- Виды линз. Ход лучей в выпуклой и вогнутой линзах
- знать понятия: главная оптическая ось, собирающая и рассеивающая линза; виды линз
- уметь определять вид линзы; определять действие линзы в зависимости от её геометрии и показателя преломления
- Как изменится направление луча при его прохождении через стеклянную призму, находящуюся в воздухе?
- Что такое линза?
- Как изменяется ход лучей в линзах?
Виды линз. Ход лучей в выпуклой и вогнутой линзах
В конструкциях большинства оптических приборов, таких как бинокль, микроскоп, очки, фотоаппарат и др., используются различные линзы.
Линза — это прозрачное тело, хотя бы одна из поверхностей которого не является плоской.
Линзы могут быть изготовлены из оптического стекла, каменной соли, прозрачных пластмасс и других материалов. Наиболее распространены линзы, изготовленные из оптического стекла. Хотя бы одна из поверхностей линзы имеет сферическую форму, чаще всего — обе поверхности.
Прямая, проходящая через центры обеих сферических поверхностей линзы, называется главной оптической осью.
В случае, если сферическую форму имеет только одна из поверхностей линзы, главная оптическая ось проходит через центр сферической поверхности перпендикулярно к плоской поверхности.
На рисунке 1 показаны сечения различных сферических линз. Точками С1 и С2 обозначены центры сферических поверхностей линз, радиусы которых равны R1 и R2 соответственно, пунктиром показана главная оптическая ось.
Рис. 1. Выпуклые (а–в) и вогнутые (г–е) линзы
Радиус линзы считается положительным, если сферическая поверхность линзы и центр этой поверхности лежат по разные стороны от середины линзы. В противном случае радиус линзы считается отрицательным.
Например, радиусы линзы, изображённой на рисунке 1, а положительны R1 > 0 и
R2 > 0; а у линзы, изображённой на рисунке 1, в, R1 < 0 и R2 > 0.
Линзы, у которых толщина середины линзы больше толщины её краёв, называются выпуклыми (рис. 1, а–в). В противном случае линзы называются вогнутыми (рис. 1, г–е).
Линзы, у которых одна из поверхностей имеет плоскую форму, называются плосковыпуклыми (рис. 1, б) или плосковогнутыми (рис. 1, д). Также существуют вогнуто-выпуклые (рис. 1, в) и выпукло-вогнутые линзы (рис. 1, е).
Соберём конструкцию, состоящую из нескольких стеклянных призм и плоскопараллельной пластины, расположенной между ними (рис. 2). Такая конструкция будет иметь оптические свойства, схожие со свойствами плосковыпуклой линзы.
Рис. 2. Выпуклая линза с показателем преломления большим, чем показатель преломления окружающей среды, является собирающей
Пусть на конструкцию из призм и пластины падает параллельный пучок лучей. Луч 3 выходит из пластины, не изменив своего направления, так как угол падения данного луча 0°.
Призмы находятся в оптически менее плотной среде — в воздухе. Известно, что в этом случае луч, попадающий в призму c показателем преломления
n > 1, будет отклоняться к её основанию.
При этом угол отклонения выходящего луча зависит от угла при вершине призмы: чем больше преломляющий угол призмы, тем больше угол падения луча на границе сред «стекло – воздух», тем сильнее выходящий луч отклонится от первоначального направления.
Рис. 3. Выпуклая линза с показателем преломления меньшим, чем показатель преломления окружающей среды, является рассеивающей
Точно такую же картину представляют лучи, выходящие из плосковыпуклой линзы: параллельные лучи, попадающие из воздуха в стеклянную плосковыпуклую линзу параллельно её главной оптической оси, на выходе из линзы представляют собой сходящийся пучок.
Заметим, что чем дальше от главной оптической оси луч попадает на линзу, тем сильнее он отклонится от первоначального направления при выходе из линзы.
Линза, которая преобразует падающий на неё параллельный пучок света в сходящийся, называется собирающей.
Вернёмся к конструкции из призм и плоскопараллельной пластины. Пусть показатель преломления среды, в которой находятся призмы, больше показателя преломления материала призм. Тогда лучи 1, 2, 4 и 5 будут двигаться не к основаниям соответствующих призм, а к их вершинам (рис. 3). Пучок лучей на выходе из соответствующей линзы будет расходящимся.
Линза, которая преобразует падающий на неё параллельный пучок света в расходящийся, называется рассеивающей.
Рис. 4. Вогнутая линза с показателем преломления большим, чем показатель преломления окружающей среды, является рассеивающей; в противном случае — собирающей
Наконец, рассмотрим ход параллельного пучка лучей при прохождении им плосковогнутой линзы (рис. 4).
В первом случае (рис. 4, а) материал линзы оптически более плотный, чем окружающая среда. Пучок параллельных лучей, попавших в такую линзу, на выходе будет расходиться. Такая линза является рассеивающей.
Если же показатель преломления плосковогнутой линзы будет меньше показателя преломления окружающей среды, линза будет собирающей (рис. 4, б).
Действие линзы на проходящий через неё пучок света зависит от её геометрии и отношения показателя преломления материала к показателю преломления окружающей среды
Если , то выпуклые линзы будут собирающими, а вогнутые — рассеивающими.
Если же , то выпуклые линзы будут рассеивающими,
а вогнутые — собирающими.
Итоги
- Линза — это прозрачное тело, хотя бы одна из поверхностей которого не является плоской.
- Прямая, проходящая через центры обеих сферических поверхностей линзы, называется главной оптической осью.
- Линза, которая преобразует падающий на неё параллельный пучок света в сходящийся, называется собирающей.
- Линза, которая преобразует падающий на неё параллельный пучок света в расходящийся, называется рассеивающей.
- Действие линзы на проходящий через неё луч света зависит от формы линзы и отношения показателя преломления материала к показателю преломления окружающей среды.
Контрольные вопросы
1. Что такое главная оптическая ось линзы?
2. В каком случае радиус сферической линзы считается отрицательным?
3. В каком случае вогнутая линза будет рассеивающей?
