Yra objektų, kurie gali pakeisti ant jų krentančio elektromagnetinio spinduliavimo srauto tankį, tai yra arba padidinti jį surinkdami viename taške, arba sumažinti jį išsklaidydami. Šie objektai fizikoje vadinami lęšiais. Pažvelkime į šią problemą atidžiau.
Kas yra lęšiai fizikoje?
Ši sąvoka reiškia absoliučiai bet kokį objektą, galintį pakeisti elektromagnetinės spinduliuotės sklidimo kryptį. Tai yra bendras lęšių apibrėžimas fizikoje, apimantis optinius akinius, magnetinius ir gravitacinius lęšius.
Šiame straipsnyje pagrindinis dėmesys bus skiriamas optiniams akiniams, kurie yra objektai, pagaminti iš skaidrios medžiagos ir apriboti dviem paviršiais. Vienas iš šių paviršių būtinai turi būti išlenktas (tai yra baigtinio spindulio sferos dalis), kitaip objektas neturės savybės keisti šviesos spindulių sklidimo krypties.
Objektyvo principas
Šio nesudėtingo darbo esmėoptinis objektas yra saulės spindulių lūžio reiškinys. XVII amžiaus pradžioje garsus olandų fizikas ir astronomas Willebrord Snell van Rooyen paskelbė refrakcijos dėsnį, kuris šiuo metu turi jo pavardę. Šio dėsnio formuluotė yra tokia: kai saulės šviesa praeina per sąsają tarp dviejų optiškai skaidrių terpių, tada kritimo kampo tarp pluošto ir normaliojo paviršiaus sinuso sandauga ir terpės lūžio rodiklis. ji sklinda yra pastovi reikšmė.
Kad paaiškintume tai, kas išdėstyta pirmiau, pateiksime pavyzdį: tegul šviesa krenta ant vandens paviršiaus, o kampas tarp normalios paviršiaus ir spindulio yra θ1. Tada šviesos spindulys lūžta ir pradeda sklisti vandenyje jau kampu θ2 su normaliu paviršiumi. Pagal Snell dėsnį gauname: sin(θ1)n1=sin(θ2) n2, kur n1 ir n2 yra oro ir vandens lūžio rodikliai, atitinkamai. Kas yra lūžio rodiklis? Tai reikšmė, rodanti, kiek kartų elektromagnetinių bangų sklidimo greitis vakuume yra didesnis nei optiškai skaidrios terpės greitis, ty n=c/v, kur c ir v yra šviesos greitis vakuume ir vidutinė, atitinkamai.
Lūžio atsiradimo fizika slypi įgyvendinant Fermato principą, pagal kurį šviesa juda taip, kad per trumpiausią laiką įveiktų atstumą nuo vieno erdvės taško iki kito.
Lyšių tipai
Optinio lęšio tipą fizikoje lemia tik jį sudarančių paviršių forma. Nuo šios formos priklauso į juos krentančio pluošto lūžio kryptis. Taigi, jei paviršiaus kreivumas yra teigiamas (išgaubtas), tada, išeinant iš lęšio, šviesos spindulys sklis arčiau savo optinės ašies (žr. toliau). Ir atvirkščiai, jei paviršiaus kreivumas yra neigiamas (įgaubtas), tada, eidamas per optinį stiklą, spindulys nutols nuo savo centrinės ašies.
Dar kartą atkreipkite dėmesį, kad bet kokio kreivumo paviršius laužia spindulius vienodai (pagal Stella dėsnį), tačiau jų normaliosios nuolydis optinės ašies atžvilgiu skiriasi, todėl lūžusio spindulio elgsena skiriasi.
Dviejų išgaubtų paviršių apribotas lęšis vadinamas susiliejančiu lęšiu. Savo ruožtu, jei jį sudaro du neigiamo kreivumo paviršiai, tai vadinama sklaida. Visi kiti optinių stiklų tipai yra susieti su šių paviršių deriniu, prie kurio taip pat pridedama plokštuma. Kokia kombinuoto lęšio savybė (divergentinė ar konverguojanti) priklauso nuo viso jo paviršių spindulių kreivumo.
Objektyvo elementai ir spindulių savybės
Norėdami į vaizdo fiziką integruoti objektyvus, turite susipažinti su šio objekto elementais. Jie išvardyti toliau:
- Pagrindinė optinė ašis ir centras. Pirmuoju atveju jie reiškia tiesią liniją, einančią statmenai objektyvui per jo optinį centrą. Pastarasis, savo ruožtu, yra lęšio viduje esantis taškas, per kurį spindulys nelūžinėja.
- Židinio nuotolis ir fokusavimas – atstumas tarp centro ir optinės ašies taško, kuris surenka visus spindulius, patenkančius į objektyvą lygiagrečiai šiai ašiai. Šis apibrėžimas galioja renkant optinius akinius. Divergentinių lęšių atveju į tašką susilies ne patys spinduliai, o jų įsivaizduojamas tęsinys. Šis taškas vadinamas pagrindiniu akcentu.
- Optinė galia. Tai yra židinio nuotolio atvirkštinės reikšmės pavadinimas, tai yra, D \u003d 1 / f. Jis matuojamas dioptrijomis (dioptriais), tai yra, 1 dioptrija.=1 m-1.
Toliau pateikiamos pagrindinės pro objektyvą praeinančių spindulių savybės:
- spindulys, einantis per optinį centrą, nekeičia jo judėjimo krypties;
- spinduliai, krintantys lygiagrečiai pagrindinei optinei ašiai, pakeičia kryptį taip, kad jie pereitų per pagrindinį židinį;
- spinduliai, krintantys ant optinio stiklo bet kokiu kampu, bet pereidami per jo židinį, keičia sklidimo kryptį taip, kad taptų lygiagrečiai pagrindinei optinei ašiai.
Aukščiau pateiktos fizikos ploniems lęšiams skirtų spindulių savybės (taip jos vadinamos, nes nesvarbu, kokios sferos būtų suformuotos ir kokio storio, svarbios tik objekto optinės savybės) vaizdams juose kurti..
Vaizdai optiniuose akiniuose: kaip sukurti?
Toliau yra paveikslėlis, kuriame išsamiai aprašytos vaizdų konstravimo išgaubtuose ir įgaubtuose objekto lęšiuose schemos(raudona rodyklė) priklausomai nuo jo padėties.
Svarbios išvados padarytos analizuojant diagramas paveikslėlyje:
- Bet koks vaizdas sukuriamas tik ant 2 spindulių (einančių per centrą ir lygiagrečiai pagrindinei optinei ašiai).
- Konverguojantys lęšiai (žymimi rodyklėmis galuose, nukreiptomis į išorę) gali suteikti tiek padidintą, tiek sumažintą vaizdą, kuris savo ruožtu gali būti tikras (tikras) arba įsivaizduojamas.
- Jei objektas yra sufokusuotas, objektyvas nesudaro savo vaizdo (žr. apatinę diagramą paveikslo kairėje).
- Išsklaidantys optiniai stiklai (žymimi rodyklėmis jų galuose, nukreiptomis į vidų) visada sukuria sumažintą ir virtualų vaizdą, nepaisant objekto padėties.
Atstumo iki vaizdo radimas
Norėdami nustatyti, kokiu atstumu bus rodomas vaizdas, žinant paties objekto padėtį, mes pateikiame fizikos objektyvo formulę: 1/f=1/do + 1 /d i, kur do ir di yra atstumas iki objekto ir jo vaizdo nuo optinio vaizdo centre, atitinkamai, f yra pagrindinis akcentas. Jei kalbame apie surenkantį optinį stiklą, tada f skaičius bus teigiamas. Ir atvirkščiai, besiskiriančio objektyvo atveju f yra neigiamas.
Naudokime šią formulę ir išspręskime paprastą uždavinį: tegul objektas yra do=2f atstumu nuo renkančio optinio stiklo centro. Kur bus rodomas jo atvaizdas?
Iš problemos sąlygos turime: 1/f=1/(2f)+1/di. Nuo: 1/di=1/f – 1/(2f)=1/(2f), t. y. di=2 f. Taigi vaizdas bus rodomas dviejų židinių atstumu nuo objektyvo, bet kitoje pusėje nei pats objektas (tai rodo teigiamas reikšmės ženklas di).
Trumpa istorija
Įdomu pateikti žodžio „lęšis“etimologiją. Jis kilęs iš lotyniškų žodžių lens ir lentis, o tai reiškia "lęšis", nes optiniai objektai savo forma tikrai atrodo kaip šio augalo vaisiai.
Sferinių skaidrių kūnų lūžio galia buvo žinoma senovės romėnams. Tam jie naudojo apvalius stiklinius indus, pripildytus vandens. Patys stikliniai lęšiai pradėti gaminti tik XIII amžiuje Europoje. Jie buvo naudojami kaip skaitymo priemonė (modernūs akiniai arba didinamasis stiklas).
Aktyvus optinių objektų naudojimas teleskopų ir mikroskopų gamyboje prasidėjo XVII amžiuje (šio amžiaus pradžioje Galilėjus išrado pirmąjį teleskopą). Atkreipkite dėmesį, kad matematinę Stella lūžio dėsnio formuluotę, kurios nežinant neįmanoma pagaminti norimų savybių turinčių lęšių, olandų mokslininkas paskelbė to paties XVII amžiaus pradžioje.
Kiti objektyvai
Kaip minėta, be optinių laužiančių objektų, taip pat yra magnetinių ir gravitacinių objektų. Pirmojo pavyzdys yra magnetiniai lęšiai elektroniniame mikroskope, ryškus pastarojo pavyzdys yra šviesos srauto krypties iškraipymas,kai jis eina šalia didžiulių kosminių kūnų (žvaigždžių, planetų).
