3.Сферичні лінзи

Усі лінзи побудовані так, що можуть змінювати форму світлового пучка. Сферичні лінзи здатні зводити світловий пучок у точку. Це дає змогу одержувати зображення різноманітних предметів, від яких надходить світло, і довільно змінювати форму фронту хвиль. Основні закономірності, яким підлягають сферичні лінзи, розглянуті у підручнику з фізики для 8 класу. Тут наведено матеріал, який допоможе повторити вивчене раніше.

1. Пряму, яка з'єднує центри сферичних поверхонь, що обмежують лінзу, називають головною оптичною віссю лінзи (мал. 4.32).

2. Паралельний пучок світла з плоским фронтом хвилі після проходження крізь лінзу змінює свою форму. Збиральна лінза збирає пучок у точці, яку називають фокусом F (мал. 4.33).

Розсіювальна лінза робить паралельний пучок світла розбіжним, а фронт хвилі — опуклим (мал. 4.34). Вона має уявний фокус F, розміщений відносно лінзи по один бік з джерелом світла.

За допомогою збиральних лінз одержують зображення предметів. Їх можна одержати на екрані або в оці людини. Кожній точці зображення відповідає певна точка на поверхні предмета. Тому графічне знаходження зображення зводиться до відшукання положення таких точок. Оскільки знайти положення зображень усіх точок тіла практично неможливо, то відшукують положення лише найважливіших, потрібних для знаходження положення зображення предмета. Точкове джерело світла дає розбіжний пучок, а його зображення можна дістати лише звівши цей пучок знову в точку. Роль збирача променів виконує збиральна лінза.

Як правило, для побудови зображення будь-якого предмета, а точніше, його положення, користуються двома променями, що виходять із будь-якої точки тіла і проходять у двох характерних напрямках. Один із таких променів напрямлений паралельно головній оптичній осі. Після проходження крізь лінзу він перетинає головну оптичну вісь у фокусі лінзи (мал. 4.35). Другий промінь проходить через фокус лінзи, який знаходиться перед нею. Після проходження крізь лінзу він буде паралельним головній оптичній осі (мал. 4. 36). Обидва промені перетнуться в точці, в якій і буде зображення точкового джерела світла S' (мал. 4. 37). Другим променем можна обрати промінь, який проходить через оптичний цетр лінзи. Такий промінь проходить крізь тонку лінзу, практично не заломлюючись (мал. 4.38).

Є певні правила побудови зображень. Вони дають змогу оцінювати результати проходження   пучків   світла    крізь   збиральні лінзи, не вдаючись до графічних побудов:

1)  якщо предмет знаходиться на відстані від лінзи, більшій від фокусної, але меншій від подвійної фокусної, то його зображення знаходитиметься на відстані, більшій від подвійної фокусної відстані, буде дійсним, оберненим і збільшеним (мал. 4.39);

2) якщо предмет знаходиться на відстані від лінзи, що дорівнює подвійній фокусній відстані, то зображення знаходитиметься на відстані, що дорівнює подвійній фокусній відстані за лінзою, і буде дійсним, оберненим та дорівнюватиме розмірам предмета (мал. 4.40);

3) якщо предмет знаходиться на відстані від лінзи, більшій від подвійної фокусної відстані, то його зображення за лінзою буде дійсним, зменшеним, оберненим і знаходитиметься на відстані, більшій від фокусної, але меншій від подвійної фокусної відстані (мал. 4.41);

4) якщо предмет знаходиться на відстані, меншій від фокусної, то його зображення буде збільшеним, уявним, прямим і розміщуватиметься з того самого боку лінзи, що й предмет (мал. 4.42) (коли кажуть про уявне зображнення, то мають на увазі, що його не можна одержати на екрані).

Розсіювальні лінзи зображення не дають. Вважають, що зображення, яке дає розсіювальна лінза, є уявним, отже, спостерігати його на екрані не можна. Те, що можна спостерігати крізь розсіювальну лінзу, є результатом дії лінзи і кришталика ока. Лінза і кришталик утворюють оптичну систему. Розсіювальна лінза збільшує кут зору людини. В оптичних приладах розсіювальні лінзи застосовують, як правило, в системі зі збиральними лінзами.

Для розрахунку положення зображення, що дає лінза, користуються формулою лінзи

                                               де F— фокусна відстань лінзи; d—відстань від предмета до лінзи; f— відстань від лінзи до зображення.

Приклад. Знайти положення зображення предмета, яке дає збиральна лінза з фокусною відстанню 5 см, якщо предмет знаходиться на відстані 3 см від лінзи.

Знак «мінус» означає, що зображення знаходиться по той самий бік від лінзи, що й предмет. Це зображення буде уявним.

ЗАДАЧІ ДЛЯ САМОСТІЙНОГО РОЗВ'ЯЗУВАННЯ

1. Яка фокусна відстань двоопуклої лінзи, що дає дійсне зображення предмета, розміщеного на відстані 25 см від лінзи, на такій самій відстані від неї?

2. На відстані 60 см від двоопуклої лінзи з фокусною відстанню 50 см розміщений предмет заввишки 1,2 см. Де і яким заввишки буде зображення цього предмета?

3. Предмет заввишки 45 см розміщений на відстані 80 см від опуклої лінзи. Його зображення знаходиться на відстані 30 см від лінзи. Визначте фокусну відстань лінзи і висоту зображення.

4. На знімку, зробленому за допомогою фотоапарата з об'єктивом, фокусна відстань якого 13,5 см за довжини камери 15 см, зображення предмета має висоту 0,602 см. Яка справжня висота предмета?

5. Відстань між предметом і екраном 90 см. Де потрібно розмістити збиральну лінзу з фокусною відстанню 20 см, щоб одержати на екрані чітке зображення предмета?

6. Визначте оптичну силу розсіювальної лінзи, якщо відомо, що зображення предмета, розміщеного перед нею на відстані 40 см, буде вчетверо меншим від предмета.

7. Полум'я свічки розміщене на відстані 120 см від екрана. Якщо між свічкою й екраном ближче до свічки розмістити двоопуклу лінзу, то на екрані з'явиться чітке збільшене зображення свічки. Якщо ж лінзу перемістити на 90 см ближче до екрана, то дістанемо чітке зменшене зображення свічки. Обчисліть фокусну відстань лінзи.

ЗАПИТАННЯ

1. Яке явище спостерігається при переході електромагнітної хвилі через межу поділу двох середовищ різної оптичної густини?

2. Що визначає відносний показник заломлення?

3. Як пов'язані між собою абсолютний і відносний показники заломлення?

4. Яка властивість електромагнітних хвиль проявляється в явищі дисперсії?

5. Як формулюється закон заломлення?

6. Який оптичний пристрій називають лінзою?

7. Які є види лінз?

8. Які лінії і точки, пов'язані з лінзою, використовують під час побудови зображень?

9. Яка властивість фокуса лінзи?

10. Які зображення може давати лінза?