"Физика (базовый и углублённый уровни) (в 2 частях)", Генденштейн Л.Э., Булатова А.А., Корнильев И.Н., Кошкина А.В.; под редакцией Орлова В.А.
Линза — прозрачное тело, которое преломляет свет и изменяет направление лучей. По форме и действию различают собирающие и рассеивающие линзы: первые сводят параллельные лучи, вторые заставляют их расходиться. Для описания хода света используют оптический центр, главную оптическую ось и главные плоскости. Эти понятия нужны при построении изображений и изучении оптических приборов.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Линза — прозрачное однородное тело, ограниченное двумя сферическими поверхностями или одной сферической и одной плоской. При прохождении через линзу свет преломляется, поэтому направление лучей изменяется. Это позволяет собирать свет в изображение или, наоборот, расширять пучок.
Собирающая линза превращает параллельный пучок лучей в сходящийся после прохождения через неё. В воздухе её середина толще краёв, поэтому поверхности направляют преломлённые лучи к общей области. Такая линза используется для получения действительных изображений.
Рассеивающая линза после прохождения параллельного пучка заставляет лучи расходиться. В воздухе её середина тоньше краёв, и преломление на поверхностях отклоняет лучи от общей оси. По продолжениям расходящихся лучей можно получить мнимое изображение.
Главная оптическая ось — прямая, проходящая через центры кривизны сферических поверхностей линзы. Оптический центр O — точка на этой оси, через которую луч в модели тонкой линзы проходит почти без отклонения. Главные плоскости H₁ и H₂ — условные плоскости, перпендикулярные оси и задающие положение преломления.
Различие линз определяется не названием поверхности, а формой всего тела и его действием в воздухе. Если середина толще краёв, преломление на двух поверхностях в целом направляет параллельные лучи навстречу друг другу. Если середина тоньше, лучи после преломления удаляются от главной оси.
К собирающим относят двояковыпуклые, плосковыпуклые и вогнуто-выпуклые линзы. У каждой из них средняя часть толще краёв, хотя конкретное сочетание поверхностей различается. К рассеивающим относят двояковогнутые, плосковогнутые и выпукло-вогнутые линзы, у которых середина тоньше краёв.
Оптический центр O располагают на главной оптической оси внутри линзы. Луч, проходящий через эту точку, в приближении тонкой линзы не меняет направления, хотя может немного сместиться поперёк. Поэтому центральный луч особенно удобен при построении изображений.
Главная оптическая ось проходит через центры кривизны сферических поверхностей. Центр кривизны — центр сферы, частью которой является соответствующая поверхность линзы. Если одна поверхность плоская, её считают имеющей бесконечно удалённый центр кривизны, поэтому направление оси задают перпендикулярно плоской поверхности и через центр другой поверхности.
Главные плоскости описывают положение, в котором условно происходит преломление лучей. Для тонкой линзы их считают совпадающими, а расстоянием между ними пренебрегают. Это упрощает схему: вместо двух близких преломляющих поверхностей используют одну условную плоскость, сохраняя основные правила хода лучей.
| Признак | Собирающая линза | Рассеивающая линза |
|---|---|---|
| Форма относительно краёв | Середина толще краёв | Середина тоньше краёв |
| Типичные формы поверхностей | Двояковыпуклая, плосковыпуклая, вогнуто-выпуклая | Двояковогнутая, плосковогнутая, выпукло-вогнутая |
| Действие на параллельный пучок | Превращает его в сходящийся | Превращает его в расходящийся |
| Положение оптического центра | Точка O на главной оптической оси | Точка O на главной оптической оси |
| Обозначение на схеме | Симметричная выпуклая форма; ось и точка O | Симметричная вогнутая форма; ось и точка O |
Сначала сравните толщину середины и краёв, затем определите действие линзы на параллельный пучок. После этого проверьте форму поверхностей и найдите на оси точку O. Если изображена тонкая линза, главные плоскости можно считать одной условной линией.
Определите, какая линза изображена на схеме: двояковыпуклая или двояковогнутая. На схеме нужно сравнить толщину линзы в центре и у краёв. Название выбирают по форме обеих поверхностей.
Ответ: линза с толстой серединой — двояковыпуклая, а с тонкой серединой — двояковогнутая. В воздухе первая обычно собирает лучи, вторая рассеивает их. Сначала определяется форма, а затем по ней делается вывод о действии.
Классифицируйте плосковогнутую линзу, находящуюся в воздухе, и объясните вывод. Одна её поверхность плоская, другая вогнутая. Нужно установить, толще или тоньше середина относительно краёв.
Ответ: плосковогнутая линза в воздухе является рассеивающей. Плоская поверхность не отменяет действия вогнутой поверхности. Решение основано на толщине всей линзы и её преломляющем действии.
На рисунке показана линза и луч, проходящий через её оптический центр. Определите направление луча после линзы и обозначьте главную оптическую ось. Используйте свойства тонкой линзы, а не внешний вид луча.
Ответ: в модели тонкой линзы луч через оптический центр выходит практически без отклонения. Главная оптическая ось должна проходить через O и соответствовать симметрии линзы. Нельзя проводить её произвольно поперёк или сбоку от линзы.
Ошибка: определять линзу по одной поверхности, например считать любую выпуклость собирающей. Так делают, потому что запоминают отдельное название поверхности, а не форму тела целиком. Проверка: сравните толщину середины и краёв всей линзы.
Ошибка: путать собирающую и рассеивающую линзы. Причина — смешение названия формы и результата преломления. Проверка: в воздухе толстая середина означает собирающее действие, тонкая — рассеивающее.
Ошибка: принимать оптический центр за геометрический центр фигуры. Геометрический центр может не совпадать с точкой, через которую центральный луч идёт прямо. Проверка: найдите точку O на главной оптической оси внутри линзы.
Ошибка: проводить главную ось произвольно. Её иногда рисуют просто через середину изображения, не учитывая центры кривизны поверхностей. Проверка: ось должна проходить через эти центры и совпадать с направлением симметрии линзы.
Для понимания линз нужны знания о прямолинейном распространении света в однородной среде и о преломлении на границе сред. Именно преломление объясняет изменение направления лучей. Без этого невозможно связать форму линзы с её действием.
Понятия оптического центра и главной оси применяют при построении изображений. Далее они понадобятся при изучении фокусного расстояния и оптической силы линзы. Эти величины позволяют количественно описывать действие линзы.
Различие собирающих и рассеивающих линз помогает объяснить работу очков, фотоаппаратов и других оптических приборов. В приборах линзы соединяют для получения нужного изображения. Поэтому классификация по форме имеет практическое значение.
Как по форме понять, собирающая линза или рассеивающая?
В воздухе собирающая линза обычно толще в середине, чем по краям, а рассеивающая — тоньше. Поэтому нужно оценивать форму всей линзы, а не только одной её поверхности.
Может ли линза иметь одну плоскую поверхность?
Да, одна из поверхностей линзы может быть плоской, а другая — сферической. Такие линзы называют плосковыпуклыми или плосковогнутыми.
Где на рисунке находится оптический центр?
Оптический центр обозначают буквой O и располагают на главной оптической оси внутри линзы. Через него центральный луч тонкой линзы проходит практически без отклонения.
Почему луч через оптический центр почти не меняет направление?
В тонкой линзе толщиной в области центра пренебрегают, поэтому смещение луча при прохождении через неё мало. В результате действие двух преломляющих поверхностей почти компенсируется.
Что означает приближение тонкой линзы?
Главные плоскости тонкой линзы считают совпадающими, а расстоянием между ними пренебрегают. Благодаря этому линзу на схемах заменяют одной плоскостью и строят лучи проще.
1. Виды линз. Основные элементы линзы
