"Физика (Базовый и углубленный уровни)", Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И.
Линза — прозрачное тело, которое изменяет направление световых лучей благодаря преломлению на границах с другими средами. Собирающая линза превращает параллельный пучок в сходящийся, а рассеивающая — в расходящийся. Главное внешнее различие в воздухе: у собирающей линзы середина толще краёв, у рассеивающей — тоньше. Для описания её положения используют главную оптическую ось и оптический центр.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Линза — прозрачное тело, ограниченное двумя сферическими поверхностями или сферической и плоской поверхностями. На границах линзы лучи преломляются и меняют направление. Это позволяет линзе собирать или рассеивать свет, поэтому её используют в очках, фотоаппаратах и других оптических приборах.
Собирающая линза превращает параллельный пучок световых лучей в сходящийся. Её отличительный признак в воздухе — середина толще краёв. По такой форме и по поведению параллельных лучей можно распознать линзу даже без измерений.
Рассеивающая линза после прохождения света превращает параллельный пучок в расходящийся. В воздухе её середина обычно тоньше краёв. Если продолжить расходящиеся лучи назад, их продолжения пересекутся в одной области перед линзой.
Главная оптическая ось — прямая, проходящая через центры кривизны поверхностей линзы. Оптический центр — центральная точка тонкой линзы на этой оси, через которую луч проходит практически без отклонения. Эти элементы нужны, чтобы правильно изображать линзу и строить ход лучей.
Свет преломляется, когда переходит из одной среды в другую с иным показателем преломления. Скорость распространения света при этом меняется, поэтому меняется и направление луча, кроме случая падения строго по нормали к границе. В линзе таких границ обычно две: воздух–материал линзы и материал линзы–воздух, поэтому луч может отклониться дважды.
Действие линзы связано с распределением её толщины. У собирающей линзы середина толще краёв, поэтому разные участки поверхности направляют соседние параллельные лучи под углами к одной области. У рассеивающей линзы середина тоньше, и после двух преломлений лучи получают направления, увеличивающие расстояние между ними.
Выпуклая форма обычно приводит к собиранию лучей, потому что нормали к её поверхностям меняются от точки к точке и направляют лучи к оси. Вогнутая форма действует противоположно: лучи отклоняются так, что удаляются от главной оси. Это правило справедливо для обычных линз в воздухе, изготовленных из материала с большим показателем преломления, чем у окружающей среды.
Главную оптическую ось проводят через центры кривизны сферических поверхностей. Центр кривизны каждой поверхности — центр сферы, частью которой является эта поверхность. У симметричной линзы оба центра лежат на одной прямой, и эта же прямая проходит через оптический центр.
Луч, проходящий через оптический центр тонкой линзы, на рисунке считают практически не отклоняющимся. Это приближение объясняется малой толщиной линзы: отклонения на первой и второй поверхностях почти компенсируются. Для толстой линзы или очень точных расчётов такое правило уже нельзя применять без уточнений.
| Признак | Собирающая линза | Рассеивающая линза |
|---|---|---|
| Толщина в середине по сравнению с краями | Больше | Меньше |
| Форма поверхностей | Обычно выпуклая | Обычно вогнутая |
| Действие на параллельный пучок света | Делает пучок сходящимся | Делает пучок расходящимся |
| Как выглядит продолжение лучей после линзы | Сами лучи пересекаются после линзы | Пересекаются мысленные продолжения лучей перед линзой |
Сначала удобно сравнить толщину линзы в центре и у краёв, а затем проверить вывод по ходу параллельных лучей. Если форма и действие будто бы противоречат друг другу, нужно вспомнить, что таблица относится к обычным условиям — прежде всего к линзе в воздухе. Для рассеивающей линзы особенно важно отличать реальные лучи от их продолжений.
Определите, какая перед вами линза: в середине она толще, чем у краёв. Требуется сопоставить наблюдаемую форму с основным признаком линзы. Рассматриваем стандартный случай, когда линза находится в воздухе.
Ответ: перед нами собирающая линза. Её можно дополнительно проверить по выпуклой форме и по сходящемуся пучку параллельных лучей.
Параллельные лучи после прохождения через линзу расходятся. Определите вид линзы и укажите, где пересекаются продолжения лучей. Здесь нельзя искать точку пересечения на самих расходящихся лучах, поэтому нужно мысленно продолжить их назад.
Ответ: линза рассеивающая. Реальные лучи после неё не пересекаются, а пересекаются их мысленные продолжения со стороны падающего света.
На рисунке показана линза и несколько лучей. Нужно провести главную оптическую ось, отметить оптический центр и определить вид линзы по ходу параллельных лучей. Одного признака недостаточно: геометрию линзы следует сопоставить с направлением светового пучка.
Ответ: если параллельные лучи сходятся, линза собирающая; если расходятся — рассеивающая. Луч через отмеченный оптический центр изображают почти прямым.
Ошибка — считать любую выпуклую линзу собирающей без оговорок. Так поступают, потому что запоминают только форму, но действие зависит также от материала и окружающей среды. Проверяйте себя: в школьных задачах линза обычно находится в воздухе, а окончательный признак — направление параллельных лучей.
Ошибка — говорить, что лучи после рассеивающей линзы сходятся. Путаница возникает из-за мысленного продолжения лучей назад. Проверьте рисунок: реальные лучи расходятся, а пересекаются только их продолжения перед линзой.
Ошибка — проводить главную оптическую ось произвольной прямой. Обычно забывают, что она связана с центрами кривизны сферических поверхностей. Для проверки найдите эти центры или используйте симметрию линзы: ось должна проходить через её центральную область.
Ошибка — считать, что любой луч через линзу идёт прямо. Такое правило относится только к лучу через оптический центр тонкой линзы и является приближением. Если луч проходит через другую часть линзы, его направление обычно меняется из-за преломления.
Для понимания действия линзы нужны закон преломления света и представление о показателе преломления. Они объясняют, почему луч меняет направление на границах воздуха и материала линзы. Без этих знаний трудно понять, почему одна форма линзы собирает свет, а другая рассеивает его.
Понятия собирающей и рассеивающей линз понадобятся при построении изображений. На их основе изучают работу лупы, фотоаппарата, микроскопа, телескопа и очков. Главная оптическая ось и оптический центр служат опорными элементами на всех таких схемах.
Как отличить собирающую линзу от рассеивающей?
В воздухе собирающая линза обычно толще в середине, чем у краёв, и сводит параллельные лучи. Рассеивающая линза тоньше в середине и заставляет лучи расходиться.
Почему линза изменяет направление света?
Свет преломляется при переходе из одной среды в другую, если среды имеют разные показатели преломления. В линзе лучи меняют направление на обеих границах.
Что называют главной оптической осью?
Главная оптическая ось — прямая, проходящая через центры кривизны сферических поверхностей линзы. Для симметричной линзы она проходит через её оптический центр.
Где находится оптический центр линзы?
Оптический центр находится внутри линзы на её главной оптической оси. В тонкой симметричной линзе его обычно считают центральной точкой линзы.
Почему через оптический центр луч считают не отклоняющимся?
В тонкой линзе отклонения луча на первой и второй поверхностях практически компенсируют друг друга. Поэтому луч, проходящий через оптический центр, на схемах изображают прямой линией.
1. Виды линз. Основные элементы линзы
