Det er gjenstander som er i stand til å endre tettheten til den elektromagnetiske strålingsfluksen som faller på dem, det vil si enten å øke den ved å samle den på ett punkt, eller redusere den ved å spre den. Disse objektene kalles linser i fysikk. La oss se nærmere på dette problemet.
Hva er linser i fysikk?
Dette konseptet betyr absolutt ethvert objekt som er i stand til å endre forplantningsretningen til elektromagnetisk stråling. Dette er den generelle definisjonen av linser i fysikk, som inkluderer optiske briller, magnetiske og gravitasjonslinser.
I denne artikkelen vil fokuset være på optiske briller, som er gjenstander laget av et gjennomsiktig materiale og begrenset av to overflater. En av disse overflatene må nødvendigvis ha krumning (det vil si være en del av en kule med begrenset radius), ellers vil ikke objektet ha egenskapen til å endre forplantningsretningen til lysstråler.
Prinsippet til linsen
Kjernen i arbeidet med dette ukompliserteoptisk objekt er fenomenet brytning av solens stråler. På begynnelsen av 1600-tallet publiserte den berømte nederlandske fysikeren og astronomen Willebrord Snell van Rooyen brytningsloven, som for tiden bærer hans etternavn. Formuleringen av denne loven er som følger: når sollys passerer gjennom grensesnittet mellom to optisk transparente medier, blir produktet av sinusen til innfallsvinkelen mellom strålen og normalen til overflaten og brytningsindeksen til mediet der den forplanter seg er en konstant verdi.
For å tydeliggjøre det ovenstående, la oss gi et eksempel: la lyset falle på overflaten av vannet, mens vinkelen mellom normalen til overflaten og strålen er θ1. Deretter brytes lysstrålen og begynner sin forplantning i vannet allerede i en vinkel θ2 til normalen til overflaten. I følge Snells lov får vi: sin(θ1)n1=sin(θ2) n2, der n1 og n2 er brytningsindeksene for luft og vann, henholdsvis. Hva er brytningsindeksen? Dette er en verdi som viser hvor mange ganger forplantningshastigheten til elektromagnetiske bølger i vakuum er større enn for et optisk transparent medium, det vil si n=c/v, hvor c og v er lyshastighetene i vakuum og i henholdsvis medium.
Fysikken til tilsynekomsten av brytning ligger i implementeringen av Fermats prinsipp, ifølge hvilket lys beveger seg på en slik måte at det overvinner avstanden fra ett punkt til et annet i rommet på kortest tid.
Linsetyper
Typen optisk linse i fysikk bestemmes utelukkende av formen på overflatene som danner den. Brytningsretningen til strålen som faller inn på dem, avhenger av denne formen. Så hvis krumningen til overflaten er positiv (konveks), vil lysstrålen, når den går ut av linsen, forplante seg nærmere sin optiske akse (se nedenfor). Omvendt, hvis krumningen til overflaten er negativ (konkav), og passerer gjennom det optiske glasset, vil strålen bevege seg bort fra sin sentrale akse.
Merk igjen at en overflate med en hvilken som helst krumning bryter stråler på samme måte (i henhold til Stellas lov), men normalene til dem har en annen helning i forhold til den optiske aksen, noe som resulterer i ulik oppførsel av den refrakterte strålen.
En linse avgrenset av to konvekse overflater kalles en konvergerende linse. I sin tur, hvis det er dannet av to overflater med negativ krumning, kalles det spredning. Alle andre typer optiske briller er forbundet med en kombinasjon av disse overflatene, som også er lagt til et plan. Hvilken egenskap den kombinerte linsen vil ha (divergent eller konvergerende) avhenger av den totale krumningen til radiiene til overflatene.
Linseelementer og stråleegenskaper
For å bygge inn linser i bildefysikk, må du gjøre deg kjent med elementene i dette objektet. De er oppført nedenfor:
- Optisk hovedakse og senter. I det første tilfellet betyr de en rett linje som går vinkelrett på linsen gjennom dens optiske sentrum. Sistnevnte er på sin side et punkt inne i linsen som går gjennom som strålen ikke opplever brytning.
- Brennvidde og fokus - avstanden mellom sentrum og et punkt på den optiske aksen, som samler alle strålene som faller inn på linsen parallelt med denne aksen. Denne definisjonen gjelder for innsamling av optiske briller. Når det gjelder divergerende linser, er det ikke selve strålene som vil konvergere til et punkt, men deres imaginære fortsettelse. Dette punktet kalles hovedfokus.
- Optisk kraft. Dette er navnet på den gjensidige brennvidden, det vil si D \u003d 1 / f. Det måles i dioptrier (dioptrier), det vil si 1 dioptri.=1 m-1.
Følgende er hovedegenskapene til strålene som passerer gjennom linsen:
- strålen som går gjennom det optiske senteret endrer ikke bevegelsesretningen;
- stråler som faller inn parallelt med den optiske hovedaksen endrer retning slik at de passerer gjennom hovedfokuset;
- stråler som faller på optisk glass i en hvilken som helst vinkel, men passerer gjennom fokuset, endrer forplantningsretningen på en slik måte at de blir parallelle med den optiske hovedaksen.
De ovennevnte egenskapene til stråler for tynne linser i fysikk (som de kalles fordi uansett hvilke kuler de dannes og hvor tykke de er, bare de optiske egenskapene til objektet er materie) brukes til å bygge bilder i dem.
Bilder i optiske briller: hvordan bygge?
Nedenfor er en figur som beskriver skjemaene for å konstruere bilder i de konvekse og konkave linsene til et objekt(rød pil) avhengig av posisjonen.
Viktige konklusjoner følger av analysen av kretsene i figuren:
- Ethvert bilde er bygget på kun 2 stråler (passer gjennom midten og parallelt med den optiske hovedaksen).
- Konvergerende linser (angitt med piler i endene som peker utover) kan gi både et forstørret og forminsket bilde, som igjen kan være ekte (ekte) eller imaginære.
- Hvis objektet er i fokus, danner ikke objektivet bildet sitt (se det nederste diagrammet til venstre i figuren).
- Sprede optiske briller (angitt med piler i endene som peker innover) gir alltid et redusert og virtuelt bilde uavhengig av objektets posisjon.
Finne avstanden til et bilde
For å bestemme på hvilken avstand bildet vil vises, og vite posisjonen til selve objektet, gir vi linseformelen i fysikk: 1/f=1/do + 1 /d i, der do og di er avstanden til objektet og til bildet fra det optiske senter, henholdsvis f er hovedfokus. Hvis vi snakker om et samlende optisk glass, vil f-tallet være positivt. Omvendt, for en divergerende linse, er f negativ.
La oss bruke denne formelen og løse et enkelt problem: la objektet være i en avstand do=2f fra midten av det samlende optiske glasset. Hvor vil bildet hans vises?
Fra tilstanden til problemet har vi: 1/f=1/(2f)+1/di. Fra: 1/di=1/f - 1/(2f)=1/(2f), dvs. di=2 f. Dermed vil bildet vises i en avstand på to foci fra linsen, men på den andre siden enn selve objektet (dette indikeres med det positive tegnet til verdien di).
En kort historie
Det er nysgjerrig å gi etymologien til ordet "linse". Det kommer fra de latinske ordene lens og lentis, som betyr "linse", siden optiske objekter i sin form virkelig ser ut som frukten av denne planten.
Bryningskraften til sfæriske gjennomsiktige legemer var kjent for de gamle romerne. Til dette formålet brukte de runde glasskar fylt med vann. Selve glasslinsene begynte å bli laget først på 1200-tallet i Europa. De ble brukt som et leseverktøy (moderne briller eller et forstørrelsesglass).
Den aktive bruken av optiske objekter i produksjonen av teleskoper og mikroskoper dateres tilbake til 1600-tallet (på begynnelsen av dette århundret oppfant Galileo det første teleskopet). Merk at den matematiske formuleringen av Stellas brytningslov, uten kunnskap om hvilken det er umulig å produsere linser med ønskede egenskaper, ble publisert av en nederlandsk vitenskapsmann på begynnelsen av det samme 1600-tallet.
Andre linser
Som nevnt ovenfor, i tillegg til optiske brytningsobjekter, er det også magnetiske og gravitasjonsobjekter. Et eksempel på førstnevnte er magnetiske linser i et elektronmikroskop, et levende eksempel på sistnevnte er forvrengning av retningen til lysstrømmen,når den passerer i nærheten av massive romkropper (stjerner, planeter).
