1) Изображение может быть мнимое или действительное . Если изображение образовано самими лучами (т.е. в данную точку поступает световая энергия), то оно действительное, если же не самими лучами, а их продолжениями, то говорят, что изображение мнимое (световая энергия не поступает в данную точку).
2) Если верх и низ изображения ориентированы аналогично самому предмету, то изображение называется прямым . Если же изображение перевернуто, то его называют обратным (перевернутым) .
3) Изображение характеризуется приобретаемыми размерами: увеличенное, уменьшенное, равное.
Изображение в плоском зеркале
Изображение в плоском зеркале является мнимым, прямым, равным по размерам предмету, находится на таком же расстоянии за зеркалом, на каком предмет расположен перед зеркалом.
Линзы
Линза представляет собой прозрачное тело, ограниченное с двух сторон криволинейными поверхностями.
Различают шесть типов линз.
Собирающие: 1 - двояковыпуклая, 2 - плоско-выпуклая, 3 - выпукло-вогнутая. Рассеивающие: 4 - двояковогнутая; 5 - плосковогнутая; 6 - вогнуто-выпуклая.
Собирающая линза
Рассеивающая линза
Характеристики линз.
NN - главная 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);
F - главный фокус линзы - точка, в которую собирается пучок света, распространяющийся параллельно главной оптической оси;
OF - фокусное расстояние;
N"N" - побочная ось линзы;
F" - побочный фокус;
Фокальная плоскость - плоскость, проходящая через главный фокус перпендикулярно главной оптической оси.
Ход лучей в линзе.
Луч, идущий через оптический центр линзы (О), не испытывает преломления.
Луч, параллельный главной оптической оси, после преломления проходит через главный фокус (F).
Луч, проходящий через главный фокус (F), после преломления идет параллельно главной оптической оси.
Луч, идущий параллельно побочной оптической оси (N"N"), проходит через побочный фокус (F").
Формула линзы.
При использовании формулы линзы следует верно использовать правило знаков: +F - линза собирающая; -F - линза рассеивающая; +d - предмет действительный; -d - предмет мнимый; +f - изображение предмета действительное; -f - изображение предмета мнимое.
Величина, обратная фокусному расстоянию линзы, называется оптической силой .
Поперечное увеличение - отношение линейного размера изображения к линейному размеру предмета.
Современные оптические устройства используют системы линз для улучшения качества изображений. Оптическая сила системы линз, сложенных вместе, равна сумме их оптических сил.
1 - роговица; 2 - радужная оболочка; 3 - белочная оболочка (склера); 4 - сосудистая оболочка; 5 - пигментный слой; 6 - желтое пятно; 7 - зрительный нерв; 8 - сетчатка; 9 - мышца; 10 - связки хрусталика; 11 - хрусталик; 12 - зрачок.
Хрусталик является линзоподобным телом и осуществляет настройку нашего зрения на различные расстояния. В оптической системе глаза фокусировка изображения на сетчатку называется аккомодацией . У человека аккомодация происходит за счет увеличения выпуклости хрусталика, осуществляемого с помощью мышц. При этом изменяется оптическая сила глаза.
Изображение предмета, попадающее на сетчатку глаза, является действительным, уменьшенным, перевернутым.
Расстояние наилучшего зрения должно быть около 25 см, а предел зрения (дальняя точка) находится на бесконечности.
Близорукость (миопия) - дефект зрения, при котором глаз видит расплывчато, а изображение фокусируется перед сетчаткой.
Дальнозоркость (гиперопия) - дефект зрения, при котором изображение фокусируется за сетчаткой.
Выполнила: учитель Кузнецкой СОШ Пряхина Н.В.
План урока
Этапы урока, содержание | Форма | Деятельность учителя | Деятельность учеников |
1.Повторение домашнего задания 5 мин |
|||
2.1. Введение понятия линзы | Мысленный эксперимент | Проводит мысленный эксперимент, объясняет, демонстрирует модель, рисует на доске | Проводят мысленный эксперимент, слушают, задают вопросы |
2.2. Выделение признаков и свойств линзы | Ставит проблемные вопросы, приводит примеры | ||
2.3. Объяснение хода лучей в линзе | Ставит проблемные вопросы, рисует, объясняет | Отвечают на вопросы, делают выводы |
|
2.4. Введение понятия фокуса, оптической силы линзы | Ставит наводящие вопросы, рисует на доске, объясняет, показывает | Отвечают на вопросы, делают выводы, работают с тетрадью |
2.5. Построение изображения | Объяснение | Рассказывает, демонстрирует модель, показывает транспаранты | отвечают на вопросы, рисуют в тетради |
3.Закрепление нового материала 8 мин |
|||
3.1. Принцип построения изображения в линзах | Ставит проблемные вопросы | Отвечают на вопросы, делают выводы |
|
3.2. Решение теста | Работа в парах | Коррекция, индивидуальная помощь, контроль | Отвечают на вопросы теста, помогают друг другу |
4.Домашнее задание 1 мин |
|||
§63,64, упр.9 (8) Уметь составлять рассказ по конспекту. |
Урок. Линза. Построение изображения в тонкой линзе .
Цель: Дать знания о линзах, их физических свойствах и характеристиках. Сформировать практические умения применять знания о свойствах линз для нахождения изображения графическим методом.
Задачи : изучить виды линз, ввести понятие тонкой линзы как модели; ввести основные характеристики линзы – оптический центр, главная оптическая ось, фокус, оптическую силу; формировать умения строить ход лучей в линзах.
Использовать решение задач для продолжения формирования расчетных навыков.
Структура урока: учебная лекция (в основном новый материал излагает преподаватель, но учащиеся ведут конспект и по ходу изложения материала отвечают на вопросы преподавателя).
Межпредметные связи: черчение (построение лучей), математика (расчеты по формулам, использование микрокалькуляторов для сокращения затрат времени на вычисления), обществоведение (понятие о законах природы).
Учебное оборудование: фотографии и иллюстрации физических объектов из мультимедийного диска «Мультимедиа библиотека по физике».
Конспект урока.
С целью повторения пройденного, а также проверки глубины усвоения знаний учащимися, проводится фронтальный опрос по изученной теме:
Какое явление называется преломлением света? В чем его суть?
Какие наблюдения и опыты наводят на мысль об изменении направления распространения света при переходе его в другую среду?
Какой угол – падения или преломления – будет больше в случае перехода луча света из воздуха в стекло?
Почему, находясь в лодке, трудно попасть копьем в рыбу, плавающую невдалеке?
Почему изображение предмета в воде всегда менее ярко, чем сам предмет?
В каком случае угол преломления равен углу падения?
2. Изучение нового материала:
Линза – оптически прозрачное тело, ограниченное сферическими поверхностями.�
Выпуклые линзы бывают: двояковыпуклые(1), плосковыпуклые (2), вогнуто-выпуклые (3).
Вогнутые линзы бывают: двояковогнутые (4), плосковогнутые (5), выпукло-вогнутые (6).
В школьном курсе мы будем изучать тонкие линзы.
Линза, толщина которой много меньше радиусов кривизны ее поверхностей называют тонкой линзой.
Линзы, которые преобразуют пучок параллельных лучей в сходящийся и собирают его в одну точку называют собирающими линзами.
Линзы, которые преобразуют пучок параллельных лучей в расходящийся называют рассеивающими линзами.�Точка в которой лучи после преломления собираются, называется фокусом . Для собирающей линзы – действительный. Для рассеивающей – мнимый.
Рассмотрим ход пучков света через рассеивающую линзу:
Вводим и показываем основные параметры линз:
Оптический центр линзы;
Оптические оси линзы и главную оптическую ось линзы;
Главные фокусы линзы и фокальную плоскость.
Построение изображений в линзах:
Точечный объект и его изображение всегда лежат на одной оптической оси.
Луч, падающий на линзу параллельно оптической оси, после преломления через линзу проходит через фокус, соответствующий этой оси.
Луч, проходящий через фокус до собирающей линзы, после линзы распространяется параллельно оси, соответствующей этому фокусу.
Луч, параллельный оптической оси, пересекается с ней после преломления в фокальной плоскости.
d – расстояние предмета до линзы
F – фокусное расстояние линзы.
1. Предмет находится за двойным фокусным расстоянием линзы: d > 2F .
Линза даст уменьшенное,перевернутое, действительное изображение предмета.
Предмет находится между фокусом линзы и ее двойным фокусом: F< d < 2F
Линза дает увеличенное, перевернутое, действительное изображение предмета.�
Предмет помещен в фокус линзы: d = F
Изображение предмета будет размыто.
4. Предмет находится между линзой и ее фокусом: d < F
изображение предмета увеличенное, мнимое, прямое и расположено по ту же сторону от линзы, что и предмет.
5. Изображения, даваемые рассеивающей линзой.
линза не дает действительных изображений, лежащих по ту же сторону от линзы, что и предмет.
Формула тонкой линзы:
Формула для нахождения оптической силы линзы:
величина, обратная фокусному расстоянию, называется оптической силой линзы. Чем короче фокусное расстояние, тем оптическая сила линзы больше.
Оптические приборы:
фотоаппарат
Киноаппарат
Микроскоп
Тест.
Какие линзы изображены на рисунках?
С помощью какого прибора можно получить изображение показанное на рисунке.
а. фотоаппарат б. киноаппарат в. лупа
Какая линза изображена на рисунке?
а. собирающая
б. рассеивающая
вогнутые
Разделы: Физика
Цель урока:
- Обеспечить процесс усвоения основных понятий темы “линза” и принципа построения изображений, даваемых линзой
- Способствовать развитию познавательного интереса учащихся к предмету
- Способствовать воспитанию аккуратности в ходе выполнения чертежей
Оборудование:
- Ребусы
- Линзы собирающие и рассеивающие
- Экраны
- Свечи
- Кроссворд
На какой урок Мы с вами пришли? (ребус 1) физика
Сегодня мы с вами будем изучать новый раздел физики – оптика . С этим разделом вы знакомились еще в 8 классе и, наверное, помните некоторые аспекты темы “Световые явления”. В частности давайте вспомним изображения, даваемые зеркалами. Но для начала:
- Какие вы знаете типы изображений? (мнимые и действительные).
- Какое изображение дает зеркало? (Мнимое, прямое)
- На каком расстоянии оно находится от зеркала? (на таком же как и предмет)
- А всегда ли правду нам говорят зеркала? (сообщение “Еще раз наоборот”)
- А всегда ли в зеркале можно увидеть себя таким, какой ты есть, пусть даже наоборот? (сообщение “Зеркала-дразнилки”)
Сегодня мы продолжим нашу лекцию и поговорим еще об одном предмете оптики. Угадайте. (ребус 2) линза
Линза – прозрачное тело, ограниченное двумя сферическими поверхностями.
Тонкая линза – ее толщина мала по сравнению с радиусами кривизны поверхности.
Основные элементы линзы:
Отличите на ощупь собирающую линзу от рассеивающей. Линзы стоят у вас на столе.
Как же построить изображение в собирающей и рассеивающей линзах?
1. Предмет за двойным фокусом.
2. Предмет в двойном фокусе
3. Предмет между фокусом и двойным фокусом
4. Предмет в фокусе
5. Предмет между фокусом и линзой
6. Рассеивающая линза
Формула тонкой линзы =+
А давно ли люди научились пользоваться линзами? (сообщение “В мире невидимого”)
А сейчас мы с вами попробуем получить изображение окна (свечи) с помощью имеющихся у вас на столе линз. (Опыты)
А зачем нам нужны линзы (для очков, лечение близорукости, дальнозоркости) – это ваше первое домашнее задание – подготовить сообщение об исправлении близорукости и дальнозоркости с помощью очков.
Итак, какое же явление мы использовали, чтобы вести сегодняшний урок (ребус 3) наблюдение.
А сейчас мы проверим, как же вы усвоили тему сегодняшнего урока. Для этого разгадаем кроссворд.
Домашнее задание:
- ребусы,
- кроссворды,
- сообщения о близорукости и дальнозоркости,
- лекционный материал
Зеркала-дразнилки
До сих пор шла речь о честных зеркалах. Они показывали мир таким, каков он есть. Ну разве что вывернутым справа на лево. Но бывают зеркала-дразнилки, кривые зеркала. Во многих парках культуры и отдыха есть такой аттракцион – “комната - смеха”. Там каждый желающий может увидеть себя то коротким и круглым, как кочан капусты, то длинным и тонким, как морковка, то похожим на проросшую луковицу: почти без ног и с раздутым животом, из которого, словно стрелка, тянется вверх узенькая грудь и уродливо вытянутая голова на тончайшей шее.
Ребята помирают со смеху, а взрослые стараясь сохранить серьезность, только качают головами. И от этого отражения их голов в зеркалах-дразнилках перекашиваются самым уморительным образом.
Комната смеха есть не везде, но зеркала-дразнилки окружают нас и в жизни. Ты, верно, не раз любовался своим отражением в стеклянном шарике с новогодней елки. Или в никелированном металлическом чайнике, кофейнике, самоваре. Все изображения очень забавно искажены. Это потому, что “зеркала” выпуклые. На руле велосипеда, мотоцикла, у кабины водителя автобуса тоже прикрепляют выпуклые зеркала. Они дают почти неискаженное, но несколько уменьшенное изображение дороги позади, а в автобусах еще и задней двери. Прямые зеркала тут не годятся: в них видно слишком мало. А выпуклое зеркало, даже маленькое, вмещает в себя большую картину.
Бывают иногда и вогнутые зеркала. Ими пользуются для бритья. Если близко подойти к такому зеркалу, увидишь свое лицо сильно увеличенным. В прожекторе тоже применено вогнутое зеркало. Это оно собирает лучи от лампы в параллельный пучок.
В мире невиданного
Около четырехсот лет назад искусные мастера в Италии и в Голландии научились делать очки. Вслед за очками изобрели лупы для рассматривания мелких предметов. Это было очень интересно и увлекательно: вдруг увидеть во всех подробностях какое-нибудь просяное зернышко или мушиную ножку!
В наш век радиолюбители строят аппаратуру, позволяющую принимать все более удаленные станции. А триста лет назад любители оптики увлекались шлифованием все более сильных линз, позволяющих дальше проникнуть в мир невидимого.
Одним из таких любителей был голландец Антоний Ван Левенгук. Линзы лучших мастеров того времени увеличивали всего в 30-40 раз. А линзы Левенгука давали точное, чистое изображение, увеличенное в 300 раз!
Словно целый мир чудес открывался перед пытливым голландцем. Левенгук тащил под стекло все, что только попадалось ему на глаза.
Он первый увидел микроорганизмы в капле воды, капиллярные сосуды в хвосте головастика, красные кровяные тельца и десятки, сотни других удивительных вещей, о которых до него никто не подозревал.
Но думайте что Левенгуку легко давались его открытия. Это был самоотверженный человек, отдавший исследованиям всю свою жизнь. Его линзы были очень неудобны, не то что теперешние микроскопы. Приходилось носом упираться в специальную подставку, чтобы во время наблюдения голова была совершенно неподвижна. И вот так, упершись в подставку, Левенгук делал свои опыты целых 60 лет!
Еще раз наоборот
В зеркале ты видишь себя не совсем так, как видят тебя окружающие. В самом деле, если ты зачесываешь волосы на одну сторону, в зеркале они будут зачесаны на другую. Если на лице родинки, они тоже окажутся не с той стороны. Если все это перевернуть зеркально, лицо покажется другим, незнакомым.
Как бы все-таки увидеть себя таким, каким видят окружающие? Зеркало все переворачивает наоборот… Ну что же! Давайте мы его перехитрим. Подсунем ему изображение, уже перевернутое, уже зеркальное. Пускай перевернет еще раз наоборот, и все станет на свое место.
Как это сделать? Да с помощью второго зеркала! Встаньте перед стенным зеркалом и возьмите еще одно, ручное. Держите его под острым углом к стенному. Ты перехитришь оба зеркала: в обоих появится твое “правое” изображение. Это легко проверить с помощью шрифта. Поднеси к лицу книжку с крупной надписью на обложке. В обоих зеркалах надпись будет читаться правильно, слева направо.
А теперь попробуй потяни себя за чуб. Уверен, что это удастся не сразу. Изображение в зеркале на этот раз совершенно правильное, не вывернутое справа налево. Именно поэтому ты и будешь ошибаться. Ты ведь привык видеть в зеркале зеркальное изображение.
В магазинах готового платья и в пошивочных ателье бывают трехстворчатые зеркала, так называемые трельяжи. В них тоже можно увидеть себя “со стороны”.
Литература:
- Л. Гальперштейн, Забавная физика, М.: детская литература, 1994
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
План:
-
Введение
- 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 Примечания
Литература
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 находится на бесконечно далёком от линзы расстоянии, то его изображение получается в заднем фокусе линзы F’ действительным , перевёрнутым и уменьшенным до подобия точки.
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.
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 .
Если предмет находится в плоскости переднего главного фокуса линзы, то лучи, пройдя через линзу, пойдут параллельно, и изображение может получиться лишь в бесконечности.
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.
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:
, гдеКоэффициент 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
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 .
