May mga bagay na may kakayahang baguhin ang density ng electromagnetic radiation flux na bumabagsak sa kanila, iyon ay, maaaring pataasin ito sa pamamagitan ng pagkolekta nito sa isang punto, o bawasan ito sa pamamagitan ng pagkakalat nito. Ang mga bagay na ito ay tinatawag na mga lente sa pisika. Tingnan natin ang isyung ito nang mas malapitan.
Ano ang mga lente sa physics?
Ang konseptong ito ay ganap na nangangahulugang anumang bagay na may kakayahang baguhin ang direksyon ng pagpapalaganap ng electromagnetic radiation. Ito ang pangkalahatang kahulugan ng mga lente sa pisika, na kinabibilangan ng mga optical glass, magnetic at gravitational lens.
Sa artikulong ito, ang tututukan ay sa optical glasses, na mga bagay na gawa sa transparent na materyal at nililimitahan ng dalawang surface. Ang isa sa mga ibabaw na ito ay dapat na may curvature (iyon ay, maging bahagi ng isang globo ng may hangganan na radius), kung hindi, ang bagay ay hindi magkakaroon ng pag-aari na baguhin ang direksyon ng pagpapalaganap ng mga light ray.
Ang prinsipyo ng lens
Ang esensya ng gawain nitong hindi kumplikadoang optical object ay ang phenomenon ng repraksyon ng mga sinag ng araw. Sa simula ng ika-17 siglo, inilathala ng sikat na Dutch physicist at astronomer na si Willebrord Snell van Rooyen ang batas ng repraksyon, na kasalukuyang dinadala ang kanyang apelyido. Ang pagbabalangkas ng batas na ito ay ang mga sumusunod: kapag ang sikat ng araw ay dumaan sa interface sa pagitan ng dalawang optically transparent na media, kung gayon ang produkto ng sine ng anggulo ng saklaw sa pagitan ng sinag at ang normal sa ibabaw at ang refractive index ng medium kung saan ito ay nagpapalaganap ay isang pare-parehong halaga.
Upang linawin ang nasa itaas, magbigay tayo ng halimbawa: hayaang mahulog ang liwanag sa ibabaw ng tubig, habang ang anggulo sa pagitan ng normal sa ibabaw at sinag ay θ1. Pagkatapos, ang ilaw na sinag ay nire-refracte at sinimulan ang pagpapalaganap nito sa tubig na nasa anggulong θ2 sa normal sa ibabaw. Ayon sa batas ni Snell, nakukuha natin ang: kasalanan(θ1)n1=sin(θ2) n2, kung saan ang n1 at n2 ay ang mga refractive index para sa hangin at tubig, ayon sa pagkakabanggit. Ano ang refractive index? Ito ay isang halaga na nagpapakita kung gaano karaming beses ang bilis ng pagpapalaganap ng mga electromagnetic wave sa vacuum ay mas malaki kaysa sa para sa isang optically transparent medium, iyon ay, n=c/v, kung saan ang c at v ay ang bilis ng liwanag sa vacuum at sa medium, ayon sa pagkakabanggit.
Ang physics ng hitsura ng repraksyon ay nakasalalay sa pagpapatupad ng prinsipyo ni Fermat, ayon sa kung saan ang liwanag ay gumagalaw sa paraang madaig ang distansya mula sa isang punto patungo sa isa pa sa kalawakan sa pinakamaikling oras.
Mga uri ng lens
Ang uri ng optical lens sa physics ay tinutukoy lamang ng hugis ng mga surface na bumubuo dito. Ang direksyon ng repraksyon ng insidente ng sinag sa kanila ay nakasalalay sa hugis na ito. Kaya, kung ang curvature ng ibabaw ay positibo (matambok), pagkatapos, sa paglabas ng lens, ang light beam ay magpapalaganap nang mas malapit sa optical axis nito (tingnan sa ibaba). Sa kabaligtaran, kung negatibo ang kurbada ng ibabaw (malukong), pagkatapos ay dadaan sa optical glass, lalayo ang sinag mula sa gitnang axis nito.
Tandaan muli na ang ibabaw ng anumang curvature ay nagre-refract ng mga ray sa parehong paraan (ayon sa batas ni Stella), ngunit ang mga normal sa kanila ay may ibang slope na nauugnay sa optical axis, na nagreresulta sa iba't ibang pag-uugali ng refracted ray.
Ang isang lens na nakatali ng dalawang convex surface ay tinatawag na converging lens. Sa turn, kung ito ay nabuo ng dalawang ibabaw na may negatibong kurbada, kung gayon ito ay tinatawag na scattering. Ang lahat ng iba pang mga uri ng salamin sa mata ay nauugnay sa isang kumbinasyon ng mga ibabaw na ito, kung saan idinagdag din ang isang eroplano. Anong property ang magkakaroon ng pinagsamang lens (divergent o converging) ay depende sa kabuuang curvature ng radii ng mga surface nito.
Mga elemento ng lens at mga katangian ng ray
Upang bumuo ng mga lente sa physics ng imahe, kailangan mong pamilyar sa mga elemento ng bagay na ito. Nakalista sila sa ibaba:
- Pangunahing optical axis at center. Sa unang kaso, ang ibig nilang sabihin ay isang tuwid na linya na dumadaan patayo sa lens sa pamamagitan ng optical center nito. Ang huli naman ay isang punto sa loob ng lens, kung saan ang sinag ay hindi nakakaranas ng repraksyon.
- Focal length at focus - ang distansya sa pagitan ng gitna at isang punto sa optical axis, na kinokolekta ang lahat ng insidente ng ray sa lens na parallel sa axis na ito. Ang kahulugan na ito ay totoo para sa pagkolekta ng mga salamin sa mata. Sa kaso ng mga divergent lens, hindi ang mga sinag mismo ang magsasama-sama sa isang punto, ngunit ang kanilang haka-haka na pagpapatuloy. Ang puntong ito ay tinatawag na pangunahing pokus.
- Optical power. Ito ang pangalan ng reciprocal ng focal length, iyon ay, D \u003d 1 / f. Ito ay sinusukat sa diopters (diopters), iyon ay, 1 diopter.=1 m-1.
Ang mga sumusunod ay ang mga pangunahing katangian ng mga sinag na dumadaan sa lens:
- beam na dumadaan sa optical center ay hindi nagbabago sa direksyon ng paggalaw nito;
- ang insidente ng sinag na kahanay sa pangunahing optical axis ay nagbabago ng kanilang direksyon upang dumaan sila sa pangunahing pokus;
- ray na bumabagsak sa optical glass sa anumang anggulo, ngunit dumaan sa focus nito, baguhin ang kanilang direksyon ng propagation sa paraang maging parallel ang mga ito sa pangunahing optical axis.
Ang mga nasa itaas na katangian ng mga sinag para sa manipis na mga lente sa pisika (kung ano ang tawag sa kanila dahil kahit anong mga sphere ang nabuo at gaano kakapal ang mga ito, tanging ang mga optical na katangian ng object matter) ang ginagamit upang bumuo ng mga imahe sa kanila.
Mga larawan sa optical glass: paano bumuo?
Sa ibaba ay isang figure na nagdedetalye ng mga scheme para sa pagbuo ng mga imahe sa convex at concave lens ng isang bagay(pulang arrow) depende sa posisyon nito.
Sumusunod ang mahahalagang konklusyon mula sa pagsusuri ng mga circuit sa figure:
- Anumang larawan ay binuo sa 2 ray lamang (dumadaan sa gitna at kahanay sa pangunahing optical axis).
- Ang mga converging lens (na may mga arrow sa dulo na nakaturo palabas) ay maaaring magbigay ng parehong pinalaki at pinaliit na imahe, na maaaring maging totoo (totoo) o haka-haka.
- Kung nakatutok ang bagay, hindi bubuo ng lens ang imahe nito (tingnan ang ibabang diagram sa kaliwa sa figure).
- Ang mga nakakalat na salamin sa mata (na tinutukoy ng mga arrow sa dulo ng mga ito na nakaturo sa loob) ay palaging nagbibigay ng pinababa at virtual na imahe anuman ang posisyon ng bagay.
Paghahanap ng distansya sa isang larawan
Upang matukoy kung anong distansya lalabas ang imahe, alam ang posisyon ng mismong bagay, ibinibigay namin ang formula ng lens sa physics: 1/f=1/do + 1 /d i, kung saan ang do at di ay ang distansya sa bagay at sa imahe nito mula sa optical center, ayon sa pagkakabanggit, f ang pangunahing pokus. Kung pinag-uusapan natin ang tungkol sa pagkolekta ng optical glass, kung gayon ang f-number ay magiging positibo. Sa kabaligtaran, para sa isang divergent lens, f ay negatibo.
Gamitin natin ang formula na ito at lutasin ang isang simpleng problema: hayaang nasa malayo ang bagay do=2f mula sa gitna ng kinokolektang optical glass. Saan lalabas ang kanyang imahe?
Mula sa kalagayan ng problemang mayroon tayo: 1/f=1/(2f)+1/di. Mula sa: 1/di=1/f - 1/(2f)=1/(2f), ibig sabihin, di=2 f. Kaya, ang imahe ay lilitaw sa layong dalawang foci mula sa lens, ngunit sa kabilang panig kaysa sa mismong bagay (ito ay ipinahiwatig ng positibong tanda ng halagang di).
Isang Maikling Kasaysayan
Nakaka-curious na ibigay ang etimolohiya ng salitang "lens". Nagmula ito sa mga salitang Latin na lens at lentis, na nangangahulugang "lentil", dahil ang mga optical na bagay sa kanilang hugis ay talagang kamukha ng bunga ng halaman na ito.
Ang repraktibo na kapangyarihan ng spherical transparent na katawan ay kilala ng mga sinaunang Romano. Para sa layuning ito, gumamit sila ng mga bilog na sisidlang salamin na puno ng tubig. Ang mga glass lens mismo ay nagsimulang gawin lamang noong ika-13 siglo sa Europa. Ginamit ang mga ito bilang tool sa pagbabasa (modernong salamin o magnifying glass).
Ang aktibong paggamit ng mga optical na bagay sa paggawa ng mga teleskopyo at mikroskopyo ay nagsimula noong ika-17 siglo (sa simula ng siglong ito, naimbento ni Galileo ang unang teleskopyo). Tandaan na ang mathematical formulation ng batas ng repraksyon ni Stella, nang walang kaalaman kung saan imposibleng gumawa ng mga lente na may gustong katangian, ay inilathala ng isang Dutch scientist sa simula ng parehong ika-17 siglo.
Iba pang mga lente
Tulad ng nabanggit sa itaas, bilang karagdagan sa mga optical refractive na bagay, mayroon ding mga magnetic at gravitational na bagay. Ang isang halimbawa ng una ay ang mga magnetic lens sa isang electron microscope, isang matingkad na halimbawa ng huli ay ang pagbaluktot ng direksyon ng light flux,kapag dumaan ito malapit sa malalaking kalawakan (mga bituin, planeta).
