Тема: Линзы Линза – прозрачное тело, ограниченное. Линзы: виды линз (физика)

02.07.202027.05.2017

ГАПОУ «Акбулакский политехнический техникум»
План занятия по дисциплине: ФИЗИКА
№ урока 150
КРС
дата группа
Тема занятия: Линзы. Формула тонкой линзы
Цели занятия:
Образовательная –
` сформулировать понятие линзы, какие бывают линзы;
` показать основные характерные точки линзы (оптический центр, главная оптическая ось, главные фокусы линзы)
` в веси основные формулы тонкой линзы
Развивающая – способствовать развитию: мышления, пространственного воображения, коммуникативных качеств; продолжить формирование научного мировоззрения;
Воспитательная – Вырабатывать культуру умственного труда и естественно - материалистическое мировоззрение, средствами урока прививать интерес к физике как науке.
. Вид занятия:_ теоретический
Оснащение Ноутбук, проектор, электронный учебник
СОДЕРЖАНИЕ ЗАНЯТИЯ
№ Этапы занятия, вопросы занятия Формы и методы обучения Временная регламентация
1 Организационный этап:
Проверка посещаемости
Проверка готовности студентов к занятию
Проверка домашнего задания Установление готовности класса к уроку. 2-3 мин.
2 Сообщение темы занятия Слайды, классная доска 2 мин.
3 Мотивационный момент:
Обоснование необходимости изучения данной темы для эффективного освоения физики
На предыдущих уроках, мы с вами изучили как ведет себя свет в различных условиях. Изучали законы оптики. А как вы считаете, каким образом, данные законы люди используют в каких либо практических целях?
Вовлечение студентов в процесс постановки целей и задач занятия
Беседа. Анализ деятельности 2-3 мин
4 Актуализация опорных знаний:
Какую тему начали изучать?
С какими законами познакомились?
Сформулировать закон прямолинейности распространения света.
Сформулировать закон отражения света.
Сформулировать закон преломления света. Фронтальная беседа 5-7 мин.
5. Работа по теме занятия:
Что такое линза?Какие линзы бывают?
Первое упоминание о линзах можно найти в древнегреческой пьесе
Аристофана «Облака» (424 до н. э.), где с помощью выпуклого
стекла и солнечного света добывали огонь.
Линза от нем. linse, от лат.lens - чечевицаВиды линз
Основные элементы линзы
ГЛАВНАЯ ОПТИЧЕСКАЯ ОСЬ – прямая, проходящая через
центры сферических поверхностей, ограничивающих линзу.
ОПТИЧЕСКИЙ ЦЕНТР – пересечение главной оптической оси с линзой, обозначается точкой О.
Побочная оптическая ось – любая прямая, проходящая через оптический центр.
Если на собирающую линзу падает пучок лучей,
параллельных главной оптической оси, то после
преломления в линзе они собираются в одной точке F,
которая называется главным фокусом линзы.
Главных фокусов - два; они расположены на главной оптической оси на одинаковом расстоянии от оптического центра линзы по разные стороны.
Тонкая линза -линза, толщина которой мала по сравнению с радиусами кривизны ограничивающих ее сферических поверхностей.
Формулы тонкой линзы
Оптическая сила линзы
1 диоптрия – это оптическая сила линзы, фокусное расстояние которой 1 метр.
Изображения, даваемые линзой
Виды изображений
Построение изображений в собирающей линзе
Условные обозначения
F – фокус линзы
d - расстояние от предмета до линзы
f – расстояние от линзы до изображения
h – высота предмета
Н – высота изображения
Д - Оптическая сила линзы.
Единицы оптической силы – диоптрия - [дтпр]
Г – увеличение линзы
Практическая значимость изучаемой темы Работа с применением ИКТ
Электронный учебник 22-28 мин
6 Подведение итогов занятия, оценка результатов работы Беседа 2-3 мин
7. Домашнее задание 18.4. 331-334 с. 1-2 мин
8. Рефлексия: насколько достигнута цель и задачи занятия? Беседа 1-2 мин
Преподаватель: Г.А.Кривошеева

Барабинский филиал Новосибирского колледжа транспортных технологий имени Н.А. Лунина.

Преподаватель: Нагога Екатерина Михайловна.

Тема: «Линзы. Построение в линзах. Формула тонкой линзы.»

Цель: дать знания о линзах, их физических свойствах и характеристиках.

Ход урока

Организационный момент

Приветствие.

Проверка домашнего задания.

II. Изучение нового материала

Явление преломления света лежит в основе действия линз и многих оптических приборов, служащих для управления световыми пучками и получения оптических изображений.

Линза - это оптическое прозрачное тело, ограниченное сферическими поверхностями. Существует два вида линз :

а) выпуклые;

б) вогнутые.

Выпуклые линзы бывают : двояковыпуклыми, плосковыпуклыми, вогнуто выпуклыми.

Вогнутые линзы могут быть : двояковогнутыми, плосковогнутыми, выпукло вогнутыми.

Линзы, у которых середины толще, чем края, называют собирающими , а у которых толще края - рассеивающими (слайды 3,4) .

Эксперимент

Пучок света направляют на двояковыпуклую линзу. Наблюдаем собирающее действие такой линзы: каждый луч, падающий на линзу, после преломления ею отклоняется от своего первоначального направления, приближаясь к главной оптической оси.

Описанный опыт естественным образом подводит учащихся к понятиям главного фокуса и фокусного расстояния линзы.

Расстояние от оптического центра линзы до ее главного фокуса называют фокусным расстоянием линзы . Обозначают ее буквой F , как и сам фокус (слайды 4-6).

Далее выясняется ход световых лучей через рассеивающую линзу. Аналогичным образом рассматривается вопрос о действии и параметрах рассеивающей линзы. Основываясь на экспериментальных данных, можно сделать вывод: фокус рассеивающей линзы мнимый (слайд 7).

III . Построение в линзах.

От каждой точки предмета через линзу пройдёт бесчисленное количество лучей, из которых, для наглядности, на рисунке схематически изображен ход только трёх лучей.

(слайды 8,9)

Если предмет находится на бесконечно далёком от линзы расстоянии, то его изображение получается в заднем фокусе линзы F’ действительным , перевёрнутым и уменьшенным до подобия точки.

(слайд 10)

Если предмет помещён между передним фокусом и двойным фокусным расстоянием, то изображение будет получено за двойным фокусным расстоянием и будет действительным, перевёрнутым и увеличенным.

(слайд 11)

Если предмет помещён на двойном фокусном расстоянии от линзы, то полученное изображение находится по другую сторону линзы на двойном фокусном расстоянии от неё. Изображение получается действительным, перевёрнутым и равным по величине предмету.

(слайд 12)

Если предмет приближён к линзе и находится на расстоянии, превышающем двойное фокусное расстояние линзы, то изображение его будет действительным , перевёрнутым и уменьшенным и расположится за главным фокусом на отрезке между ним и двойным фокусным расстоянием.

(слайд 13)

Если предмет находится в плоскости переднего главного фокуса линзы, то лучи, пройдя через линзу, пойдут параллельно, и изображение может получиться лишь в бесконечности.

(слайд 14)

Если предмет поместить на расстоянии, меньшем главного фокусного расстояния, то лучи выйдут из линзы расходящимся пучком, нигде не пересекаясь. Изображение при этом получается мнимое , прямое и увеличенное , т. е. в данном случае линза работает как лупа.

(слайд 15)

IV. Вывод формулы тонкой линзы.

(слайд 16)

Из подобия заштрихованных треугольников (рис. 70) следует:

(слайд 17)

где d - расстояние предмета от линзы; f расстояние от линзы до изображения; F - фокусное расстояние. Оптическая сила линзы равна:

При расчетах числовые значения действительных величин всегда подставляются со знаком «плюс», а мнимых - со знаком «минус» (слайд 18).

Линейное увеличение

Из подобия заштрихованных треугольников (рис. 71) следует:

(слайд 19)

V. Закрепление изученного материала.

Почему фокус рассеивающей линзы называется мнимым?

Чем отличается действительное изображение точки от мнимого?

По какому признаку можно узнать: собирающая эта линза или рассеивающая, если судить только по форме?

Назовите свойство выпуклой линзы. (Собирать параллельные лучи в одну точку.)

Решение задач №№1064, 1066(Р) (слайды 20,21)

§ 63-65, №1065(Р)

Линза представляет собой тело, прозрачное и ограниченное. Ограничителями тела линзы чаще всего выступают либо две криволинейные поверхности, либо одна криволинейная, а другая плоская. Как известно, линзы бывают выпуклыми и вогнутыми. Соответственно выпуклой является линза, у которой середина плоскости утолщена относительно ее краев. Вогнутые линзы представляют собой другую картины: их середина тоньше относительно поверхности края. Если показатель преломления лучей окружающей среды меньше по-сравнению с этим же показателем выпуклой линзы, то в ней пучок, образованный параллельными лучами, преломляется преобразуясь в сходящийся пучок. Вогнутые линзы с такими свойствами получили название - собирающихся линз. Если же в вогнутой линзе пучок параллельно направленных лучей при преломлении превращается в расходящийся, то это рассеивающиеся вогнутые линзы, у них воздух выполняет роль внешней среды.

Линза представляет собой сферические поверхности с геометрическими центрами. Прямая, которая соединяет центры, является главной оптической осью. У тонких линз толщина меньше радиуса их искривления. Для таких линз верно утверждение, что их вершины сегментов близко расположены и представляют собой оптический центр. При этом побочной осью признается любая прямая, проходящая через центр под углом к прямой, соединяющей центры сферических поверхностей. А вот чтобы определить главный фокус линзы, достаточно представить себе, что на собирающую вогнутую линзу попадает пучок лучей. При этом эти лучи параллельны по отношению к главной оси. После преломления же такие лучи соберутся в одной точке, которая и будет фокусом. В фокусе можно увидеть продолжения лучей. Это лучи до преломления направленные параллельно главной оси. Но этот фокус мнимый. Существует и главный фокус рассеивающей линзы. Вернее два главных фокуса. Если представить себе главную оптическую ось, то главные фокусы будут на ней на равном удалении от центра. Если мы рассчитаем величину, которая будет обратной по отношению к фокусному расстоянию, то мы получим оптическую силу.

Единицей оптической силы линзы принят диоптрий, если мы имеем в виду систему СИ. Что характерно, у собирающей линзы ее оптическая сила представляет собой положительную величину, в то время как у рассеивающей она будет отрицательной. Если плоскость имеет свойство проходить через главный фокус линзы и при этом перпендикулярно к главной оси, то это фокальная плоскость. Достоверно известно, что лучи в виде пучка, направленные на линзу и при этом являющиеся параллелями к побочной оптической оси, соберутся в пересечении оси и фокальной плоскости. Способности линз отражать и преломлять используют в оптическом приборостроении.

Все мы знаем примеры бытового применения линз: лупа, очки, фотоаппарат, в науке и исследованиях это микроскоп. Значение открытия свойства линзы для человека огромно. В оптике как раз чаще всего используются линзы сферические. Их изготавливают из стекла и ограничивают сферами.

На данном уроке будет рассмотрена тема «Формула тонкой линзы». Этот урок является своеобразным заключением и обобщением всех знаний, полученных в разделе геометрической оптики. В ходе занятия учащимся придётся решить несколько задач, используя формулу тонкой линзы, формулу увеличения и формулу для вычисления оптической силы линзы.

Представлена тонкая линза, у которой указана главная оптическая ось, и указано, что в плоскости, проходящей через двойной фокус, располагается светящаяся точка. Необходимо определить, какая из четырех точек на чертеже соответствует правильному изображению этого предмета, то есть светящейся точке.

Задача может быть решена несколькими способами, рассмотрим два из них.

На рис. 1 изображена собирающая линза с оптическим центом (0), фокусы (), линза разнофокусная и точки двойного фокуса (). Светящаяся точка () лежит в плоскости, расположенной в двойном фокусе. Необходимо показать, какая из четырех точек соответствует построению изображения или изображению этой точки на схеме.

Решение задачи начнем с вопроса построения изображения.

Светящаяся точка () располагается на двойном расстоянии от линзы, то есть это расстояние равно двойному фокусу, его можно построить следующим образом: взять линию, которая соответствует лучу, движущемуся параллельно главной оптической оси, преломленный луч пройдет через фокус (), а второй луч пройдет через оптический центр (0). Пересечение окажется на расстоянии двойного фокуса () от линзы, это не что иное, как изображение, и оно соответствует точке 2. Правильный ответ: 2.

Одновременно с этим можно воспользоваться формулой тонкой линзы и вместо подставить , ведь точка лежит на расстоянии двойного фокуса, при преобразовании получим, что изображение тоже получается в точке, удаленной на двойном фокусе, ответ будет соответствовать 2 (рис. 2).

Рис. 2. Задача 1, решение ()

Задачу можно было бы решить и с помощью таблицы, которую мы рассматривали ранее, там указано, что если предмет находится на расстоянии двойного фокуса, то изображение тоже получится на расстоянии двойного фокуса, то есть, помня таблицу, ответ можно было бы получить сразу.

Предмет высотой 3 сантиметра находится на расстоянии 40 сантиметров от собирающей тонкой линзы. Определить высоту изображения, если известно, что оптическая сила линзы составляет 4 диоптрии.

Записываем условие задачи и, поскольку величины указаны в разных системах отсчета, переводим их в единую систему и запишем уравнения, необходимые для решения задачи:

Мы использовали формулу тонкой линзы для собирающей линзы с положительным фокусом, формулу увеличения () через величину изображения и высоту самого предмета, а также через расстояние от линзы до изображения и от линзы до самого предмета. Вспомнив, что оптическая сила () - это и есть обратное значение фокусного расстояния, можем переписать уравнение тонкой линзы. Из формулы увеличения запишем высоту изображения. Далее запишем выражение для расстояния от линзы до изображения из преобразования формулы тонкой линзы и запишем формулу, по которой можно вычислить расстояние до изображения (. Подставив значение в формулу высоты изображения, мы получим необходимый результат , то есть высота изображения получилась больше, чем высота самого предмета. Следовательно, изображение действительное и увеличение больше единицы.

Перед тонкой собирающей линзой поместили предмет, в результате такого размещения увеличение получилось равным 2. Когда предмет передвинули относительно линзы, то увеличение стало равно 10. Определить на сколько передвинули предмет и в каком направлении, если первоначальное расстояние от линзы до предмета составляло 6 сантиметров.

Для решения задачи мы будем использовать формулу вычисления увеличения и формулу собирающей тонкой линзы.

Из этих двух уравнений мы и будем искать решение. Выразим расстояние от линзы до изображения в первом случае, зная увеличение и расстояние. Подставив значения в формулу тонкой линзы, мы получим значение фокуса . Далее все повторяем для второго случая, когда увеличение составляет 10. Получим расстояние от линзы до предмета во втором случае, когда предмет передвинули, . Мы видим, что предмет был передвинут ближе к фокусу, так как фокус составляет 4 сантиметра, в этом случае увеличение составляет 10, то есть увеличивается изображение в 10 раз. Окончательный ответ , сам предмет был передвинут ближе к фокусу линзы и таким образом увеличение стало больше в 5 раз.

Геометрическая оптика остается очень важной темой в физике, все задачи решаются исключительно на понимании вопросов построении изображения в линзах и, конечно, знании необходимых уравнений.

Список литературы

Тихомирова С.А., Яворский Б.М. Физика (базовый уровень) - М.: Мнемозина, 2012.
Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И. Физика 10 класс. - М.: Мнемозина, 2014.
Кикоин И.К., Кикоин А.К. Физика-9. - М.: Просвещение, 1990.

Домашнее задание

Какой формулой определяется оптическая сила тонкой линзы?
Какая связь между оптической силой и фокусным расстоянием?
Запишите формулу тонкой собирающей линзы.

Интернет-портал Lib.convdocs.org ().
Интернет-портал Lib.podelise.ru ().
Интернет-портал Natalibrilenova.ru ().

План:

1 История
2 Характеристики простых линз
3 Ход лучей в тонкой линзе
4 Ход лучей в системе линз
5 Построение изображения тонкой собирающей линзой
6 Формула тонкой линзы
7 Масштаб изображения
8 Расчёт фокусного расстояния и оптической силы линзы
9 Комбинация нескольких линз (центрированная система)
10 Недостатки простой линзы
11 Линзы со специальными свойствами
- 11.1 Линзы из органических полимеров
- 11.2 Линзы из кварца
- 11.3 Линзы из кремния
12 Применение линз

Введение

Плоско-выпуклая линза

Линза (нем. Linse , от лат. lens - чечевица) - деталь из оптически прозрачного однородного материала, ограниченная двумя полированными преломляющими поверхностями вращения, например, сферическими или плоской и сферической. В настоящее время всё чаще применяются и «асферические линзы», форма поверхности которых отличается от сферы. В качестве материала линз обычно используются оптические материалы, такие как стекло, оптическое стекло, оптически прозрачные пластмассы и другие материалы.

Линзами также называют и другие оптические приборы и явления, которые создают сходный оптический эффект, не обладая указанными внешними характеристиками. Например:

Плоские «линзы», изготовленные из материала с переменным коэффициентом преломления, изменяющимся в зависимости от расстояния от центра
линзы Френеля
зонная пластинка Френеля, использующая явление дифракции
«линзы» воздуха в атмосфере - неоднородность свойств, в частности, коэффициента преломления (проявляются в виде мерцания изображения звёзд в ночном небе).
Гравитационная линза - наблюдаемый на межгалактических расстояниях эффект отклонения электромагнитных волн массивными объектами.
Магнитная линза - устройство, использующее постоянное магнитное поле для фокусирования пучка заряженных частиц (ионов или электронов) и применяющееся в электронных и ионных микроскопах.
Изображение линзы, сформированное оптической системой или частью оптической системы. Используется при расчёте сложных оптических систем.

1. История

Первое упоминание о линзах можно найти в древнегреческой пьесе Аристофана «Облака» (424 до н. э.), где с помощью выпуклого стекла и солнечного света добывали огонь.

Из произведений Плиния Старшего (23 - 79) следует, что такой способ разжигания огня был известен и в Римской империи - там также описан, возможно, первый случай применения линз для коррекции зрения - известно, что Нерон смотрел гладиаторские бои через вогнутый изумруд для исправления близорукости.

Сенека (3 до н. э. - 65) описал увеличительный эффект, который даёт стеклянный шар, заполненный водой.

Арабский математик Альхазен (965-1038) написал первый значительный трактат по оптике, описывающий, как хрусталик глаза создаёт изображение на сетчатке. Линзы получили широкое использование лишь с появлением очков примерно в 1280-х годах в Италии.

Сквозь капли дождя, действующие как линзы, видны Золотые Ворота

Растение, видимое через двояковыпуклую линзу

2. Характеристики простых линз

В зависимости от форм различают собирающие (положительные) и рассеивающие (отрицательные) линзы. К группе собирательных линз обычно относят линзы, у которых середина толще их краёв, а к группе рассеивающих - линзы, края которых толще середины. Следует отметить, что это верно только если показатель преломления у материала линзы больше, чем у окружающей среды. Если показатель преломления линзы меньше, ситуация будет обратной. Например пузырёк воздуха в воде - двояковыпуклая рассеивающая линза.

Линзы характеризуются, как правило, своей оптической силой (измеряется в диоптриях), или фокусным расстоянием.

Для построения оптических приборов с исправленной оптической аберрацией (прежде всего - хроматической, обусловленной дисперсией света, - ахроматы и апохроматы) важны и иные свойства линз/их материалов, например, коэффициент преломления, коэффициент дисперсии, коэффициент пропускания материала в выбранном оптическом диапазоне.

Иногда линзы/линзовые оптические системы (рефракторы) специально рассчитываются на использование в средах с относительно высоким коэффициентом преломления (см. иммерсионный микроскоп, иммерсионные жидкости).

Виды линз:
Собирающие :
1 - двояковыпуклая
2 - плоско-выпуклая
3 - вогнуто-выпуклая (положительный мениск)
Рассеивающие :
4 - двояковогнутая
5 - плоско-вогнутая
6 - выпукло-вогнутая (отрицательный мениск)

Выпукло-вогнутая линза называется мениском и может быть собирательной (утолщается к середине), рассеивающей (утолщается к краям) или телескопической (фокусное расстояние равно бесконечности). Так, например линзы очков для близоруких - как правило, отрицательные мениски.

Вопреки распространённому заблуждению, оптическая сила мениска с одинаковыми радиусами не равно нулю, а положительна, и зависит от показателя преломления стекла и от толщины линзы. Мениск, центры кривизны поверхностей которого находятся в одной точке называется концентрической линзой (оптическая сила всегда отрицательна).

Отличительным свойством собирательной линзы является способность собирать падающие на её поверхность лучи в одной точке, расположенной по другую сторону линзы.

Основные элементы линзы: NN - оптическая ось - прямая линия, проходящая через центры сферических поверхностей, ограничивающих линзу; O - оптический центр - точка, которая у двояковыпуклых или двояковогнутых (с одинаковыми радиусами поверхностей) линз находится на оптической оси внутри линзы (в её центре).
Примечание . Ход лучей показан, как в идеализированной (тонкой) линзе, без указания на преломление на реальной границе раздела сред. Дополнительно показан несколько утрированный образ двояковыпуклой линзы

Если на некотором расстоянии перед собирательной линзой поместить светящуюся точку S, то луч света, направленный по оси, пройдёт через линзу не преломившись, а лучи, проходящие не через центр, будут преломляться в сторону оптической оси и пересекутся на ней в некоторой точке F, которая и будет изображением точки S. Эта точка носит название сопряжённого фокуса, или просто фокуса .

Если на линзу будет падать свет от очень удалённого источника, лучи которого можно представить идущими параллельным пучком, то по выходе из неё лучи преломятся под бо́льшим углом и точка F переместится на оптической оси ближе к линзе. При данных условиях точка пересечения лучей, вышедших из линзы, называется фокусом F’, а расстояние от центра линзы до фокуса - фокусным расстоянием.

Лучи, падающие на рассеивающую линзу, по выходе из неё будут преломляться в сторону краёв линзы, то есть рассеиваться. Если эти лучи продолжить в обратном направлении так, как показано на рисунке пунктирной линией, то они сойдутся в одной точке F, которая и будет фокусом этой линзы. Этот фокус будет мнимым .

Мнимый фокус рассеивающей линзы

Сказанное о фокусе на оптической оси в равной степени относится и к тем случаям, когда изображение точки находится на наклонной линии, проходящей через центр линзы под углом к оптической оси. Плоскость, перпендикулярная оптической оси, расположенная в фокусе линзы, называется фокальной плоскостью .

Собирательные линзы могут быть направлены к предмету любой стороной, вследствие чего лучи по прохождении через линзу могут собираться как с одной, так и с другой её стороны. Таким образом, линза имеет два фокуса - передний и задний . Расположены они на оптической оси по обе стороны линзы на фокусном расстоянии от главных точек линзы.

3. Ход лучей в тонкой линзе

Линза, для которой толщина принята равной нулю, в оптике называется «тонкой». Для такой линзы показывают не две главных плоскости, а одну, в которой как бы сливаются вместе передняя и задняя.

Рассмотрим построение хода луча произвольного направления в тонкой собирающей линзе. Для этого воспользуемся двумя свойствами тонкой линзы:

Луч, прошедший через оптический центр линзы, не меняет своего направления;

Параллельные лучи, проходящие через линзу, сходятся в фокальной плоскости.

Рассмотрим луч SA произвольного направления, падающий на линзу в точке A. Построим линию его распространения после преломления в линзе. Для этого построим луч OB, параллельный SA и проходящий через оптический центр O линзы. По первому свойству линзы луч OB не изменит своего направления и пересечёт фокальную плоскость в точке B. По второму свойству линзы параллельный ему луч SA после преломления должен пересечь фокальную плоскость в той же точке. Таким образом, после прохождения через линзу луч SA пойдёт по пути AB.

Аналогичным образом можно построить другие лучи, например луч SPQ.

Обозначим расстояние SO от линзы до источника света через u, расстояние OD от линзы до точки фокусировки лучей через v, фокусное расстояние OF через f. Выведем формулу, связывающую эти величины.

Рассмотрим две пары подобных треугольников: 1) SOA и OFB; 2) DOA и DFB. Запишем пропорции

Разделив первую пропорцию на вторую, получим

После деления обоих частей выражения на v и перегруппировки членов, приходим к окончательной формуле

где - фокусное расстояние тонкой линзы.

4. Ход лучей в системе линз

Ход лучей в системе линз строится теми же методами, что и для одиночной линзы.

Рассмотрим систему из двух линз, одна из которых имеет фокусное расстояние OF, а вторая O 2 F 2 . Строим путь SAB для первой линзы и продолжаем отрезок AB до вхождения во вторую линзу в точке C.

Из точки O 2 строим луч O 2 E, параллельный AB. При пересечении с фокальной плоскостью второй линзы этот луч даст точку E. Согласно второму свойству тонкой линзы луч AB после прохождения через вторую линзу пойдёт по пути BE. Пересечение этой линии с оптической осью второй линзы даст точку D, где сфокусируются все лучи, вышедшие из источника S и прошедшие через обе линзы.

5. Построение изображения тонкой собирающей линзой

При изложении характеристики линз был рассмотрен принцип построения изображения светящейся точки в фокусе линзы. Лучи, падающие на линзу слева, проходят через её задний фокус, а падающие справа - через передний фокус. Следует учесть, что у рассеивающих линз, наоборот, задний фокус расположен спереди линзы, а передний позади.

Построение линзой изображения предметов, имеющих определённую форму и размеры, получается следующим образом: допустим, линия AB представляет собой объект, находящийся на некотором расстоянии от линзы, значительно превышающем её фокусное расстояние. От каждой точки предмета через линзу пройдёт бесчисленное количество лучей, из которых, для наглядности, на рисунке схематически изображён ход только трёх лучей.

Три луча, исходящие из точки A, пройдут через линзу и пересекутся в соответствующих точках схода на A 1 B 1 , образуя изображение. Полученное изображение является действительным и перевёрнутым .

В данном случае изображение получено в сопряжённом фокусе в некоторой фокальной плоскости FF, несколько удалённой от главной фокальной плоскости F’F’, проходящей параллельно ей через главный фокус.

Если предмет помещён на двойном фокусном расстоянии от линзы, то полученное изображение находится по другую сторону линзы на двойном фокусном расстоянии от неё. Изображение получается действительным , перевёрнутым и равным по величине предмету.

Если предмет помещён между передним фокусом и двойным фокусным расстоянием, то изображение будет получено за двойным фокусным расстоянием и будет действительным , перевёрнутым и увеличенным .

Нетрудно заметить, что при приближении предмета из бесконечности к переднему фокусу линзы изображение удаляется от заднего фокуса и по достижении предметом плоскости переднего фокуса оказывается в бесконечности от него.

Эта закономерность имеет большое значение в практике различных видов фотографических работ, поэтому для определения зависимости между расстоянием от предмета до линзы и от линзы до плоскости изображения необходимо знать основную формулу линзы .

6. Формула тонкой линзы

Расстояния от точки предмета до центра линзы и от точки изображения до центра линзы называются сопряжёнными фокусными расстояниями.

Эти величины находятся в зависимости между собой и определяются формулой, называемой формулой тонкой линзы (открытой Исааком Барроу):

где - расстояние от линзы до предмета; - расстояние от линзы до изображения; - главное фокусное расстояние линзы. В случае толстой линзы формула остаётся без изменения с той лишь разницей, что расстояния отсчитываются не от центра линзы, а от главных плоскостей.

Для нахождения той или иной неизвестной величины при двух известных пользуются следующими уравнениями:

Следует отметить, что знаки величин u , v , f выбираются исходя из следующих соображений - для действительного изображения от действительного предмета в собирающей линзе - все эти величины положительны. Если изображение мнимое - расстояние до него принимается отрицательным, если предмет мнимый - расстояние до него отрицательно, если линза рассеивающая - фокусное расстояние отрицательно.

Изображения чёрных букв через тонкую выпуклую линзу с фокусным расстоянием f (отображаются красным цветом). Показаны лучи для букв E, I и K (синим, зеленым и оранжевым соответственно). Размеры реального и перевернутого изображения E (2f) одинаковы. Образ I (f) - в бесконечности. К (при f/2) имеет двойной размер виртуального и прямого изображения

7. Масштаб изображения

Масштабом изображения () называется отношение линейных размеров изображения к соответствующим линейным размерам предмета. Это отношение может быть косвенно выражено дробью , где - расстояние от линзы до изображения; - расстояние от линзы до предмета.

Здесь есть коэффициент уменьшения, т. е. число, показывающее во сколько раз линейные размеры изображения меньше действительных линейных размеров предмета.

В практике вычислений гораздо удобнее это соотношение выражать в значениях или , где - фокусное расстояние линзы.

8. Расчёт фокусного расстояния и оптической силы линзы

Значение фокусного расстояния для линзы может быть рассчитано по следующей формуле:

, где

Коэффициент преломления материала линзы,

Расстояние между сферическими поверхностями линзы вдоль оптической оси, также известное как толщина линзы , а знаки при радиусах считаются положительными, если центр сферической поверхности лежит справа от линзы и отрицательными, если слева. Если пренебрежительно мало, относительно её фокусного расстояния, то такая линза называется тонкой , и её фокусное расстояние можно найти как:

где R>0 если центр кривизны находится справа от главной оптической оси; R<0 если центр кривизны находится слева от главной оптической оси. Например, для двояковыпуклой линзы будет выполняться условие 1/F=(n-1)(1/R1+1/R2)

(Эту формулу также называют формулой тонкой линзы .) Величина фокусного расстояния положительна для собирающих линз, и отрицательна для рассеивающих. Величина называется оптической силой линзы. Оптическая сила линзы измеряется в диоптриях , единицами измерения которых являются м −1 .

Указанные формулы могут быть получены аккуратным рассмотрением процесса построения изображения в линзе с использованием закона Снелла, если перейти от общих тригонометрических формул к параксиальному приближению.

Линзы симметричны, то есть они имеют одинаковое фокусное расстояние независимо от направления света - слева или справа, что, однако, не относится к другим характеристикам, например, аберрациям, величина которых зависит от того, какой стороной линза повёрнута к свету.

9. Комбинация нескольких линз (центрированная система)

Линзы могут комбинироваться друг с другом для построения сложных оптических систем. Оптическая сила системы из двух линз может быть найдена как простая сумма оптических сил каждой линзы (при условии, что обе линзы можно считать тонкими и они расположены вплотную друг к другу на одной оси):

Если линзы расположены на некотором расстоянии друг от друга и их оси совпадают (система из произвольного числа линз, обладающих таким свойством, называется центрированной системой), то их общую оптическую силу с достаточной степенью точности можно найти из следующего выражения:

где - расстояние между главными плоскостями линз.

10. Недостатки простой линзы

В современной фотоаппаратуре к качеству изображения предъявляются высокие требования.

Изображение, даваемое простой линзой, в силу целого ряда недостатков не удовлетворяет этим требованиям. Устранение большинства недостатков достигается соответствующим подбором ряда линз в центрированную оптическую систему - объектив. Изображения, полученные при помощи простых линз, имеют различные недостатки. Недостатки оптических систем называются аберрациями, которые делятся на следующие виды:

Геометрические аберрации
- Сферическая аберрация;
- Кома;
- Астигматизм;
- Дисторсия;
- Кривизна поля изображения;
Хроматическая аберрация;
Дифракционная аберрация (эта аберрация вызывается другими элементами оптической системы, и к самой линзе отношения не имеет).

11. Линзы со специальными свойствами

11.1. Линзы из органических полимеров

Полимеры дают возможность создавать недорогие асферические линзы с помощью литья.

Линзы контактные

В области офтальмологии созданы мягкие контактные линзы. Их производство основано на применении материалов, имеющих бифазную природу, сочетающих фрагменты кремний-органического или кремний-фторорганического полимера силикона и гидрофильного полимера гидрогеля. Работа в течение более 20 лет привела к созданию в конце 90-х годов силикон-гидрогелевых линз, которые благодаря сочетанию гидрофильных свойств и высокой кислородопроницаемости могут непрерывно использоваться в течение 30 дней круглосуточно.

11.2. Линзы из кварца

Кварцевое стекло - переплавленный чистый кремнезём с незначительными (около 0,01 %) добавками Al 2 О 3 , СаО и MgO. Оно отличается высокой термостойкостью и инертностью ко многим химическим реактивам за исключением плавиковой кислоты.

Прозрачное кварцевое стекло хорошо пропускает ультрафиолетовые и видимые лучи света.

11.3. Линзы из кремния

Кремний сочетает сверхвысокую дисперсию с самым большим абсолютным значением коэффициента преломления n=3,4 в диапазоне ИК-излучения и полной непрозрачностью в видимом диапазоне спектра.

Кроме того, именно свойства кремния и новейшие технологии его обработки позволили создать линзы для рентгеновского диапазона электромагнитных волн.

12. Применение линз

Линзы являются универсальным оптическим элементом большинства оптических систем.

Традиционное применение линз - бинокли, телескопы, оптические прицелы, теодолиты, микроскопы и фотовидеотехника. Одиночные собирающие линзы используются как увеличительные стёкла.

Другая важная сфера применения линз офтальмология, где без них невозможно исправление недостатков зрения - близорукости, дальнозоркости, неправильной аккомодации, астигматизма и других заболеваний. Линзы используют в таких приспособлениях, как очки и контактные линзы.

В радиоастрономии и радарах часто используются диэлектрические линзы, собирающие поток радиоволн в приёмную антенну, либо фокусирующие на цели.

В конструкции плутониевых ядерных бомб для преобразования сферической расходящейся ударной волны от точечного источника (детонатора) в сферическую сходящуюся применялись линзовые системы, изготовленные из взрывчатки с разной скоростью детонации (то есть с разным коэффициентом преломления).

Примечания

Наука в Сибири - www.nsc.ru/HBC/hbc.phtml?15 320 1
линзы из кремния для ИК диапазона - www.optotl.ru/mat/Si#2

скачать
Данный реферат составлен на основе статьи из русской Википедии . Синхронизация выполнена 09.07.11 20:53:22
Похожие рефераты: Линза Френеля , Линза Люнеберга , Линза Бийе , Электромагнитная линза , Квадрупольная линза , Асферическая линза .