Obstajajo predmeti, ki lahko spremenijo gostoto toka elektromagnetnega sevanja, ki pada nanje, to pomeni, da ga povečajo tako, da ga zberejo na eni točki, ali zmanjšajo z razpršitvijo. Te predmete v fiziki imenujemo leče. Oglejmo si to vprašanje podrobneje.
Kaj so leče v fiziki?
Ta koncept pomeni popolnoma vsak predmet, ki je sposoben spremeniti smer širjenja elektromagnetnega sevanja. To je splošna definicija leč v fiziki, ki vključuje optična očala, magnetne in gravitacijske leče.
V tem članku se bomo osredotočili na optična očala, ki so predmeti iz prozornega materiala in omejeni z dvema površinama. Ena od teh površin mora nujno imeti ukrivljenost (torej biti del krogle s končnim polmerom), sicer predmet ne bo imel lastnosti spreminjanja smeri širjenja svetlobnih žarkov.
Načelo leče
Bistvo dela tega nezapletenegaoptični objekt je pojav loma sončnih žarkov. V začetku 17. stoletja je slavni nizozemski fizik in astronom Willebrord Snell van Rooyen objavil lomni zakon, ki trenutno nosi njegov priimek. Formulacija tega zakona je naslednja: ko sončna svetloba prehaja skozi vmesnik med dvema optično prosojnima medijema, potem je produkt sinusa vpadnega kota med žarkom in normalo na površino ter lomnega količnika medija, v katerem širi se je konstantna vrednost.
Za pojasnitev zgornjega navedemo primer: naj svetloba pade na gladino vode, medtem ko je kot med normalo na površino in žarkom θ1. Nato se svetlobni žarek lomi in se začne širiti v vodi že pod kotom θ2 na normalo na površino. Po Snellovem zakonu dobimo: sin(θ1)n1=sin(θ2) n2, kjer sta n1 in n2 lomna indeksa za zrak in vodo, oz. Kakšen je lomni količnik? To je vrednost, ki kaže, kolikokrat je hitrost širjenja elektromagnetnih valov v vakuumu večja od hitrosti za optično prozoren medij, to je n=c/v, kjer sta c in v hitrosti svetlobe v vakuumu in v srednja oz.
Fizika pojava loma je v izvajanju Fermatovega principa, po katerem se svetloba premika tako, da v najkrajšem času premaga razdaljo od ene točke do druge v prostoru.
Vrste leč
Vrsta optične leče v fiziki je določena izključno z obliko površin, ki jo tvorijo. Smer loma žarka, ki pada nanje, je odvisna od te oblike. Torej, če je ukrivljenost površine pozitivna (konveksna), se bo svetlobni žarek ob izstopu iz leče razširil bližje svoji optični osi (glej spodaj). Nasprotno, če je ukrivljenost površine negativna (konkavna), se bo žarek, ki gre skozi optično steklo, odmaknil od svoje osrednje osi.
Upoštevajte še, da površina katere koli ukrivljenosti lomi žarke na enak način (v skladu s Stellovim zakonom), vendar imajo normale nanje drugačen naklon glede na optično os, kar ima za posledico različno obnašanje lomljenega žarka.
Leča, omejena z dvema konveksnima površinama, se imenuje konvergentna leča. Po drugi strani, če ga tvorita dve površini z negativno ukrivljenostjo, se imenuje sipanje. Vse druge vrste optičnih stekel so povezane s kombinacijo teh površin, ki jim je dodana tudi ravnina. Kakšno lastnost bo imela kombinirana leča (divergentno ali konvergentno), je odvisno od celotne ukrivljenosti polmerov njenih površin.
elementi leče in lastnosti žarka
Za vgradnjo leč v fiziko slike se morate seznaniti z elementi tega predmeta. Navedeni so spodaj:
- Glavna optična os in središče. V prvem primeru pomenijo ravno črto, ki poteka pravokotno na lečo skozi njeno optično središče. Slednji pa je točka znotraj leče, skozi katero se žarek ne lomi.
- Goriščna razdalja in fokus - razdalja med središčem in točko na optični osi, ki zbira vse žarke, ki padajo na lečo vzporedno s to osjo. Ta definicija velja za zbiranje optičnih stekel. Pri divergentnih lečah ne bodo sami žarki tisti, ki se bodo zbližali v točko, temveč njihovo namišljeno nadaljevanje. Ta točka se imenuje glavni fokus.
- Optična moč. To je ime recipročne goriščne razdalje, to je D \u003d 1 / f. Meri se v dioptrijah (dioptrijah), torej 1 dioptrija.=1 m-1.
Naslednje so glavne lastnosti žarkov, ki prehajajo skozi lečo:
- žarek, ki gre skozi optično središče, ne spremeni svoje smeri gibanja;
- žarki, ki padajo vzporedno z glavno optično osjo, spremenijo svojo smer, tako da gredo skozi glavno žarišče;
- žarki, ki padajo na optično steklo pod katerim koli kotom, vendar gredo skozi njegovo žarišče, spremenijo svojo smer širjenja tako, da postanejo vzporedni z glavno optično osjo.
Zgornje lastnosti žarkov za tanke leče v fiziki (kot jih imenujemo, ker ne glede na to, kakšne krogle so oblikovane in kako debele so, se uporabljajo le optične lastnosti snovi predmeta) za gradnjo slik v njih.
Slike v optičnih očalih: kako zgraditi?
Spodaj je slika, ki podrobno opisuje sheme za izdelavo slik v konveksnih in konkavnih lečah predmeta(rdeča puščica) odvisno od njegovega položaja.
Pomembni zaključki sledijo analizi vezij na sliki:
- Vsaka slika je zgrajena na samo 2 žarkih (ki potekajo skozi središče in vzporedno z glavno optično osjo).
- Konvergentne leče (označene s puščicami na koncih, obrnjenimi navzven) lahko dajo povečano in zmanjšano sliko, ki je lahko resnična (resnična) ali namišljena.
- Če je predmet v fokusu, potem leča ne tvori svoje slike (glej spodnji diagram na levi na sliki).
- Raspršena optična očala (označena s puščicami na koncih, usmerjenih navznoter) vedno dajejo zmanjšano in virtualno sliko, ne glede na položaj predmeta.
Iskanje razdalje do slike
Za določitev, na kateri razdalji se bo slika pojavila, ob poznavanju položaja samega predmeta, podamo formulo leče v fiziki: 1/f=1/do + 1 /d i, kjer sta do in di razdalja do predmeta in njegove slike od optičnega središče oziroma f je glavni poudarek. Če govorimo o zbiralnem optičnem steklu, bo f-število pozitivno. Nasprotno, za divergentno lečo je f negativna.
Uporabimo to formulo in rešimo preprosto težavo: naj bo predmet oddaljen do=2f od središča zbiralnega optičnega stekla. Kje se bo pojavila njegova podoba?
Iz pogoja problema imamo: 1/f=1/(2f)+1/di. Od: 1/di=1/f - 1/(2f)=1/(2f), tj. di=2 f. Tako se bo slika pojavila na razdalji dveh žarišč od leče, vendar na drugi strani od samega predmeta (to je označeno s pozitivnim predznakom vrednosti di).
Kratka zgodovina
Nenavadno je podati etimologijo besede "leča". Izhaja iz latinskih besed lens in lentis, kar pomeni "leča", saj so optični predmeti v svoji obliki res videti kot plod te rastline.
Lomno moč sferičnih prozornih teles so poznali že stari Rimljani. V ta namen so uporabili okrogle steklene posode, napolnjene z vodo. Same steklene leče so v Evropi začele izdelovati šele v 13. stoletju. Uporabljali so jih kot bralno orodje (sodobna očala ali povečevalno steklo).
Aktivna uporaba optičnih predmetov pri izdelavi teleskopov in mikroskopov sega v 17. stoletje (na začetku tega stoletja je Galileo izumil prvi teleskop). Upoštevajte, da je matematično formulacijo Stellinega lomnega zakona, brez poznavanja katerega ni mogoče izdelati leč z želenimi lastnostmi, objavil nizozemski znanstvenik na začetku istega 17. stoletja.
Drugi objektivi
Kot je navedeno zgoraj, poleg optičnih lomnih objektov obstajajo tudi magnetni in gravitacijski objekti. Primer prvega so magnetne leče v elektronskem mikroskopu, nazoren primer slednjega je popačenje smeri svetlobnega toka,ko gre v bližini masivnih vesoljskih teles (zvezd, planetov).
