Postoje objekti koji su u stanju promijeniti gustoću toka elektromagnetskog zračenja koji pada na njih, odnosno povećati je prikupljanjem u jednoj točki ili smanjiti raspršivanjem. Ti se objekti u fizici nazivaju lećama. Pogledajmo pobliže ovo pitanje.
Što su leće u fizici?
Ovaj koncept znači apsolutno svaki objekt koji je sposoban promijeniti smjer širenja elektromagnetskog zračenja. Ovo je opća definicija leća u fizici, koja uključuje optičke naočale, magnetske i gravitacijske leće.
U ovom članku fokus će biti na optičkim naočalama, koje su objekti izrađeni od prozirnog materijala i ograničeni s dvije površine. Jedna od ovih površina mora nužno imati zakrivljenost (tj. biti dio sfere konačnog polumjera), inače objekt neće imati svojstvo promjene smjera širenja svjetlosnih zraka.
Princip leće
Suština rada ovog nekompliciranogoptički objekt je fenomen loma sunčevih zraka. Početkom 17. stoljeća poznati nizozemski fizičar i astronom Willebrord Snell van Rooyen objavio je zakon loma, koji trenutno nosi njegovo prezime. Formulacija ovog zakona je sljedeća: kada sunčeva svjetlost prođe kroz granično područje između dva optički prozirna medija, tada je umnožak sinusa upadnog kuta između snopa i normale na površinu i indeksa loma medija u kojem ona se širi je konstantna vrijednost.
Da pojasnimo gore navedeno, dajmo primjer: neka svjetlost padne na površinu vode, dok je kut između normale na površinu i snopa θ1. Zatim se svjetlosni snop lomi i počinje svoje širenje u vodi već pod kutom θ2 prema normali na površinu. Prema Snellovom zakonu, dobivamo: sin(θ1)n1=sin(θ2) n2, gdje su n1 i n2 indeksi loma zraka i vode, odnosno. Što je indeks loma? Ovo je vrijednost koja pokazuje koliko je puta brzina širenja elektromagnetskih valova u vakuumu veća od one za optički prozirni medij, odnosno n=c/v, gdje su c i v brzine svjetlosti u vakuumu i srednja, odnosno.
Fizika pojave loma leži u provedbi Fermatovog principa, prema kojem se svjetlost kreće tako da u najkraćem vremenu svlada udaljenost od jedne točke do druge u prostoru.
Vrste leća
Vrsta optičke leće u fizici određena je isključivo oblikom površina koje ga tvore. O tom obliku ovisi smjer loma zraka koji upada na njih. Dakle, ako je zakrivljenost površine pozitivna (konveksna), tada će se svjetlosna zraka po izlasku iz leće širiti bliže svojoj optičkoj osi (vidi dolje). Suprotno tome, ako je zakrivljenost površine negativna (konkavna), tada će se zraka, prolazeći kroz optičko staklo, odmaknuti od svoje središnje osi.
Opet imajte na umu da površina bilo koje zakrivljenosti lomi zrake na isti način (prema Stellinom zakonu), ali normale na njih imaju drugačiji nagib u odnosu na optičku os, što rezultira različitim ponašanjem lomljene zrake.
Leća ograničena s dvije konveksne površine naziva se konvergentna leća. Zauzvrat, ako ga tvore dvije površine s negativnom zakrivljenošću, onda se to naziva raspršenjem. Sve ostale vrste optičkih naočala povezuju se s kombinacijom ovih površina, kojima se dodaje i ravnina. Kakvo će svojstvo kombinirana leća imati (divergentno ili konvergentno) ovisi o ukupnoj zakrivljenosti polumjera njezinih površina.
Elementi leće i svojstva zraka
Da biste ugradili leće u fiziku slike, morate se upoznati s elementima ovog objekta. Oni su navedeni u nastavku:
- Glavna optička os i središte. U prvom slučaju oni označavaju ravnu liniju koja prolazi okomito na leću kroz njezino optičko središte. Potonji je pak točka unutar leće, prolazeći kroz koju snop ne doživljava lom.
- Žarišna duljina i fokus - udaljenost između središta i točke na optičkoj osi, koja prikuplja sve zrake koje upadaju na leću paralelno s ovom osi. Ova definicija vrijedi za skupljanje optičkih naočala. U slučaju divergentnih leća, nisu same zrake te koje će konvergirati do točke, već njihov imaginarni nastavak. Ova točka se naziva glavni fokus.
- Optička snaga. Ovo je naziv recipročne žarišne duljine, odnosno D \u003d 1 / f. Mjeri se u dioptrijama (dioptrijama), odnosno 1 dioptrija.=1 m-1.
Sljedeća su glavna svojstva zraka koje prolaze kroz leću:
- zraka koja prolazi kroz optički centar ne mijenja svoj smjer kretanja;
- zrake koje upadaju paralelno s glavnom optičkom osi mijenjaju svoj smjer tako da prolaze kroz glavni fokus;
- zrake koje padaju na optičko staklo pod bilo kojim kutom, ali prolaze kroz njegovo žarište, mijenjaju svoj smjer širenja na način da postanu paralelne s glavnom optičkom osi.
Navedena svojstva zraka za tanke leće u fizici (kako se zovu jer bez obzira na to kakve kugle su formirane i koliko su debele, samo optička svojstva materije predmeta) koriste se za građenje slika u njima.
Slike u optičkim naočalama: kako napraviti?
U nastavku je slika koja detaljno opisuje sheme za konstruiranje slika u konveksnim i konkavnim lećama predmeta(crvena strelica) ovisno o položaju.
Važni zaključci slijede iz analize sklopova na slici:
- Svaka slika je izgrađena na samo 2 zrake (prolaze kroz središte i paralelno s glavnom optičkom osi).
- Konvergentne leće (označene sa strelicama na krajevima okrenutim prema van) mogu dati i povećanu i smanjenu sliku, koja zauzvrat može biti stvarna (stvarna) ili imaginarna.
- Ako je objekt u fokusu, tada leća ne formira njegovu sliku (vidi donji dijagram lijevo na slici).
- Rasipajuće optičke naočale (označene strelicama na njihovim krajevima usmjerenim prema unutra) uvijek daju smanjenu i virtualnu sliku bez obzira na položaj objekta.
Pronalaženje udaljenosti do slike
Da bismo odredili na kojoj udaljenosti će se slika pojaviti, znajući položaj samog objekta, dajemo formulu leće u fizici: 1/f=1/do + 1 /d i, gdje su do i di udaljenost do objekta i njegove slike od optičkog centar, odnosno f je glavni fokus. Ako govorimo o sabirnom optičkom staklu, tada će f-broj biti pozitivan. Obrnuto, za divergentnu leću, f je negativan.
Upotrijebimo ovu formulu i riješimo jednostavan problem: neka objekt bude udaljen do=2f od središta skupljajućeg optičkog stakla. Gdje će se pojaviti njegova slika?
Iz uvjeta zadatka imamo: 1/f=1/(2f)+1/di. Od: 1/di=1/f - 1/(2f)=1/(2f), tj. di=2 f. Tako će se slika pojaviti na udaljenosti od dva žarišta od leće, ali s druge strane od samog objekta (to je označeno pozitivnim predznakom vrijednosti di).
Kratka povijest
Zanimljivo je dati etimologiju riječi "leća". Dolazi od latinskih riječi lens i lentis, što znači "leća", budući da optički objekti svojim oblikom doista izgledaju kao plod ove biljke.
Snaga loma sfernih prozirnih tijela bila je poznata starim Rimljanima. U tu svrhu koristili su okrugle staklene posude napunjene vodom. Same staklene leće počele su se izrađivati tek u 13. stoljeću u Europi. Koristili su se kao alat za čitanje (moderne naočale ili povećalo).
Aktivna upotreba optičkih objekata u proizvodnji teleskopa i mikroskopa datira još od 17. stoljeća (početkom ovog stoljeća Galileo je izumio prvi teleskop). Imajte na umu da je nizozemski znanstvenik početkom istog 17. stoljeća objavio matematičku formulaciju Stellinog zakona loma, bez poznavanja kojeg je nemoguće proizvesti leće sa željenim svojstvima.
Druge leće
Kao što je gore navedeno, osim optičkih lomnih objekata, postoje i magnetski i gravitacijski objekti. Primjer prvoga su magnetske leće u elektronskom mikroskopu, živopisan primjer potonjeg je izobličenje smjera svjetlosnog toka,kada prođe blizu masivnih svemirskih tijela (zvijezde, planete).
