Үстіне түсетін электромагниттік сәулелену ағынының тығыздығын өзгертуге, яғни оны бір нүктеге жинау арқылы арттыруға немесе шашырату арқылы азайтуға қабілетті нысандар бар. Бұл нысандар физикада линзалар деп аталады. Осы мәселені толығырақ қарастырайық.
Физикада линзалар дегеніміз не?
Бұл ұғым электромагниттік сәулеленудің таралу бағытын өзгертуге қабілетті кез келген нысанды білдіреді. Бұл оптикалық көзілдіріктерді, магниттік және гравитациялық линзаларды қамтитын физикадағы линзалардың жалпы анықтамасы.
Бұл мақалада мөлдір материалдан жасалған және екі бетпен шектелген заттар болып табылатын оптикалық көзілдіріктерге назар аударылады. Бұл беттердің бірінде міндетті түрде қисықтық болуы керек (яғни соңғы радиусы бар сфераның бөлігі болуы керек), әйтпесе нысанның жарық сәулелерінің таралу бағытын өзгерту қасиеті болмайды.
Линзаның принципі
Бұл жұмыстың мәні күрделі емесоптикалық объект – күн сәулелерінің сыну құбылысы. 17 ғасырдың басында атақты голланд физигі және астрономы Виллеброрд Снелл ван Руен қазіргі уақытта өзінің фамилиясымен аталатын сыну заңын жариялады. Бұл заңның тұжырымы келесідей: күн сәулесі екі оптикалық мөлдір ортаның арасындағы шекара арқылы өткенде, онда сәуле мен бетке нормаль арасындағы түсу бұрышының синусының көбейтіндісі және ортаның сыну көрсеткіші. ол тұрақты мән болып таралады.
Жоғарыда айтылғандарды нақтылау үшін мысал келтірейік: жарық судың бетіне түссін, ал бетке нормаль мен сәуленің арасындағы бұрыш θ1. Содан кейін жарық сәулесі сынады және суда бетіндегі нормальға θ2 бұрышта тарай бастайды. Снелл заңы бойынша біз мынаны аламыз: sin(θ1)n1=sin(θ2) n2, мұнда n1 және n2 ауа мен судың сыну көрсеткіштері, тиісінше. Сыну көрсеткіші дегеніміз не? Бұл электромагниттік толқындардың вакуумдегі таралу жылдамдығы оптикалық мөлдір ортадан неше есе артық екенін көрсететін шама, яғни n=c/v, мұндағы c және v – вакуумдегі жарық жылдамдығы және сәйкесінше орташа.
Сынудың пайда болу физикасы Ферма принципін жүзеге асыруда жатыр, оған сәйкес жарық кеңістіктегі бір нүктеден екінші нүктеге дейінгі қашықтықты ең қысқа уақытта еңсеретіндей етіп қозғалады.
Линзалардың түрлері
Физикадағы оптикалық линзаның түрі оны құрайтын беттердің пішінімен ғана анықталады. Оларға түсетін сәуленің сыну бағыты осы пішінге байланысты. Сонымен, егер беттің қисаюы оң болса (дөңес), онда линзадан шыққан кезде жарық сәулесі өзінің оптикалық осіне жақынырақ таралады (төменде қараңыз). Керісінше, егер беттің қисаюы теріс болса (ойыс) болса, онда оптикалық шыны арқылы өтетін сәуле өзінің орталық осінен алыстайды.
Кез келген қисықтық беті сәулелерді бірдей (Стелла заңы бойынша) сындыратынын тағы да ескеріңіз, бірақ олардың нормальдары оптикалық оське қатысты әртүрлі көлбеу болады, нәтижесінде сынған сәуленің әртүрлі әрекеті болады.
Екі дөңес беттермен шектелген линзаларды жинақтаушы линзалар деп атайды. Өз кезегінде, егер ол теріс қисықтықпен екі беттен түзілсе, онда ол шашырау деп аталады. Оптикалық көзілдіріктің барлық басқа түрлері осы беттердің комбинациясымен байланысты, оған жазықтық та қосылады. Біріктірілген линзаның қандай қасиеті (дивергентті немесе конвергентті) оның беттерінің радиустарының жалпы қисаюына байланысты болады.
Объектив элементтері және сәуле қасиеттері
Кескін физикасында линзаларды салу үшін осы нысанның элементтерімен танысу керек. Олар төменде берілген:
- Негізгі оптикалық ось және орталық. Бірінші жағдайда олар линзаның оптикалық орталығы арқылы перпендикуляр өтетін түзу сызықты білдіреді. Соңғысы, өз кезегінде, линзаның ішіндегі нүкте, ол арқылы сәуленің сынуы байқалмайды.
- Фокустық қашықтық пен фокус - центр мен оптикалық осьтегі нүкте арасындағы қашықтық, ол линзаға осы оське параллель түсетін барлық сәулелерді жинайды. Бұл анықтама оптикалық көзілдіріктерді жинауға қатысты. Дивергентті линзалар жағдайында бір нүктеге жақындайтын сәулелердің өзі емес, олардың қиялдағы жалғасы болады. Бұл нүкте негізгі фокус деп аталады.
- Оптикалық қуат. Бұл фокустық қашықтықтың кері атауы, яғни D \u003d 1 / f. Ол диоптрмен (диоптрмен), яғни 1 диоптрмен өлшенеді.=1 м-1.
Мыналар линзадан өтетін сәулелердің негізгі қасиеттері:
- оптикалық орталық арқылы өтетін сәуле оның қозғалыс бағытын өзгертпейді;
- Негізгі оптикалық оське параллель түсетін сәулелер негізгі фокус арқылы өтетіндей бағытын өзгертеді;
- оптикалық шыныға кез келген бұрышпен түсетін, бірақ оның фокусы арқылы өтетін сәулелер өздерінің таралу бағытын негізгі оптикалық оське параллель болатындай етіп өзгертеді.
Физикадағы жұқа линзалар үшін сәулелердің жоғарыда аталған қасиеттері (олар қандай сфералардан құралғанына және олардың қалыңдығына қарамастан, объектінің оптикалық қасиеттері ғана маңызды болғандықтан осылай аталады) оларда кескіндерді құру үшін қолданылады..
Оптикалық көзілдіріктегі кескіндер: қалай салу керек?
Төменде нысанның дөңес және ойыс линзаларында кескіндерді салу схемалары егжей-тегжейлі берілген сурет(қызыл көрсеткі) орнына байланысты.
Суреттегі тізбектерді талдаудан маңызды қорытындылар шығады:
- Кез келген кескін тек 2 сәулеге салынған (орталықтан өтетін және негізгі оптикалық оське параллель).
- Біріктіретін линзалар (ұштарында сыртқа бағытталған көрсеткілермен белгіленген) үлкейтілген және кішірейтілген кескінді бере алады, бұл өз кезегінде нақты (нақты) немесе ойдан шығарылған болуы мүмкін.
- Егер нысан фокуста болса, линза оның кескінін жасамайды (суреттің сол жағындағы төменгі диаграмманы қараңыз).
- Шашыраулы оптикалық көзілдірік (ұштарында ішке қарай бағытталған көрсеткілермен белгіленген) нысанның орнына қарамастан әрқашан кішірейтілген және виртуалды кескін береді.
Суретке дейінгі қашықтықты табу
Нысанның орнын біле отырып, кескіннің қандай қашықтықта пайда болатынын анықтау үшін физикадан линза формуласын береміз: 1/f=1/do + 1 /d i, мұндағы do және di - объектіге және оның оптикалық кескіннен кескініне дейінгі қашықтық орталық, сәйкесінше, f басты назар аударылады. Егер біз жинақтаушы оптикалық шыны туралы айтатын болсақ, онда f саны оң болады. Керісінше, дивергентті линзалар үшін f теріс.
Осы формуланы қолданып, қарапайым есепті шешейік: объект жинаушы оптикалық әйнектің ортасынан do=2f қашықтықта болсын. Оның суреті қай жерде пайда болады?
Есептің шартынан бізде: 1/f=1/(2f)+1/di. Кімнен: 1/di=1/f - 1/(2f)=1/(2f), яғни di=2 f. Осылайша, кескін объективтен екі фокус қашықтықта, бірақ объектінің өзінен басқа жағында пайда болады (бұл di мәнінің оң белгісімен көрсетіледі).
Қысқаша тарих
«Объектив» сөзінің этимологиясын беру қызық. Ол латын тіліндегі линза және lentis сөзінен шыққан, ол «жасымық» дегенді білдіреді, өйткені олардың пішіні оптикалық нысандар шынымен де осы өсімдіктің жемісіне ұқсайды.
Сфералық мөлдір денелердің сыну күші ежелгі римдіктерге белгілі болды. Осы мақсатта олар су толтырылған дөңгелек шыны ыдыстарды пайдаланды. Шыны линзалардың өзі Еуропада 13 ғасырда ғана жасала бастады. Олар оқу құралы ретінде пайдаланылды (қазіргі көзілдірік немесе үлкейткіш шыны).
Телескоптар мен микроскоптарды жасауда оптикалық объектілерді белсенді пайдалану 17 ғасырдан басталады (осы ғасырдың басында Галилей бірінші телескопты ойлап тапты). Стелла сыну заңының математикалық тұжырымын, оны білмей-ақ қажетті қасиеттері бар линзаларды жасау мүмкін емес екенін сол 17 ғасырдың басында голланд ғалымы жариялағанын ескеріңіз.
Басқа линзалар
Жоғарыда айтылғандай, оптикалық сыну объектілерінен басқа магниттік және гравитациялық объектілер де бар. Біріншісіне электронды микроскоптағы магниттік линзалар мысал бола алады, соңғысының жарқын мысалы - жарық ағынының бағытының бұрмалануы,ол үлкен ғарыш денелерінің (жұлдыздар, планеталар) жанынан өткенде.
