عدسی محدب در فیزیک چیست؟ لنزهای نوری (فیزیک): تعریف، شرح، فرمول و راه حل. چه نوع عدسی هایی در فیزیک وجود دارد؟

انواع لنز

از انعکاس و شکست نور برای تغییر جهت پرتوها یا به قول خودشان کنترل پرتوهای نور استفاده می شود. این اساس ایجاد ابزارهای نوری خاص مانند ذره بین، تلسکوپ، میکروسکوپ، دوربین و غیره است. قسمت اصلیبیشتر آنها یک لنز است. به عنوان مثال، عینک ها عدسی هایی هستند که در یک قاب قرار گرفته اند. این مثال به تنهایی نشان می دهد که استفاده از لنز برای یک فرد چقدر اهمیت دارد.

به عنوان مثال، در تصویر اول فلاسک همان گونه است که در زندگی می بینیم،

و در مورد دوم اگر با ذره بین (همان عدسی) به آن نگاه کنیم.

در اپتیک بیشتر از لنزهای کروی استفاده می شود. چنین عدسی ها بدنه هایی از شیشه نوری یا ارگانیک هستند که توسط دو سطح کروی محدود می شوند.

عدسی ها بدنه های شفافی هستند که از دو طرف توسط سطوح منحنی (محدب یا مقعر) محدود شده اند. خط مستقیم AB که از مراکز C1 و C2 سطوح کروی محدود کننده عدسی می گذرد، محور نوری نامیده می شود.

این شکل مقطع دو عدسی را با مرکز در نقطه O نشان می دهد. عدسی اول نشان داده شده در شکل محدب و دومی مقعر نام دارد. نقطه O که روی محور نوری در مرکز این لنزها قرار دارد، مرکز نوری لنز نامیده می شود.

یکی از دو سطح محدود کننده ممکن است صاف باشد.

در سمت چپ عدسی ها محدب هستند،

در سمت راست - مقعر.

ما فقط عدسی های کروی را در نظر خواهیم گرفت، یعنی عدسی هایی که با دو سطح کروی محدود شده اند.
عدسی هایی که توسط دو سطح محدب محدود شده اند، دو محدب نامیده می شوند. عدسی هایی که با دو سطح مقعر محدود می شوند، دو مقعر نامیده می شوند.

با هدایت پرتویی از پرتوها به موازات محور نوری اصلی عدسی در یک عدسی محدب، خواهیم دید که پس از شکست در عدسی، این پرتوها در نقطه ای به نام کانون اصلی عدسی جمع می شوند.

- نقطه F. لنز دارای دو کانون اصلی است، در دو طرف در فاصله یکسان از مرکز نوری. اگر منبع نور در فوکوس باشد، پس از شکست در عدسی، پرتوها موازی با محور نوری اصلی خواهند بود. هر لنز دو نقطه کانونی دارد - یکی در هر طرف لنز. فاصله عدسی تا کانون آن را فاصله کانونی لنز می گویند.
اجازه دهید یک پرتو پرتوهای واگرا را از یک منبع نقطه ای که روی محور نوری قرار دارد به یک عدسی محدب هدایت کنیم. اگر فاصله منبع تا عدسی بیشتر از فاصله کانونی باشد، پرتوها پس از شکست در عدسی، محور نوری عدسی را در یک نقطه قطع می کنند. در نتیجه، یک عدسی محدب، پرتوهایی را که از منابعی که از لنز در فاصله ای بیشتر از فاصله کانونی آن قرار دارند، جمع آوری می کند. بنابراین عدسی محدب را عدسی همگرا می نامند.
هنگامی که پرتوها از یک عدسی مقعر عبور می کنند، تصویر متفاوتی مشاهده می شود.
اجازه دهید پرتوی از پرتوهای موازی با محور نوری را روی یک عدسی مقعر بفرستیم. متوجه خواهیم شد که پرتوها در یک پرتو واگرا از عدسی خارج می شوند. اگر این پرتوهای واگرا از پرتوها وارد چشم شود، به نظر ناظر به نظر می رسد که پرتوها از نقطه F خارج می شوند. این نقطه کانون خیالی عدسی دوقعر نامیده می شود. چنین عدسی را می توان واگرا نامید.

شکل 63 عمل عدسی های همگرا و واگرا را توضیح می دهد. لنزها را می توان به صورت تعداد زیادی منشور نشان داد. از آنجایی که منشورها پرتوها را منحرف می کنند، همانطور که در شکل ها نشان داده شده است، واضح است که عدسی هایی با ضخیم شدن در وسط، پرتوها را جمع آوری می کنند و عدسی هایی که در لبه ها ضخیم می شوند، آنها را پراکنده می کنند. وسط عدسی مانند یک صفحه موازی صفحه عمل می کند: پرتوها را در عدسی جمع کننده یا واگرا منحرف نمی کند.

در نقشه ها، لنزهای همگرا همانطور که در شکل سمت چپ نشان داده شده است، و لنزهای واگرا - در شکل سمت راست مشخص شده اند.

در بین عدسی های محدب عبارتند از: دو محدب، مسطح محدب و مقعر محدب (به ترتیب در شکل). تمام لنزهای محدب دارای برش وسط پهن تر از لبه ها هستند. به این عدسی ها لنزهای همگرا می گویند. در بین عدسی های مقعر دو مقعر، پلانو مقعر و محدب مقعر (به ترتیب در شکل) وجود دارد. تمام عدسی های مقعر دارای بخش میانی باریک تری نسبت به لبه ها هستند. به این لنزها لنزهای واگرا می گویند.

نور تابش الکترومغناطیسی است که توسط چشم از طریق حس بینایی درک می شود.

• قانون انتشار مستطیلی نور: نور به صورت مستقیم در یک محیط همگن منتشر می شود.
• منبع نوری که ابعاد آن در مقایسه با فاصله تا صفحه نمایش کوچک است، منبع نور نقطه ای نامیده می شود.

• پرتو فرودی و پرتو بازتاب شده در یک صفحه قرار دارند که عمود بر سطح بازتاب در نقطه تابش بازیابی شده است. زاویه تابش برابر زاویهبازتاب ها
• اگر یک جسم نقطه ای و انعکاس آن با هم عوض شوند، مسیر پرتوها تغییر نمی کند، فقط جهت آنها تغییر می کند.

سطح بازتابنده خمیازه ای نامیده می شود آینه تخت، اگر پرتوی از پرتوهای موازی به آن تابیده شود پس از بازتاب موازی باقی بماند.

• عدسی که ضخامت آن بسیار کمتر از شعاع انحنای سطوح آن باشد، عدسی نازک نامیده می شود.
• عدسی که پرتوی از پرتوهای موازی را به یک پرتوی همگرا تبدیل می کند و آن را در یک نقطه جمع می کند، عدسی همگرا می گویند.
• عدسی که پرتوی از پرتوهای موازی را به یک پرتو واگرا - واگرا تبدیل می کند.

برای یک لنز جمع آوری

برای یک لنز واگرا:

در تمام موقعیت‌های جسم، لنز یک تصویر کاهش‌یافته، مجازی و مستقیم می‌دهد که در همان سمت عدسی قرار گرفته است.

خواص چشم:

• اقامت (با تغییر شکل لنزها به دست می آید)؛
• سازگاری (انطباق با شرایط مختلفروشنایی)؛
• حدت بینایی (توانایی تشخیص جداگانه دو نقطه نزدیک)؛
• میدان دید (فضایی که هنگام حرکت چشم ها مشاهده می شود اما سر ثابت می ماند)

اختلالات بینایی

نزدیک بینی (تصحیح - عدسی واگرا)؛

دور بینی (تصحیح - عدسی همگرا).

یک لنز نازک نشان دهنده ساده ترین سیستم نوری است. لنزهای نازک ساده عمدتاً به شکل عینک برای عینک استفاده می شوند. علاوه بر این، استفاده از لنز به عنوان ذره بین به خوبی شناخته شده است.

عملکرد بسیاری از ابزارهای نوری - یک لامپ طرح ریزی، یک دوربین و سایر دستگاه ها - می تواند به طور شماتیک به عمل تشبیه شود. لنزهای نازک. با این حال، یک لنز نازک تنها در موارد نسبتاً نادری که فرد می‌تواند خود را به یک پرتو باریک تک رنگ که از منبع در امتداد محور نوری اصلی یا زیر آن می‌آید محدود کند، تصویر خوبی ارائه می‌کند. زاویه بالابه او. در اکثر مشکلات عملی، جایی که این شرایط برآورده نمی شود، تصویر تولید شده توسط یک لنز نازک نسبتاً ناقص است.
بنابراین، در بیشتر موارد به ساختن سیستم‌های نوری پیچیده‌تر متوسل می‌شوند عدد بزرگسطوح انکسار و محدود به نیاز مجاورت این سطوح نیست (الزامی که یک عدسی نازک آن را برآورده می کند). [4]

4.2 دستگاه عکاسی. ابزارهای نوری

همه ابزارهای نوریرا می توان به دو گروه تقسیم کرد:

1) دستگاه هایی که با آنها تصاویر نوری روی صفحه نمایش داده می شود. اینها شامل دستگاه های پروژکتور، دوربین، دوربین فیلمبرداری و غیره می شود.

2) دستگاه هایی که فقط در ارتباط با از طریق چشم انسانو روی صفحه تصویر ایجاد نکنید. اینها شامل ذره بین، میکروسکوپ و دستگاه های مختلفسیستم های تلسکوپ به چنین وسایلی بصری می گویند.

دوربین.

دوربین های مدرن ساختار پیچیده و متنوعی دارند، اما ما به این خواهیم پرداخت که یک دوربین از چه عناصر اساسی تشکیل شده و چگونه کار می کند.

لنزجسم شفافی نامیده می شود که توسط دو سطح منحنی (اغلب کروی) یا منحنی و مسطح محدود شده است. عدسی ها به محدب و مقعر تقسیم می شوند.

عدسی هایی که وسط آنها ضخیم تر از لبه ها باشد محدب نامیده می شوند. عدسی هایی که وسط آنها نازکتر از لبه ها باشد مقعر نامیده می شوند.

اگر ضریب شکست عدسی بزرگتر از ضریب شکست باشد محیط، سپس در یک عدسی محدب یک پرتو موازی از پرتوها پس از شکست به یک پرتو همگرا تبدیل می شود. چنین لنزهایی نامیده می شوند جمع آوری(شکل 89، الف). اگر یک پرتو موازی در یک عدسی به یک پرتو واگرا تبدیل شود، این عدسی ها پراکندگی نامیده می شوند(شکل 89، ب). عدسی های مقعر که دارند محیط خارجیهوا را سرو می کند، دفع کننده هستند.

O 1، O 2 - مراکز هندسی سطوح کروی که عدسی را محدود می کنند. سر راست O 1 O 2اتصال مراکز این سطوح کروی را محور نوری اصلی می نامند. ما معمولاً لنزهای نازکی را در نظر می گیریم که ضخامت آنها در مقایسه با شعاع انحنای سطوح آن کوچک است، بنابراین نقاط C 1 و C 2 (بالای بخش ها) نزدیک به یکدیگر قرار دارند؛ آنها را می توان با یک نقطه O جایگزین کرد که به آن نوری می گویند. مرکز لنز (شکل 89a را ببینید). هر خط مستقیمی که از مرکز نوری عدسی با زاویه ای نسبت به محور نوری اصلی کشیده شود، نامیده می شود. محور نوری ثانویه(A 1 A 2 B 1 B 2).

اگر پرتوی از پرتوهای موازی با محور نوری اصلی بر روی عدسی جمع کننده بیفتد، پس از شکست در عدسی در یک نقطه F جمع می شوند که به آن می گویند. تمرکز اصلی لنز(شکل 90، الف).

در کانون عدسی واگرا، ادامه پرتوها، که قبل از شکست موازی با محور نوری اصلی آن بودند، قطع می‌شوند (شکل 90، ب). تمرکز یک عدسی واگرا خیالی است. دو تمرکز اصلی وجود دارد. آنها در محور نوری اصلی در همان فاصله از مرکز نوری لنز در طرفین مقابل قرار دارند.

ارزش متقابل فاصله کانونیلنزها، به آن می گویند قدرت نوری. قدرت نوریلنز - D.

واحد SI قدرت نوری برای یک لنز دیوپتر است. دیوپتر قدرت نوری عدسی است که فاصله کانونی آن 1 متر است.

قدرت نوری یک عدسی همگرا مثبت است در حالی که قدرت نوری یک عدسی واگرا منفی است.

صفحه ای که از کانون اصلی عدسی عمود بر محور نوری اصلی عبور می کند نامیده می شود. کانونی(شکل 91). پرتوی از پرتوهایی که موازی با برخی از محورهای نوری ثانویه بر روی عدسی می تابند در نقطه تقاطع این محور با صفحه کانونی جمع آوری می شود.

ساختن تصویر از یک نقطه و یک جسم در یک عدسی همگرا.

برای ساختن تصویر در عدسی کافی است از هر نقطه جسم دو پرتو گرفته و پس از شکست در عدسی نقطه تقاطع آنها را بیابید. استفاده از پرتوهایی که مسیر آنها پس از شکست در عدسی مشخص است راحت است. بنابراین، یک پرتو بر روی یک عدسی موازی با محور نوری اصلی، پس از شکست در عدسی، از کانون اصلی عبور می کند. پرتوی که از مرکز نوری لنز عبور می کند شکسته نمی شود. پرتوی که از کانون اصلی لنز عبور می کند، پس از شکست، به موازات محور نوری اصلی می رود. یک پرتو به عدسی موازی با محور نوری ثانویه، پس از شکست در عدسی، از نقطه تقاطع محور با صفحه کانونی عبور می کند.

بگذارید نقطه نورانی S روی محور نوری اصلی قرار گیرد.

یک پرتو را به طور تصادفی انتخاب می کنیم و یک محور نوری ثانویه به موازات آن ترسیم می کنیم (شکل 92). پرتو انتخاب شده پس از شکست در عدسی از نقطه تقاطع محور نوری ثانویه با صفحه کانونی عبور می کند. نقطه تقاطع این پرتو با محور نوری اصلی (پرتو دوم) تصویر معتبری از نقطه S - S` به دست می دهد.

بیایید ساختن تصویری از یک جسم در یک عدسی محدب را در نظر بگیریم.

بگذارید نقطه خارج از محور نوری اصلی قرار گیرد، سپس تصویر S` را می توان با استفاده از هر دو پرتو نشان داده شده در شکل ساخت. 93.

اگر جسم در بی نهایت قرار گیرد، آنگاه پرتوها در کانون تلاقی خواهند کرد (شکل 94).

اگر جسم در پشت نقطه فوکوس مضاعف قرار گیرد، آنگاه تصویر واقعی، معکوس، کاهش یافته (دوربین، چشم) خواهد بود (شکل 95).

لنز جسم شفافی است که توسط دو سطح کروی محدود شده است. اگر ضخامت خود عدسی در مقایسه با شعاع انحنای سطوح کروی کوچک باشد، عدسی نامیده می شود. لاغر .

لنزها تقریباً بخشی از تمام ابزارهای نوری هستند. لنز وجود دارد جمع آوری و پراکندگی . عدسی همگرا در وسط ضخیم تر از لبه ها است، عدسی واگرا، برعکس، در وسط نازک تر است (شکل 3.3.1).

خط مستقیمی که از مراکز انحنا می گذرد O 1 و O 2 سطح کروی به نام محور نوری اصلی لنزها در مورد لنزهای نازک، تقریباً می توان فرض کرد که محور نوری اصلی با عدسی در یک نقطه قطع می شود که معمولاً به آن می گویند. مرکز نوری لنزها O. پرتو نور از مرکز نوری عدسی بدون انحراف از جهت اصلی خود عبور می کند. تمام خطوط مستقیمی که از مرکز نوری عبور می کنند نامیده می شوند محورهای نوری ثانویه .

اگر پرتوی از پرتوهای موازی با محور نوری اصلی به سمت یک عدسی هدایت شود، پس از عبور از عدسی، پرتوها (یا ادامه آنها) در یک نقطه همگرا می شوند. اف، که نامیده می شود تمرکز اصلی لنزها یک لنز نازک دارای دو کانون اصلی است که به طور متقارن روی محور نوری اصلی نسبت به لنز قرار دارند. عدسی های همگرا دارای کانون های واقعی هستند، در حالی که عدسی های واگرا دارای کانون های خیالی هستند. پرتوهای پرتوهای موازی با یکی از محورهای نوری ثانویه، پس از عبور از عدسی، به نقطه ای متمرکز می شوند. اف"، که در تقاطع محور فرعی با قرار دارد صفحه کانونی اف، یعنی صفحه ای عمود بر محور نوری اصلی و از کانون اصلی عبور می کند (شکل 3.3.2). فاصله بین مرکز نوری لنز Oو تمرکز اصلی اففاصله کانونی نامیده می شود. با همان حرف مشخص می شود اف.

خاصیت اصلی لنزها توانایی ارائه است تصاویر اشیاء . تصاویر می آیند سر راست و وارونه , معتبر و خیالی , در اغراق آمیز و کاهش .

موقعیت تصویر و شخصیت آن را می توان با استفاده از ساختارهای هندسی تعیین کرد. برای این کار از خواص برخی پرتوهای استاندارد استفاده کنید که سیر آن مشخص است. اینها پرتوهایی هستند که از مرکز نوری یا یکی از نقاط کانونی عدسی و همچنین پرتوهای موازی با محورهای نوری اصلی یا ثانویه عبور می کنند. نمونه هایی از چنین سازه هایی در شکل 1 ارائه شده است. 3.3.3 و 3.3.4.

لازم به ذکر است که برخی از پرتوهای استاندارد استفاده شده در شکل 3.3.3 و 3.3.4 برای تصویربرداری از لنز عبور نمی کند. این پرتوها در واقع در شکل گیری تصویر شرکت نمی کنند، اما می توان از آنها برای ساخت و ساز استفاده کرد.

موقعیت تصویر و ماهیت آن (واقعی یا خیالی) را نیز می توان با استفاده از آن محاسبه کرد فرمول لنزهای نازک . اگر فاصله جسم تا عدسی با نشان داده شود دو فاصله بین لنز تا تصویر از طریق f، سپس فرمول لنز نازک را می توان به صورت زیر نوشت:

اندازه D، معکوس فاصله کانونی. تماس گرفت قدرت نوری لنزها واحد اندازه گیری توان نوری است دیوپتر (دوپتر). دیوپتر - قدرت نوری یک لنز با فاصله کانونی 1 متر:

1 دیوپتر = m -1.

فرمول لنز نازک مشابه فرمول است آینه کروی. می توان آن را برای پرتوهای پاراکسیال از شباهت مثلث ها در شکل به دست آورد. 3.3.3 یا 3.3.4.

مرسوم است که علائم خاصی را به فواصل کانونی لنزها اختصاص دهید: برای یک لنز همگرا اف> 0، برای پراکندگی اف < 0.

مقادیر دو fنیز اطاعت کنند یک قانون خاصنشانه ها:

د> 0 و f> 0 - برای اشیاء واقعی (یعنی منابع نور واقعی، و نه گسترش پرتوهای همگرا در پشت لنز) و تصاویر.

د < 0 и f < 0 - для мнимых источников и изображений.

برای مورد نشان داده شده در شکل. 3.3.3، ما داریم: اف> 0 (عدسی همگرا)، د = 3اف> 0 (موضوع واقعی).

با استفاده از فرمول لنز نازک به دست می آوریم: بنابراین، تصویر واقعی است.

در مورد نشان داده شده در شکل. 3.3.4، اف < 0 (линза рассеивающая), د = 2|اف| > 0 (موضوع واقعی)، ، یعنی تصویر خیالی است.

بسته به موقعیت جسم نسبت به عدسی، ابعاد خطی تصویر تغییر می کند. افزایش خطی لنز Γ نسبت ابعاد خطی تصویر است h"و موضوع ساعت. اندازه h"همانطور که در مورد آینه کروی، به راحتی می توان علائم مثبت یا منفی را بسته به اینکه تصویر عمودی یا معکوس باشد، اختصاص داد. اندازه ساعتهمیشه مثبت تلقی می شود بنابراین، برای تصاویر مستقیم Γ > 0، برای تصاویر معکوس Γ< 0. Из подобия треугольников на рис. 3.3.3 и 3.3.4 легко получить формулу для линейного увеличения тонкой линзы:

در مثال در نظر گرفته شده با یک عدسی همگرا (شکل 3.3.3): د = 3اف > 0, از این رو، - تصویر 2 برابر معکوس و کاهش می یابد.

در مثال با یک لنز واگرا (شکل 3.3.4): د = 2|اف| > 0, ; بنابراین، تصویر قائم است و 3 برابر کاهش می یابد.

قدرت نوری Dعدسی ها هر دو به شعاع انحنا بستگی دارند آر 1 و آر 2 تا از سطوح کروی آن و بر روی ضریب شکست nماده ای که لنز از آن ساخته شده است. در دوره های اپتیک فرمول زیر ثابت می شود:

شعاع انحنای سطح محدب مثبت و شعاع سطح مقعر منفی در نظر گرفته می شود. این فرمول در ساخت لنزهایی با قدرت نوری معین استفاده می شود.

در بسیاری از ابزارهای نوری، نور از دو یا چند عدسی پشت سر هم عبور می کند. تصویر جسم داده شده توسط عدسی اول به عنوان یک شی (واقعی یا خیالی) برای عدسی دوم عمل می کند که تصویر دوم شی را می سازد. این تصویر دوم نیز می تواند واقعی یا خیالی باشد. محاسبه سیستم نوریدو عدسی نازک به استفاده از فرمول لنز دو بار، در حالی که فاصله است د 2 از تصویر اول تا لنز دوم باید برابر با مقدار تنظیم شود ل - f 1 کجا ل- فاصله بین لنزها مقدار محاسبه شده با استفاده از فرمول لنز f 2 موقعیت تصویر دوم و کاراکتر آن را تعیین می کند ( f 2 > 0 - تصویر واقعی، f 2 < 0 - мнимое). Общее линейное увеличение Γ системы из двух линз равно произведению линейных увеличений обеих линз: Γ = Γ 1 · Γ 2 . Если предмет или его изображение находятся в бесконечности, то линейное увеличение утрачивает смысл, изменяются только угловые расстояния.

یک مورد خاص، مسیر تلسکوپی پرتوها در یک سیستم دو عدسی است، زمانی که هم جسم و هم تصویر دوم در بی نهایت هستند. مسافت های طولانی. مسیر تلسکوپی پرتوها در محدوده‌های نقطه‌بینی تحقق می‌یابد - لوله نجومی کپلر و لوله زمین گالیله .

لنزهای نازک دارای معایبی هستند که امکان به دست آوردن تصاویر با کیفیت بالا را نمی دهد. اعوجاج هایی که در حین شکل گیری تصویر ایجاد می شوند نامیده می شوند انحرافات . اصلی ترین ها هستند کروی و رنگی انحرافات انحراف کروی خود را در این واقعیت نشان می دهد که در مورد پرتوهای نور گسترده، پرتوهای دور از محور نوری از فوکوس خارج می شوند. فرمول لنز نازک فقط برای پرتوهای نزدیک به محور نوری معتبر است. تصویر یک منبع نقطه ای دور، که توسط پرتو وسیعی از پرتوهای شکسته شده توسط یک عدسی ایجاد شده است، تار شده است.

انحراف رنگی به این دلیل رخ می دهد که ضریب شکست ماده عدسی به طول موج نور λ بستگی دارد. این خاصیت رسانه شفاف پراکندگی نامیده می شود. فاصله کانونی لنز برای نور با آن متفاوت است طول های مختلفامواج، که منجر به تار شدن تصویر در هنگام استفاده از نور غیر تک رنگ می شود.

دستگاه‌های نوری مدرن از لنزهای نازک استفاده نمی‌کنند، بلکه از سیستم‌های پیچیده چند لنز استفاده می‌کنند که در آن‌ها می‌توان انحرافات مختلف را تقریباً از بین برد.

تشکیل یک تصویر واقعی از یک جسم توسط یک عدسی همگرا در بسیاری از ابزارهای نوری مانند دوربین، پروژکتور و غیره استفاده می شود.

دوربین این یک محفظه بسته و کم نور است. تصویر اجسام عکاسی شده بر روی فیلم عکاسی توسط سیستمی از لنزها به نام ایجاد می شود لنز . یک شاتر مخصوص به شما امکان می دهد لنز را برای مدت زمان نوردهی باز کنید.

ویژگی خاص دوربین این است که فیلم تخت باید تصاویر نسبتاً واضحی از اجسام واقع در فواصل مختلف ایجاد کند.

در صفحه فیلم، فقط تصاویر اجسامی که در فاصله معینی قرار دارند واضح هستند. فوکوس با حرکت دادن لنز نسبت به فیلم به دست می آید. تصاویر نقاطی که در صفحه نوک تیز قرار ندارند به شکل دایره های پراکنده تار به نظر می رسند. اندازه داین دایره ها را می توان با متوقف کردن لنز کاهش داد. نزول کردن سوراخ نسبیآ / اف(شکل 3.3.5). این منجر به افزایش عمق میدان می شود.

شکل 3.3.5. دوربین

دستگاه پروجکشن طراحی شده برای به دست آوردن تصاویر در مقیاس بزرگ. لنز Oپروژکتور تصویر را فوکوس می کند جسم مسطح(شفافیت D) در صفحه راه دور E (شکل 3.3.6). سیستم لنز ک، تماس گرفت کندانسور طراحی شده برای تمرکز نور منبع اسروی اسلاید در صفحه E یک تصویر وارونه بزرگ شده واقعی ایجاد می شود. بزرگنمایی دستگاه پروجکشن را می توان با نزدیک کردن یا دورتر کردن صفحه نمایش E و همزمان تغییر فاصله بین اسلاید تغییر داد. Dو لنز O.

اجسامی وجود دارند که می توانند چگالی شار ریزش شده روی آنها را تغییر دهند تابش الکترومغناطیسییعنی یا با جمع آوری در یک نقطه آن را زیاد کنید یا با پراکندگی آن را کم کنید. این اجسام در فیزیک عدسی نامیده می شوند. بیایید نگاهی دقیق تر به این موضوع بیندازیم.

لنزها در فیزیک چیست؟

این مفهوم مطلقاً به معنای هر جسمی است که قادر به تغییر جهت انتشار تابش الکترومغناطیسی باشد. این تعریف کلیعدسی ها در فیزیک که شامل عینک های نوری، عدسی های مغناطیسی و گرانشی است.

در این مقاله توجه اصلی به شیشه های نوری که اشیایی از مواد شفاف و محدود به دو سطح هستند معطوف خواهد شد. یکی از این سطوح باید لزوماً دارای انحنا باشد (یعنی بخشی از یک کره با شعاع محدود باشد). در غیر این صورتجسم خاصیت تغییر جهت انتشار پرتوهای نور را نخواهد داشت.

اصل عملکرد لنز

ماهیت عملکرد این جسم نوری ساده در پدیده شکست نهفته است اشعه های خورشید. در آغاز قرن هفدهم، فیزیکدان و ستاره شناس معروف هلندی، ویلبرورد اسنل ون روین، قانون شکست را منتشر کرد که در حال حاضر نام او را یدک می کشد. متن این قانون به شرح زیر است: وقتی نور خورشیداز رابط بین دو محیط نوری شفاف عبور می کند، سپس حاصل ضرب سینوس بین پرتو و نرمال به سطح و ضریب شکست محیطی که در آن منتشر می شود یک مقدار ثابت است.

برای توضیح موارد فوق مثالی می زنیم: اجازه دهید نور روی سطح آب بیفتد و زاویه بین نرمال به سطح و پرتو برابر با θ1 باشد. سپس پرتو نور شکسته شده و انتشار خود را در آب با زاویه θ2 نسبت به سطح عادی آغاز می کند. طبق قانون اسنل، به دست می آوریم: sin(θ 1)*n 1 = sin(θ 2)*n 2، در اینجا n 1 و n 2 به ترتیب ضریب شکست هوا و آب هستند. ضریب شکست چیست؟ این مقداری است که چند برابر سرعت انتشار را نشان می دهد امواج الکترومغناطیسیدر خلاء بیشتر از یک محیط شفاف نوری است، یعنی n = c/v، که در آن c و v به ترتیب سرعت نور در خلاء و در یک محیط هستند.

فیزیک انکسار در تحقق اصل فرما نهفته است که بر اساس آن نور به گونه ای حرکت می کند که حداقل زمانغلبه بر فاصله از یک نقطه به نقطه دیگر در فضا.

ظاهر یک لنز نوری در فیزیک تنها با شکل سطوحی که آن را تشکیل می دهند تعیین می شود. جهت شکست پرتو فرودی به این شکل بستگی دارد. بنابراین، اگر انحنای سطح مثبت (محدب) باشد، پس از خروج از عدسی، پرتو نور نزدیک‌تر به محور نوری خود منتشر می‌شود (نگاه کنید به زیر). برعکس، اگر انحنای سطح منفی (مقعر) باشد، پس از عبور از شیشه نوری، پرتو شروع به دور شدن از محور مرکزی خود می کند.

اجازه دهید یک بار دیگر توجه کنیم که سطحی با هر انحنای، پرتوها را به طور مساوی شکست می دهد (طبق قانون استل)، اما نرمال ها نسبت به محور نوری تمایلات متفاوتی دارند، نتیجه این است که رفتار متفاوتاشعه منکسر

عدسی که توسط دو سطح محدب محدود شده باشد، عدسی همگرا نامیده می شود. به نوبه خود، اگر توسط دو سطح با انحنای منفی تشکیل شود، به آن پراکندگی می گویند. همه انواع دیگر با ترکیبی از سطوح مشخص شده همراه هستند که یک صفحه نیز به آن اضافه می شود. اینکه عدسی ترکیبی چه ویژگی خواهد داشت (واگرا یا همگرا) به انحنای کل شعاع سطوح آن بستگی دارد.

عناصر لنز و خواص پرتو

برای ساختن تصاویر در لنزها در فیزیک، باید با عناصر این جسم آشنا شوید. آنها در زیر آورده شده است:

• محور و مرکز نوری اصلی. در حالت اول، منظور آنها یک خط مستقیم است که عمود بر عدسی از مرکز نوری آن عبور می کند. دومی، به نوبه خود، نقطه ای در داخل عدسی است که از آن عبور می کند که پرتو شکست را تجربه نمی کند.
• فاصله کانونی و فوکوس - فاصله بین مرکز و نقطه روی محور نوری که تمام پرتوهای تابیده شده به عدسی موازی با این محور در آن جمع می شود. این تعریف برای جمع آوری عینک های نوری صادق است. در مورد عدسی های واگرا، این خود پرتوها نیستند که در یک نقطه جمع می شوند، بلکه ادامه خیالی آنها هستند. به این نقطه کانون اصلی می گویند.
• قدرت نوری این نام فاصله کانونی متقابل است، یعنی D = 1/f. با دیوپتر (دوپتر) یعنی 1 دیوپتر اندازه گیری می شود. = 1 متر -1.

خواص اصلی پرتوهایی که از عدسی عبور می کنند به شرح زیر است:

• پرتوی که از مرکز نوری عبور می کند جهت حرکت خود را تغییر نمی دهد.
• پرتوهایی که موازی با محور نوری اصلی برخورد می کنند، جهت خود را تغییر می دهند به طوری که از کانون اصلی عبور می کنند.
• پرتوهایی که در هر زاویه ای بر روی شیشه نوری می تابند، اما با عبور از کانون آن، جهت انتشار خود را به گونه ای تغییر می دهند که با محور نوری اصلی موازی می شوند.

خواص فوق پرتوها برای عدسی‌های نازک در فیزیک (به این دلیل نامیده می‌شوند که مهم نیست از چه کره‌هایی تشکیل شده‌اند یا چقدر ضخیم هستند، فقط ویژگی‌های نوری جسم ماده است) برای ساختن تصاویر در آنها استفاده می‌شود.

تصاویر در عینک های نوری: چگونه بسازیم؟

در زیر شکلی است که با جزئیات طرح های ساخت تصاویر در عدسی های محدب و مقعر یک جسم (فلش قرمز) را بسته به موقعیت آن نشان می دهد.

از تجزیه و تحلیل مدارها در شکل، نتایج مهمی به دست می آید:

• هر تصویری تنها بر روی 2 پرتو (از مرکز و موازی با محور نوری اصلی) ساخته می شود.
• عدسی‌های همگرا (که با فلش‌هایی در انتهای آن به سمت بیرون نشان داده می‌شوند) می‌توانند یک تصویر بزرگ‌نمایی یا کاهش‌یافته ایجاد کنند که به نوبه خود می‌تواند واقعی (واقعی) یا مجازی باشد.
• اگر جسمی در فوکوس باشد، لنز تصویر خود را تشکیل نمی‌دهد (شکل 2 را ببینید). نمودار پاییندر سمت چپ در شکل).
• عینک‌های نوری پراکنده (که با فلش‌هایی در انتهای آن‌ها به سمت داخل نشان داده می‌شوند) بدون توجه به موقعیت جسم، همیشه یک تصویر کاهش یافته و مجازی ارائه می‌دهند.

پیدا کردن فاصله تا یک تصویر

برای تعیین اینکه تصویر در چه فاصله ای ظاهر می شود، با دانستن موقعیت خود جسم، فرمول عدسی را در فیزیک ارائه می دهیم: 1/f = 1/d o + 1/d i، جایی که d o و d i فاصله تا جسم و به تصویر آن از مرکز نوری، به ترتیب، f - تمرکز اصلی. اگر ما در مورددر مورد جمع آوری شیشه نوری، عدد f مثبت خواهد بود. برعکس، برای یک عدسی واگرا f منفی است.

بیایید از این فرمول استفاده کنیم و حل کنیم کار ساده: بگذارید جسم در فاصله d o = 2*f از مرکز شیشه نوری جمع‌آوری کننده باشد. تصویر او کجا ظاهر خواهد شد؟

از شرایط مسئله داریم: 1/f = 1/(2*f)+1/d i . از: 1/d i = 1/f - 1/(2*f) = 1/(2*f)، یعنی d i = 2*f. بنابراین، تصویر در فاصله دو نقطه کانونی از لنز، اما در سمت دیگر از خود شی ظاهر می شود (این با علامت مثبتمقادیر d i).

داستان کوتاه

جالب است که ریشه شناسی کلمه "عدسی" را بیان کنید. این از کلمات لاتین lens و lentis می آید که به معنای "عدس" است، زیرا اشیاء نوری در شکل آنها واقعاً شبیه میوه این گیاه هستند.

توانایی انکسار اجسام شفاف کروی برای رومیان باستان شناخته شده بود. برای این منظور از ظروف شیشه ای گرد پر از آب استفاده می کردند. خود لنزهای شیشه ای تنها در قرن سیزدهم در اروپا شروع به تولید کردند. آنها به عنوان ابزار خواندن (عینک های مدرن یا ذره بین) استفاده می شدند.

استفاده فعال از اجرام نوری در ساخت تلسکوپ و میکروسکوپ به قرن هفدهم برمی گردد (گالیله اولین تلسکوپ را در آغاز این قرن اختراع کرد). توجه داشته باشید که فرمول ریاضی قانون شکست استل، که بدون اطلاع از آن، تولید عدسی هایی با خواص مشخص غیرممکن است، توسط یک دانشمند هلندی در آغاز همان قرن هفدهم منتشر شد.

انواع دیگر لنزها

همانطور که در بالا ذکر شد، علاوه بر اجسام انکساری نوری، موارد مغناطیسی و گرانشی نیز وجود دارد. نمونه اولی، عدسی های مغناطیسی در میکروسکوپ الکترونی است، نمونه درخشاندوم تحریف جهت است شار نورانیهنگامی که از نزدیک اجرام کیهانی عظیم (ستاره ها، سیارات) عبور می کند.

ما می دانیم که نور که از یک محیط شفاف به محیط دیگر می افتد، شکسته می شود - این پدیده شکست نور است. علاوه بر این، هنگامی که نور وارد یک محیط نوری متراکم‌تر می‌شود، زاویه شکست کمتر از زاویه تابش است. این به چه معناست و چگونه می توان از آن استفاده کرد؟

اگر یک تکه شیشه با لبه های موازی مانند شیشه پنجره برداریم، تغییر جزئی در تصویر مشاهده شده از پنجره خواهیم داشت. یعنی با ورود به شیشه، پرتوهای نور منکسر می شوند و با ورود مجدد به هوا، دوباره به مقادیر قبلی زاویه تابش می شکنند، فقط در همان زمان کمی جابه جا می شوند و مقدار جابجایی به ضخامت شیشه بستگی دارد.

بدیهی است که چنین پدیده ای سود عملی چندانی ندارد. اما اگر شیشه هایی را که صفحات آن به یکدیگر متمایل هستند، مثلاً یک منشور، در نظر بگیریم، آنگاه اثر کاملاً متفاوت خواهد بود. پرتوهایی که از یک منشور عبور می کنند همیشه به سمت قاعده آن شکست می شوند. بررسی آن آسان است.

برای این کار، یک مثلث بکشید و یک پرتو وارد هر یک از اضلاع آن کنید. با استفاده از قانون شکست نور، ردیابی می کنیم مسیر بیشترپرتو. پس از انجام چندین بار این روش در زیر معانی مختلفزاویه تابش، متوجه خواهیم شد که مهم نیست که پرتو از چه زاویه ای وارد منشور می شود، با در نظر گرفتن شکست مضاعف در خروجی، باز هم به سمت قاعده منشور منحرف می شود.

لنز و خواص آن

از این خاصیت منشور در بسیار استفاده می شود دستگاه ساده، به شما امکان می دهد جهت جریان نور - لنز را کنترل کنید. عدسی یک بدنه شفاف است که از دو طرف توسط سطوح منحنی بدن محدود شده است. آنها ساختار و اصل عملکرد عدسی ها را در درس فیزیک پایه هشتم در نظر می گیرند.

در واقع، سطح مقطع یک عدسی را می توان به صورت دو منشور که روی هم قرار گرفته اند، نشان داد. اثر نوری عدسی بستگی به این دارد که کدام بخش از این منشورها در کنار یکدیگر قرار گرفته باشند.

انواع عدسی در فیزیک

با وجود تنوع بسیار زیاد، تنها دو نوع عدسی در فیزیک وجود دارد: عدسی های محدب و مقعر، یا عدسی های همگرا و واگرا.

عدسی محدب، یعنی عدسی همگرا، لبه های بسیار نازک تری نسبت به وسط دارد. یک عدسی همگرا در مقطع دو منشور است که توسط پایه هایی به هم متصل شده اند، بنابراین تمام پرتوهایی که از آن عبور می کنند به مرکز عدسی همگرا می شوند.

برعکس، لبه های یک عدسی مقعر همیشه ضخیم تر از وسط هستند. یک عدسی واگرا را می توان به عنوان دو منشور متصل در بالا نشان داد، و بر این اساس، پرتوهایی که از چنین عدسی عبور می کنند از مرکز منحرف می شوند.

مردم مدت ها پیش خواص مشابهی از لنزها را کشف کردند. استفاده از لنزها به انسان این امکان را داده است که طیف گسترده ای از ابزارها و وسایل نوری را طراحی کند که زندگی را آسان تر می کند و به زندگی روزمره و تولید کمک می کند.