уменьшить толщину и вес линзы, особенно при высокой степени гиперметропии (дальнозоркости).

Категории защиты от UV.

Ни для кого не секрет, что УФ-излучение вредно для глаз. Полимерные материалы имеют высокую степень фильтрации ультрафиолетового излучения.

Поликарбонат поглощает 98-100% излучений средней и длинноволновой составляющей УФ-диапазона, являющихся наиболее опасными для структур глаза. Любой из специализированных оптических полимеров обладает гораздо более высокой в сравнении с оптическим стеклом степенью фильтрации ультрафиолета.

Способность отфильтровывать потенциально опасную составляющую солнечного спектра связана с явлениями абсорбции, поляризации или отражения потока излучения.

Специальные органические или неорганические материалы вводятся в состав линз (УФ-абсорбер, фотохромный пигмент) или в виде покрытий наносятся на их поверхность.

Степень защиты очковых линз в УФ-области нельзя определить визуально, исходя из оттенка или цвета окраски линзы, а также от степени затемнения очковых линз. Эти поглотители не меняют цвет линз, поэтому высококачественная прозрачная очковая линза может поглощать практически все опасное для глаз излучение.

1) Классификация по материалу

Основой органических материалов являются синтетические или природные высокомолекулярные соединения, другими словами полимеры.

Органические линзы делятся на две основные категории – реактопласты (традиционные пластмассы, в частности CR-39, а также высокопреломляющие материалы на его основе) и термопласты (поликарбонат).

Полимерные очковые линзы обладают превосходными оптическими свойствами и обеспечивают неплохую защиту от УФ излучения. Кроме того, органические линзы значительно легче минеральных линз.

Используемый в очковой оптике поликарбонат обладает повышенной ударопрочностью и имеет низкий удельный вес. Поликарбонатные очковые линзы защищают глаза от механического воздействия, от ударных нагрузок, обеспечивают стопроцентную защиту от УФ излучений групп A и B.

Кроме того, поликарбонат является одним из самых легких материалов, используемых в производстве очковых линз. Линзы из данного материала рекомендуются, в первую очередь, детям, спортсменам и людям, ведущим активный образ жизни, т.е.

тем пользователям, которые находятся в группе повышенного риска травматизма.

Основные достоинства полимерной оптики легкость, прочность, безопасность, значительно больший ассортимент и технические возможности установки в оправы с любым типом крепления линз.

Недостатки полимерной оптики – низкая абразивостойкость, устойчивость к царапинам, т.е при неаккуратном обращении такие линзы быстро царапаются.

Минеральные очковые линзы изготавливаются из неорганического стекла. Неорганическое стекло – это твердый прозрачный материал, который достигает стеклообразного состояния в процессе остывания стеклообразующих компонентов.

Минеральные очковые линзы обладают высокими оптическими свойствами, устойчивостью к образованию царапин, однако такие линзы легко разбить, они достаточно тяжелые и не всегда обеспечивают высокую защиту от УФ излучения.

Основные достоинства минеральной оптики – твердость, абразивостойкость(стойкость к образованию царапин), хорошие оптические свойства, а так же возможность изготовления высокоиндексной оптики с показателем преломления n=1,8;1,9.

К недостаткам минеральных линз можно отнести низкую ударопрочность, травмоопасность, хрупкость, которая приводит к техническим ограничениям установки таких линз в безободковые и полуободковые оправы.

2) Классификация по положению главного фокуса

В зависимости от положения главного фокуса, очковые линзы разделяются на собирательные, обозначаемые знаком плюс «+», и рассеивающие, обозначаемые знаком минус «-».

У собирательных линз главный фокус (считая от источника света) лежит позади линзы, у рассеивающих — впереди нее.

Собирательные линзы придают параллельным лучам сходящееся направление, рассеивающие линзы — расходящееся.

3) Классификация по числу оптических зон

Все линзы можно разделить на однофокальные и многофокальные (мультифокальные). Однофокальные линзы имеют только одну оптическую зону коррекции, которая предназначена либо для зрения вдаль, либо для чтения.

Однофокальные линзы бывают стигматическими (они имеют одну оптическую силу для всех меридианов) и астигматическими (линзы характеризуются двумя значениями оптической силы, соответствующими двум главным меридианам).

Качество зрения, вес и даже эстетичность вида линз также принимаются во внимание при разработке дизайна однофокальных линз.

Для улучшения оптических свойств внешней поверхности линзы придают вместо сферической формы асферическую (AS).

Асферический дизайн не только улучшает качество зрения через линзы за счет устранения аберраций (искажений), но и позволяет сделать линзы более тонкими, легкими и эстетичными, что особенно важно для больших диоптрий.

Мультифокальные очковые линзы имеют две или более зон оптического действия. Они служат для улучшения четкости видения предметов, находящихся на разных расстояниях, и применяются при пресбиопии.

Подразделяются на:

· Бифокальные очковые линзы

· Офисные очковые линзы

· Прогрессивные очковые линзы

Про эти линзы вы сможете узнать подробнее в теме “Очковые линзы для пресбиопов”.

4) Классификация по формированию фокуса

С этой точки зрения линзы делятся на стигматические и астигматические.

Стигматические (сферические) линзы пере­мещают фокус вдоль оптической оси. Обе их пре­ломляющие поверхности сферичны. Во всех мери­дианных сечениях такие линзы имеют одинаковую преломляющую силу, которая определяется в ди­оптриях.

Астигматические (цилиндрические) линзы изменяют форму сходимости лучей. Одна их преломляющая поверхность цилиндрическая, другая сферическая. В двух вза­имно перпендикулярных (главных) сечениях име­ют разную преломляющую силу.

5) Классификация по форме преломляющей поверхности

Сферические линзы – линзы наиболее простой и доступной конструкции, при которой обе поверхности сферические и имеют одинаковую преломляющую силу по всем меридианам.

Асферические линзы (AS) – это такие линзы, у которых хотя бы одна поверхность не может быть описана сферическим радиусом, то есть отклоняется от формы сферы. У такой линзы радиус кривизны постепенно изменяется от центра к периферии, напоминая форму эллипса.

Источник: https://zen.yandex.ru/media/id/5cbf467555863600b3c2cb89/linza-dlia-ochkov-chto-eto-takoe-5cbf730b9f4d1600b45904d6

Линза (оптическая)

Что такое линза? Оптические линзы Свойства выпуклой линзы.

Линза (оптическая) – прозрачное тело, ограниченное двумя сферическими или одной сферической и другой плоской поверхностями. Линзы бывают также параболическими, цилиндрическими и другими криволинейными поверхностями.

Сферические поверхности линз могут иметь различную кривизну (различную степень выпуклости или вогнутости), отстоять одна от другой на различном расстоянии и могут быть обращены в одну сторону или в противоположные.

Все это приводит к большому разнообразию линз, однако разнообразие это может быть сведено к шести типам, показанным в разрезе на иллюстрации.

Типы сферических линз

Первые три линзы называются выпуклыми, или положительными (1, 2 и 3). Они в центре толще, чем по краям. Следующие три называются вогнутыми, или отрицательными (4, 5 и 6), и отличаются от первых тем, что они в центре тоньше, чем по краям.

На иллюстрации:

  • 1) двояковыпуклая;
  • 2) плоско-выпуклая;
  • 3) вогнуто-выпуклая;
  • 4) двояковогнутая;
  • 5) плоско-вогнутая;
  • 6) выгнуто-вогнутая.

На рисунке приведены элементы двояковыпуклой линзы. C1 и C2 – центры ограничивающих сферических поверхностей, называемые центрами кривизны; R1 и R2 – радиусы сферических поверхностей, называемые радиусами кривизны. Прямая, соединяющая центры кривизны C1 и C2, называется главной оптической осью.

Для плоско-выпуклой или плоско-вогнутой линзы главной оптической осью является прямая, проходящая через центр кривизны перпендикулярно к плоской поверхности линзы. Точки пересечения главной оптической оси с поверхностью А и Б называются вершинами линзы. Расстояние между вершинами АБ называется осевой толщиной.

Свойства линз

Наиважнейшей особенностью положительных линз является способность давать изображение предметов. Действие положительных линз состоит в том, что они собирают падающие лучи, поэтому их называют собирательными.

Это свойство объясняется тем, что собирательная линза представляет собой совокупность множества трехгранных призм, расположенных по кругу и обращенных к центру круга своими основаниями. Поскольку такие призмы отклоняют падающие на них лучи к своим основаниям, пучок лучей, падающий на всю поверхность собирательной линзы, собирается в направлении к оси круга, т.е. к оптической оси.

Если из светящейся точки S, лежащей на оптической оси собирательной линзы, направить пучок расходящихся лучей света, то расходящийся пучок превратится в сходящийся, и в точке схода лучей образуется действительное изображение S` светящейся точки S. Поместив в точке S` какой-либо экран, можно увидеть на нем изображение светящейся точки S. Его называют действительным изображением.

Образование действительного изображения светящейся точки. S` – действительное изображение точки S

Отрицательные линзы, в противоположность положительным, рассеивают падающие на них лучи. Поэтому они называются рассеивающими.

Действие рассеивающей линзы

Если такой же пучок расходящихся лучей направить на рассеивающую линзу, то, пройдя сквозь нее, лучи отклоняются в стороны от оптической оси. Вследствие этого рассеивающие линзы не дают действительного изображения. В оптических системах, дающих действительное изображение, и, в частности, в фотообъективах рассеивающие линзы применяются только совместно с собирательными.

Фокус и фокусное расстояние

Если из точки, лежащей в бесконечности на главной оптической оси, направить на линзу пучок света (такие лучи можно считать практически параллельными), то лучи соберутся в одной точке F, лежащей также на главной оптической оси.

Эта точка называется главным фокусом, расстояние f от линзы до этой точки – главным фокусным расстоянием, а плоскость MN, проходящая через главный фокус перпендикулярно оптической оси линзы, – главной фокальной плоскостью.

Главный фокус F и главное фокусное расстояние f линзы

Фокусное расстояние линзы зависит от кривизны ее выпуклых поверхностей. Чем меньше радиусы кривизны, т.е. чем выпуклее стекло, тем короче ее фокусное расстояние.

Оптическая сила линзы

Оптической силой линзы называется ее преломляющая способность (способность сильнее или слабее отклонять лучи света). Чем больше фокусное расстояние, тем меньше преломляющая способность. Оптическая сила линзы обратно пропорциональна фокусному расстоянию.

Единицей измерения оптической силы является диоптрия, обозначаемая буквой D. Выражение оптической силы в диоптриях удобно тем, что, во-первых, оно позволяет по знаку определить, с какой линзой (собирательной или рассеивающей) имеют дело и, во-вторых, тем, что позволяет легко определить оптическую силу системы из двух и большего числа линз.

Образование картинки

Падая на предмет, лучи света отражаются от каждой точки его поверхности во всех возможных направлениях. Если перед освещенным предметом поместить собирательную линзу, то от каждой точки предмета на линзу упадет конический пучок лучей.

Схема образования действительного изображения

Пройдя через линзу, лучи снова соберутся в одну точку, и в месте схода лучей возникнет действительное изображение взятой точки предмета, а совокупность изображений всех точек предмета образует изображение всего предмета. Рисунок позволяет также легко уяснить причину того, почему изображение предметов всегда получается перевернутым.

Подобным же образом возникает изображение предметов в фотоаппарате при помощи фотографического объектива, который представляет собой собирательную оптическую систему и действует подобно положительной линзе.

Пространство, которое находится перед объективом и в котором расположены фотографируемые предметы, называется предметным пространством, а расположенное за объективом пространство, в котором визуализируются предметы, называется пространством изображений.

Источник: http://zen-designer.ru/vopros-otvet/36-entsiklopediya/47-l/150-linza-opticheskaya

Линзы. Ход лучей

Что такое линза? Оптические линзы Свойства выпуклой линзы.

Автор — профессиональный репетитор, автор учебных пособий для подготовки к ЕГЭ Игорь Вячеславович Яковлев

Темы кодификатора ЕГЭ: линзы

Преломление света широко используется в различных оптических приборах: фотоаппаратах, биноклях, телескопах, микроскопах. . . Непременной и самой существенной деталью таких приборов является линза.

Линза – это оптически прозрачное однородное тело, ограниченное с двух сторон двумя сферическими (или одной сферической и одной плоской) поверхностями.

Линзы обычно изготавливаются из стекла или специальных прозрачных пластмасс. Говоря о материале линзы, мы будем называть его стеклом – особой роли это не играет.

Двояковыпуклая линза

Рассмотрим сначала линзу, ограниченную с обеих сторон двумя выпуклыми сферическими поверхностями (рис. 1). Такая линза называется двояковыпуклой. Наша задача сейчас – понять ход лучей в этой линзе.

Рис. 1. Преломление в двояковыпуклой линзе

Проще всего обстоит дело с лучом, идущим вдоль главной оптической оси – оси симметрии линзы. На рис. 1 этот луч выходит из точки . оптическая ось перпендикулярна обеим сферическим поверхностям, поэтому данный луч идёт сквозь линзу, не преломляясь.

Теперь возьмём луч , идущий параллельно главной оптической оси. В точке падения
луча на линзу проведена нормаль к поверхности линзы; поскольку луч переходит из воздуха в оптически более плотное стекло, угол преломления меньше угла падения . Следовательно, преломлённый луч приближается к главной оптической оси.

В точке выхода луча из линзы также проведена нормаль . Луч переходит в оптически менее плотный воздух, поэтому угол преломления больше угла падения ; луч
преломляется опять-таки в сторону главной оптической оси и пересекает её в точке .

Таким образом, всякий луч, параллельный главной оптической оси, после преломления в линзе приближается к главной оптической оси и пересекает её. На рис. 2 изображена картина преломления достаточно широкого светового пучка, параллельного главной оптической оси.
Рис. 2. Сферическая аберрация в двояковыпуклой линзе

Как видим, широкий пучок света не фокусируется линзой: чем дальше от главной оптической оси расположен падающий луч, тем ближе к линзе он пересекает главную оптическую ось после преломления. Это явление называется сферической аберрацией и относится к недостаткам линз – ведь хотелось бы всё же, чтобы линза сводила параллельный пучок лучей в одну точку.

Точная фокусировка широкого пучка действительно возможна, но для этого поверхность линзы должна иметь не сферическую, а более сложную форму. Шлифовать такие линзы – дело трудоёмкое и нецелесообразное. Проще уж изготавливать сферические линзы и бороться с появляющейся сферической аберрацией.
Кстати, аберрация называется сферической как раз потому, что возникает в результате замены оптимально фокусирующей сложной несферической линзы на простую сферическую.

Весьма приемлемой фокусировки можно добиться, если использовать узкий световой пучок, идущий вблизи главной оптической оси. Тогда сферическая аберрация почти незаметна – посмотрите на рис. 3.

Рис. 3. Фокусировка узкого пучка собирающей линзой

Хорошо видно, что узкий пучок, параллельный главной оптической оси, после прохождения линзы собирается приблизительно в одной точке . По этой причине наша линза носит название собирающей.

Точка называется фокусом линзы. Вообще, линза имеет два фокуса, находящиеся на главной оптической оси справа и слева от линзы. Расстояния от фокусов до линзы не обязательно равны друг другу, но мы всегда будем иметь дело с ситуациями, когда фокусы расположены симметрично относительно линзы.

Двояковогнутая линза

Теперь мы рассмотрим совсем другую линзу, ограниченную двумя вогнутыми сферическими поверхностями (рис. 4). Такая линза называется двояковогнутой. Так же, как и выше, мы проследим ход двух лучей, руководствуясь законом преломления.

Рис. 4. Преломление в двояковогнутой линзе

Луч, выходящий из точки и идущий вдоль главной оптической оси, не преломляется – ведь главная оптическая ось, будучи осью симметрии линзы, перпендикулярна обеим сферическим поверхностям.

Луч , параллельный главной оптической оси, после первого преломления начинает удаляться от неё (так как при переходе из воздуха в стекло ), а после второго преломления удаляется от главной оптической оси ещё сильнее (так как при переходе из стекла в воздух ).

Двояковогнутая линза преобразует параллельный пучок света в расходящийся пучок (рис. 5) и называется поэтому рассеивающей.

Здесь также наблюдается сферическая аберрация: продолжения расходящихся лучей не пересекаются в одной точке. Мы видим, что чем дальше от главной оптической оси расположен падающий луч, тем ближе к линзе пересекает главную оптическую ось продолжение преломлённого луча.

Как и в случае двояковыпуклой линзы, сферическая аберрация будет практически незаметна для узкого приосевого пучка (рис. 6). Продолжения лучей, расходящихся от линзы, пересекаются приблизительно в одной точке – в фокусе линзы .

Если такой расходящийся пучок попадёт в наш глаз, то мы увидим за линзой светящуюся точку! Почему? Вспомните, как возникает изображение в плоском зеркале: наш мозг обладает способностью продолжать расходящиеся лучи до их пересечения и создавать в месте пересечения иллюзию светящегося объекта (так называемое мнимое изображение). Вот именно такое мнимое изображение, расположенное в фокусе линзы, мы и увидим в данном случае.

Рис. 5. Сферическая аберрация в двояковогнутой линзе
Рис. 6. Преломление узкого пучка в рассеивающей линзе

Виды собирающих и рассеивающих линз

Мы рассмотрели две линзы: двояковыпуклую линзу, которая является собирающей, и двояковогнутую линзу, которая является рассеивающей. Существуют и другие примеры собирающих и рассеивающих линз.

Полный набор собирающих линз представлен на рис. 7.

Помимо известной нам двояковыпуклой линзы, здесь изображены:плосковыпуклая линза, у которой одна из поверхностей плоская, и вогнуто-выпуклая линза, сочетающая вогнутую и выпуклую граничные поверхности.

Обратите внимание, что у вогнуто-выпуклой линзы выпуклая поверхность в большей степени искривлена (радиус её кривизны меньше); поэтому собирающее действие выпуклой преломляющей поверхности перевешивает рассеивающее действие вогнутой поверхности, и линза в целом оказывается собирающей.

Все возможные рассеивающие линзы изображены на рис. 8.

Наряду с двояковогнутой линзой мы видим плосковогнутую (одна из поверхностей которой плоская) и выпукло-вогнутую линзу. Вогнутая поверхность выпукло-вогнутой линзы искривлена в большей степени, так что рассеивающее действие вогнутой границы преобладает над собирающим действием выпуклой границы, и в целом линза оказывается рассеивающей.
Рис. 7. Собирающие линзы
Рис. 8. Рассеивающие линзы

Попробуйте самостоятельно построить ход лучей в тех видах линз, которые мы не рассмотрели, и убедиться, что они действительно являются собирающими или рассеивающими. Это отличное упражнение, и в нём нет ничего сложного – ровно те же самые построения, которые мы проделали выше!

Источник: https://ege-study.ru/ru/ege/materialy/fizika/linzy-xod-luchej/

Поделиться:
Нет комментариев

    Добавить комментарий

    Ваш e-mail не будет опубликован. Все поля обязательны для заполнения.