Граница разделения двух, прозрачных для света, тел может быть искривленной. Если прозрачное тело ограничить искривленными поверхностями, получим линзу (нем. linse - «чечевица»).
Линза — это прозрачное тело, ограниченное двумя выпуклыми или вво-гнутыми прозрачными поверхностями, преломляющими лучи света.
Одна из поверхностей линз может быть плоской. Линзы изготавливают из какого-либо прозрачного для света вещества: стекла, кварца, разных пластмасс, каменной соли, но чаще всего - из специальных сортов стекла.
Наибольшее распространение получили линзы, ограниченные сферическими поверхностями. В зависимости от взаимного размещения сферических поверхностей, ограничивающих линзу, различают 6 типов линз: двояковыпуклая, плоско-выпуклая, вогнуто-выпуклая (рис. 165, а, б, в); двояковогнутая, плоско-вогнутая, выпукло-ввогнутая (рис. 165, г, д, е).
Любая линза имеет характерные точки и линии. Выясним, какие именно.
1. Прямую, проходящую через центры С1 и С2 сферических поверхностей, которые ограничивают линзу, называют ее главной оптической осью (рис. 166).
2. Точку О, которая лежит на главной оптической оси в центре линзы, называют оптическим центром линзы (рис. 166).
Опыт 1. Направим на линзу пучок лучей, параллельных ее главной оптической оси. Проходя через линзу, световые лучи преломляются и пересекаются в одной точке, лежащей на главной оптической оси линзы (рис. 167).
Эту точку называют главным фокусом линзы F.
3. Главный фокус линзы F — точка, в которой сходятся все, параллельные главной оптической оси, лучи после их преломления в линзе.
4. Фокусное расстояние f - расстояние от оптического центра линзы О до главного фокуса F.
Каждая линза имеет два главных фокуса.
Любая тонкая линза характеризуется двумя основными параметрами -фокусным расстоянием и оптической силой. Оптическую силу линзы обозначают большой буквой D и определяют по формуле:
Единицей оптической силы является одна диоптрия (1 дптр),
Как видно из опыта, линза преобразует пучок параллельных лучей в сходящийся, то есть собирает его в одну точку. Такую линзу называют собирательной.
Собирательная линза — это линза, которая световые лучи, падающие на нее параллельно ее главной оптической оси, после преломления собирает на этой оси в одну точку.
Опыт 2. Возьмем линзу другого типа и направим на нее параллельный главной оптической оси пучок лучей света. Лучи, преломившись на границе воздух-стекло, выходят из линзы расходящимся пучком, или рассеиваются (рис. 168).
Такую линзу называют рассеивающей.
Рассеивающая линза — это линза, которая световые лучи, падающие на нее параллельно ее главной оптической оси, после преломления отклоняет от этой оси.
Если пучок лучей, выходящий из рассеивающей линзы, продолжить в противоположном направлении, то продолжения лучей пересекутся в точке F, которая лежит на оптической оси с той же стороны, с которой свет падает на линзу. Эту точку F называют мнимым главным фокусом рассеивающей линзы (рис. 169).
Опыт 3. Пропустим световые лучи только через оптические центры линз. В результате опыта убеждаемся (рис. 170), что световые лучи, проходящие через оптический центр линзы, не преломляются, то есть не изменяют своего направления.
С помощью линз можно не только собирать или рассеивать световые лучи, но и строить изображение предметов. Как раз благодаря этому свойству линзы широко используют в практических целях.
Каким же образом строятся изображения предметов с помощью линз?
Изображение предмета — это воссоздание вида, формы и цвета предмета световыми лучами, проходящими через оптическую систему линз, которые имеют одну общую оптическую ось.
Если изображение предмета образовано пересечением самих лучей, то его называют действительным, если их продолжением — мнимым.
Определить ход лучей, отраженных всеми точками поверхности тела, невозможно. Поэтому для построения изображения будем использовать такие лучи, ход которых известен:
1. Луч, проходящий через оптический центр линзы, не преломляется (рис. 171, а).
2. Луч, параллельный главной оптической оси линзы, после преломления в линзе проходит через главный фокус линзы (рис. 171, б).
3. Луч, проходящий через главный фокус линзы, после преломления в ней, проходит параллельно главной оптической оси (рис. 171, в).
Рассмотрим случаи, при которых получается то или другое изображение, и особенности этих изображений.
1. Предмет АВ размещен между линзой и ее фокусом F.
Построим изображение точки А, использовав для этого упомянутые лучи. Луч АС (рис. 172), параллельный главной оси линзы, преломившись в линзе, пройдет через главный фокус, а луч АО не изменит своего направления. Как видно на рисунке, эти лучи расходятся. Чтобы построить изображение точки А, следует продолжить лучи в противоположном направлении до пересечения, это будет точка А1. Это изображение точки есть мнимым. Такое же построение хода лучей можно выполнить для всех точек предмета, находящихся меж-
ду точками А и Б. Изображение этих промежуточных точек будут лежать между и Вг. Таким образом, А1Б1 - изображение предмета АВ.
Если предмет находится между линзой и ее фокусом, то получают увеличенное, прямое, мнимое его изображение, размещенное дальше от линзы, чем сам предмет.
Такое изображение получают, когда пользуются лупой - прибором для рассматривания мелких предметов (например, чтения мелкого текста).
2. Предмет размещен в главном фокусе линзы F.
Для построения изображения предмета АВ снова воспользуемся лучами АС и АО (рис. 173). После прохождения лучей сквозь линзу мы увидим, что они параллельны между собой. Следовательно, изображение предмета АВ мы не получим.
Если в главном фокусе разместить источник света, то мы превратим пучок расходящихся лучей на пучок параллельных лучей, который хорошо освещает отдаленные предметы.
Если предмет размещен в главном фокусе линзы F, изображение предмета получить нельзя.
3. Предмет размещен между главным фокусом линзы F и двойным фокусом линзы 2F.
Во время построения изображения (рис. 174) мы видим, что лучи АС и АО после прохождения линзы пересекаются в точке Av В этой точке образуется действительное изображение точки А. Изображение А1В1 предмета АВ также будет действительным.
Если предмет находится между фокусом F и двойным фокусом 2F линзы, то образуется увеличенное, перевернутое и действительное изображение предмета; оно размещено с противоположной относительно предмета стороны линзы на расстоянии, больше двойного фокусного расстояния.
Такое изображение используют в проекционном аппарате, киноаппарате. Чтобы изображение на экране было прямым, диапозитивы или киноленту устанавливают в аппарат в перевернутом виде.
4. Предмет находится в двойном фокусе линзы 2F.
В этом случае линза дает (рис. 175) перевернутое, действительное изображение предмета такого же размера, как и он сам. Это изображение размещено в ее двойном фокусе 2F с противоположной относительно предмета стороны линзы.
5. Если предмет находится за двойным фокусом линзы 2F (рис. 176), линза дает уменьшенное, перевернутое и действительное изображение предмета, которое размещено между ее главным фокусом F и двойным фокусом 2F с противоположной относительно предмета стороны линзы.
Такое изображение используют в фотоаппарате.
ВОПРОСЫ К ИЗУЧЕННОМУ
1. Что называют линзой? Какие бывают линзы?
2. Какие главные точки и линии имеет любая линза?
3. Какие изображения предметов можно получить с помощью линзы?
4. От чего зависят размеры изображения предмета?
Лабораторная работа № 5
Определение фокусного расстояния и оптической силы тонкой линзы
Цель работы: научиться получать уменьшенные и увеличенные изображения предметов с помощью собирательной линзы, через геометрические построения определить ее фокусное расстояние, определить оптическую силу линзы, уметь пользоваться формулой тонкой линзы.
Приборы и материалы: собирательная линза на подставке; лампа для карманного фонарика на подставке с источником питания или свеча; белый экран; измерительная линейка.
Ход работы
1. Получите на экране четкое уменьшенное изображение источника света. Измерьте в метрах расстояние d от источника света до линзы и расстояние / от линзы к экрану.
Построением с соблюдением масштаба найдите положение главных фокусов линзы. Определите фокусное расстояние линзы F и оптическую силу линзы D по формуле:
Определяя оптическую силу линзы, фокусное (и все другие) расстояние следует брать в метрах, лишь тогда оптическую силу можно определить в диоптриях.
2. Получите на экране увеличенное изображение источника света и произведите все действия, описанные в пункте 1.
3. Установите, где следует разместить источник света, чтобы на экране было его изображение такого же размера, как и источник. Проверьте свой вывод на опыте.
Для любознательных
Возьмите очки для близоруких и дальнозорких людей. Постройте изображения предметов, которые дают эти очки.
ЗАДАЧИ И УПРАЖНЕНИЯ
Решаем вместе
1. Почему не рекомендуется поливать растения днем, когда они освещены солнечными лучами, особенно те, на листьях которых остаются капельки воды?
Ответ: потому что капельки играют роль линз, фокусирующих солнечные лучи, и растения получают ожоги.
2. На рисунке 177 показан ход лучей в линзах. Какие это линзы?
Ответ: (слева направо) источник света, собирательная линза, рассеивающая линза.
Уровень А
106. Какие бывают линзы? Назовите их.
107. Как, используя солнечные лучи, определить фокусное расстояние собирательной линзы?
108. Наполните прозрачную бутылку водой, поставьте ее так, чтобы она освещалась солнечными лучами или светом от электролампы, и поместите за ней лист бумаги. Как влияет вода в бутылке на распространение света?
109. Можно ли разместить две собирательных линзы так, чтобы параллельные лучи, падая на одну линзу, с другой выходили также параллельно?
110. Постройте изображение предмета АВ в собирательной линзе (рис. 178).
111. Какую линзу положили на лист бумаги в клеточку (рис. 179)?
112. Как собирательные линзы изменяют ход лучей света?
113. Как на ощупь отличить собирательную линзу от рассеивающей?
114. Есть две линзы - одна собирательная, вторая рассеивающая. Как, посмотрев через эти линзы на предмет, отличить их друг от друга?
Уровень Б
115. Объясните результаты виртуального (компьютерного) опыта, изображенного на рисунке 180.
116. Где следует разместить предмет перед собирательной линзой, чтобы получить его действительное и увеличенное изображение?
117. Где следует разместить предмет перед собирательной линзой, чтобы получить его действительное и уменьшенное изображение?
118. Можно ли увидеть изображение предмета, если его поместить в фокусе собирательной линзы? Почему?
119. Как изменится изображение предмета, если, не изменяя положения линзы, поменять местами экран и предмет?
120. Можно ли с помощью льда зажечь спичку?
Это материал учебника Физика 9 класс Сиротюк