Công thức về thấu kính hội tụ mỏng là một kết luận. Thấu kính hội tụ và phân kỳ
"Ống kính. Xây dựng hình ảnh trong ống kính"
Mục tiêu bài học:
Giáo dục: chúng ta sẽ tiếp tục nghiên cứu về tia sáng và sự lan truyền của chúng, giới thiệu khái niệm thấu kính, nghiên cứu hoạt động của thấu kính hội tụ và tán xạ; học cách dựng ảnh do thấu kính đưa ra.
Đang phát triển: góp phần phát triển tư duy logic, khả năng nhìn, nghe, thu thập và lĩnh hội thông tin, độc lập đưa ra kết luận.
Giáo dục: trau dồi tính chu đáo, kiên trì và chính xác trong công việc; học cách sử dụng kiến thức thu được để giải quyết các vấn đề thực tiễn và nhận thức.
Loại bài học: kết hợp, bao gồm phát triển kiến thức, kỹ năng mới, củng cố và hệ thống hóa những kiến thức đã tiếp thu trước đó.
Trong các lớp học
Tổ chức thời gian(2 phút):
chào học sinh;
kiểm tra sự sẵn sàng làm bài của học sinh;
làm quen với mục tiêu bài học (mục tiêu giáo dục được đặt ra chung chung, không nêu chủ đề của bài học);
tạo ra tâm trạng tâm lý:
Vũ trụ, lĩnh hội,
Biết mọi thứ mà không cần lấy đi
Những gì bên trong - bên ngoài bạn sẽ tìm thấy,
Những gì bên ngoài, bạn sẽ tìm thấy bên trong
Vì vậy, hãy chấp nhận nó mà không cần nhìn lại
Những câu đố vui trên thế giới ...
I. Goethe
Sự lặp lại của tài liệu đã nghiên cứu trước đây xảy ra trong một số giai đoạn.(26 phút):
1. Blitz - thăm dò ý kiến(đáp án của câu hỏi chỉ có thể là có hoặc không, để có cái nhìn tổng quan hơn về câu trả lời của học sinh, bạn có thể sử dụng các thẻ tín hiệu, "có" - màu đỏ, "không" - màu xanh lá cây, cần ghi rõ câu trả lời đúng) :
Ánh sáng có truyền theo đường thẳng trong môi trường đồng chất không? (Vâng)
Góc phản xạ được biểu thị bằng chữ cái Latinh betta? (Không)
Sự phản xạ là đặc trưng hay khuếch tán? (Vâng)
Góc tới luôn lớn hơn góc phản xạ? (Không)
Tại ranh giới của hai môi trường trong suốt, chùm sáng có đổi hướng không? (Vâng)
Góc khúc xạ luôn lớn hơn góc tới? (Không)
Tốc độ ánh sáng trong môi trường nào giống nhau và bằng 3 * 10 8 m / s? (Không)
Tốc độ ánh sáng trong nước nhỏ hơn tốc độ ánh sáng trong chân không? (Vâng)
Hãy xem xét slide 9: “Dựng ảnh trong thấu kính hội tụ” ( ), sử dụng phần tóm tắt tham chiếu để xem xét các tia được sử dụng.
Thực hiện dựng ảnh trong thấu kính hội tụ lên bảng, nêu đặc điểm của nó (do giáo viên hoặc học sinh thực hiện).
Hãy xem xét trang trình bày 10: “Xây dựng hình ảnh trong một thấu kính phân kỳ” ( ).
Thực hiện dựng ảnh trong thấu kính phân kì lên bảng, nêu đặc điểm của ảnh (do giáo viên hoặc học sinh thực hiện).
5. Kiểm tra sự hiểu biết về vật liệu mới, sự củng cố của nó(19 phút):
Bài làm của học sinh trên bảng đen:
Dựng ảnh của một vật trong thấu kính hội tụ:
Nhiệm vụ trước:
Làm việc độc lập với sự lựa chọn của các nhiệm vụ.
6. Tổng kết bài học(5 phút):
Em học được gì trong bài, em cần chú ý điều gì?
Tại sao không nên tưới cây từ trên cao vào ngày hè nóng nực?
Điểm cho công việc trong lớp học.
7. Bài tập về nhà(2 phút):
Dựng ảnh của một vật trong thấu kính phân kì:
Nếu vật nằm ngoài tiêu điểm của thấu kính.
Nếu vật nằm giữa tiêu điểm và thấu kính.
Đính kèm bài , , Và .
1. Các loại thấu kính. Trục quang học chính của ống kính
Thấu kính là một vật trong suốt đối với ánh sáng, được giới hạn bởi hai bề mặt hình cầu (một trong những bề mặt có thể bằng phẳng). Thấu kính có tâm dày hơn
các cạnh được gọi là lồi, và những cạnh có mép dày hơn ở giữa được gọi là lõm. Thấu kính lồi làm từ chất có mật độ quang học lớn hơn mật độ quang của môi trường chứa thấu kính
là nằm, là hội tụ và thấu kính lõm trong cùng điều kiện là phân kỳ. Các loại thấu kính khác nhau được thể hiện trong hình. 1: 1 - hai mặt lồi, 2 - hai mặt lõm, 3 - plano-lồi, 4 - plano-lõm, 3,4 - lồi-lõm và lõm-lồi.
Cơm. 1. Thấu kính
Đường thẳng O 1 O 2 đi qua tâm của các mặt cầu giới hạn thấu kính được gọi là trục chính của thấu kính.
2. Thấu kính mỏng, quang tâm của nó.
Trục quang học bên
Một thấu kính có độ dày l= | С 1 С 2 | (xem Hình 1) là không đáng kể so với bán kính cong R 1 và R 2 của các bề mặt thấu kính và khoảng cách d từ vật đến thấu kính, được gọi là mảnh. Trong một thấu kính mỏng, các điểm C 1 và C 2, là các đỉnh của các đoạn hình cầu, nằm gần nhau đến mức chúng có thể được coi là một điểm. Điểm O này nằm trên trục chính, tia sáng truyền qua mà không đổi hướng gọi là quang tâm của thấu kính mỏng. Đường thẳng nào đi qua quang tâm của thấu kính được gọi là trục chính của nó. Tất cả các trục quang, ngoại trừ trục chính, được gọi là trục quang phụ.
Các tia sáng truyền gần trục quang học chính được gọi là paraxial (bán kính).
3. Các thủ thuật chính và tiêu điểm
khoảng cách ống kính
Điểm F trên trục quang chính, tại đó các tia paraxial giao nhau sau khi khúc xạ, tới thấu kính song song với trục chính (hoặc điểm tiếp nối của các tia khúc xạ này), được gọi là tiêu điểm chính của thấu kính (Hình 2 và 3). Bất kỳ thấu kính nào cũng có hai tiêu điểm chính, nằm ở hai bên đối xứng với tâm quang học của nó.
Cơm. 2 Hình. 3
Thấu kính hội tụ (Hình 2) có tiêu điểm thực, còn thấu kính phân kỳ (Hình 3) có tiêu điểm ảo. Khoảng cách | OP | = F từ quang tâm của thấu kính đến tiêu điểm chính của nó gọi là tiêu cự. Thấu kính hội tụ có tiêu cự dương, còn thấu kính phân kỳ có tiêu cự âm.
4. Tiêu cự của thấu kính, tính chất của chúng
Mặt phẳng đi qua tiêu điểm chính của thấu kính mỏng vuông góc với quang trục chính gọi là tiêu diện. Mỗi thấu kính có hai mặt phẳng tiêu cự (M 1 M 2 và M 3 M 4 trong Hình 2 và 3), chúng nằm ở cả hai mặt của thấu kính.
Tia tới của thấu kính hội tụ song song với bất kỳ trục quang học thứ cấp nào của nó, sau khi thấu kính khúc xạ, hội tụ tại giao điểm của trục này với tiêu diện (tại điểm F 'trên hình 2). Điểm này được gọi là tiêu điểm bên.
Công thức ống kính
5. Công suất quang học của ống kính
Giá trị D, nghịch đảo của tiêu cự của thấu kính, được gọi là công suất quang học của thấu kính:
D = 1 / F (1)
Do đó, đối với thấu kính hội tụ F> 0, D> 0 và đối với thấu kính phân kỳ F<0, следовательно, D<0, т.е. оптическая сила собирающей линзы положительна, а рассеивающей - отрицательна.
Đơn vị của công suất quang học được lấy là công suất quang học của thấu kính đó, tiêu cự của thấu kính đó là 1 m; Đơn vị này được gọi là diopter (dptr):
1 diop = = 1 m -1
6. Suy ra công thức thấu kính mỏng dựa trên
cấu tạo hình học của đường đi của tia
Đặt vật sáng AB trước thấu kính hội tụ (Hình 4). Để dựng ảnh của vật này, cần dựng ảnh của các điểm cực trị của nó, thuận tiện cho việc chọn các tia như vậy thì việc dựng ảnh sẽ đơn giản nhất. Nói chung, có thể có ba tia như vậy:
a) Chùm tia AC, song song với trục chính, sau khi khúc xạ đi qua tiêu điểm chính của thấu kính, tức là. đi trên đường thẳng CFA 1;
Cơm. 4
b) chùm AO đi qua quang tâm của thấu kính không bị khúc xạ và cũng tới điểm A 1;
c) Chùm tia AB đi qua tiêu điểm trước của thấu kính, sau khúc xạ, đi song song với quang trục chính dọc theo đường thẳng DA 1.
Cả ba chùm sáng cho biết đều thu được ảnh thật của điểm A. Thả theo phương vuông góc từ điểm A 1 đến quang trục chính, ta tìm được điểm B 1 là ảnh của điểm B. Để dựng ảnh của một điểm sáng, nó là đủ để sử dụng hai trong ba chùm được liệt kê.
Hãy để chúng tôi giới thiệu ký hiệu sau | OB | = d là khoảng cách của vật đến thấu kính, | OB 1 | = f là khoảng cách từ thấu kính đến ảnh của vật, | OF | = F là tiêu cự của thấu kính.
Sử dụng vả. 4, chúng tôi suy ra công thức thấu kính mỏng. Từ sự đồng dạng của các tam giác AOB và A 1 OB 1, suy ra rằng
(2)
Từ sự đồng dạng của các tam giác COF và A 1 FB 1 mà
và kể từ khi | AB | = | CO |, sau đó
(4)
Từ công thức (2) và (3) nó theo sau rằng
(5)
Vì | OB1 | = f nên | OB | = d, | FB1 | = f - F và | OF | = F, công thức (5) có dạng f / d = (f - F) / F, khi đó
FF = df - dF (6)
Chia công thức (6) số hạng theo số hạng cho tích dfF, ta thu được
(7)
ở đâu
(8)
Tính đến (1), chúng tôi có được
(9)
Quan hệ (8) và (9) được gọi là công thức thấu kính hội tụ mỏng.
Tại thấu kính phân kì F<0, поэтому формула тонкой рассеивающей линзы имеет вид
(10)
7. Sự phụ thuộc của công suất quang học của thấu kính vào độ cong của các bề mặt của nó
và chỉ số khúc xạ
Tiêu cự F và công suất quang học D của thấu kính mỏng phụ thuộc vào bán kính cong R 1 và R 2 của bề mặt nó và chiết suất tỉ đối n 12 của chất làm thấu kính so với môi trường. Sự phụ thuộc này được biểu thị bằng công thức
(11)
(12)
Nếu một trong các bề mặt thấu kính là phẳng (với nó R = ∞), thì số hạng tương ứng 1 / R trong công thức (12) bằng không. Nếu bề mặt lõm, thì số hạng 1 / R tương ứng với nó sẽ nhập vào công thức này với một dấu trừ.
Dấu hiệu vế phải của công thức m (12) xác định tính chất quang học của thấu kính. Nếu nó là thấu kính dương thì nó là thấu kính hội tụ, và nếu nó là thấu kính phân kì thì nó là thấu kính phân kỳ. Ví dụ, đối với thấu kính thủy tinh hai mặt lồi trong không khí, (n 12 - 1)> 0 và
những, cái đó. vế phải của công thức (12) là số dương. Do đó, một thấu kính như vậy trong không khí là hội tụ. Nếu đặt thấu kính giống nhau trong môi trường trong suốt có mật độ quang là
lớn hơn thủy tinh (ví dụ, trong cacbon đisulfua), thì nó sẽ trở nên tán xạ, bởi vì trong trường hợp này nó có (n 12 - 1)<0 и, хотя
, dấu ở phía bên phải của công thức / (17,44) sẽ trở thành
phủ định.
8. Độ phóng đại tuyến tính của ống kính
Kích thước của ảnh tạo bởi thấu kính thay đổi tùy thuộc vào vị trí của vật so với thấu kính. Tỉ số giữa kích thước của ảnh với kích thước của vật được mô tả được gọi là độ phóng đại tuyến tính và được ký hiệu là G.
Hãy biểu thị h là kích thước của vật AB và H - kích thước của A 1 B 2 - ảnh của nó. Sau đó, nó theo công thức (2) rằng
(13)
10. Dựng ảnh trong thấu kính hội tụ
Tùy thuộc vào khoảng cách d của vật với thấu kính, có thể có sáu trường hợp khác nhau để dựng ảnh của vật này:
a) d = ∞. Trong trường hợp này, các tia sáng từ vật thể rơi trên thấu kính song song với trục quang học chính hoặc phụ. Một trường hợp như vậy được thể hiện trong Hình. 2, từ đó có thể thấy rằng nếu vật ra khỏi thấu kính một cách vô hạn thì ảnh của vật là thật, ở dạng một điểm, nằm trong tiêu điểm của thấu kính (chính hoặc phụ);
b) 2F< d <∞. Предмет находится на конечном расстоянии от линзы большем, чем ее удвоенное фокусное расстояние (см. рис. 3). Изображение предмета действительное, перевернутое, уменьшенное находится между фокусом и точкой, отстоящей от линзы на двойное фокусное расстояние. Проверить правильность построения данного изображения можно
bằng tính toán. Cho d = 3F, h = 2 cm, theo công thức (8) thì
(14)
Vì f> 0 nên ảnh là thật. Nó nằm sau thấu kính một khoảng OB1 = 1,5F. Mọi hình ảnh thực đều bị ngược. Từ công thức
(13) nó theo sau đó
; H = 1 cm
tức là hình ảnh bị giảm. Tương tự, sử dụng phép tính dựa trên công thức (8), (10) và (13), người ta có thể kiểm tra tính đúng đắn của cấu tạo của bất kỳ hình ảnh nào trong ống kính;
c) d = 2F. Vật thể có tiêu cự gấp đôi tiêu cự so với thấu kính (Hình 5). Ảnh của vật thật, ngược chiều, bằng vật, nằm sau thấu kính trên
gấp đôi độ dài tiêu cự từ nó;
Cơm. năm
d) F
Cơm. 6
e) d = F. Vật nằm trong tiêu điểm của thấu kính (Hình 7). Trong trường hợp này, ảnh của vật không tồn tại (ở vô cực), vì các tia từ mỗi điểm của vật sau khi khúc xạ trong thấu kính sẽ đi thành chùm song song;
Cơm. 7
e) d
Cơm. số 8
11. Dựng ảnh trong thấu kính phân kì
Hãy dựng ảnh của một vật ở hai khoảng cách khác nhau so với thấu kính (Hình 9). Qua hình vẽ có thể thấy rằng dù vật cách thấu kính phân kì bao xa thì ảnh của vật là ảo, trực tiếp, thu nhỏ, nằm giữa thấu kính và tiêu điểm của nó.
từ đối tượng được miêu tả.
Cơm. chín
Xây dựng hình ảnh trong ống kính bằng cách sử dụng trục bên và mặt phẳng tiêu cự
(Dựng ảnh của một điểm nằm trên trục chính)
Cơm. 10
Gọi điểm sáng S nằm trên trục chính của thấu kính hội tụ (Hình 10). Để tìm vị trí tạo thành ảnh S 'của nó, ta vẽ từ điểm S hai chùm tia: chùm SO dọc theo trục chính (nó đi qua quang tâm của thấu kính mà không bị khúc xạ) và chùm tia tới SВ trên thấu kính tại một điểm B tùy ý.
Ta vẽ tiêu diện MM 1 của thấu kính và vẽ trục phụ ОF 'song song với tia SВ (biểu diễn bằng nét đứt). Nó giao với mặt phẳng tiêu điểm tại điểm S '.
Như đã nói ở đoạn 4, một tia phải đi qua điểm F này sau khi khúc xạ tại điểm B. Tia BF'S 'này cắt với tia SOS' tại điểm S ', là ảnh của điểm sáng S.
Dựng ảnh của một vật có kích thước lớn hơn thấu kính
Cho vật AB cách thấu kính một khoảng hữu hạn (Hình 11). Để tìm ảnh của vật này ở đâu, ta vẽ hai chùm sáng từ điểm A: một chùm AOA 1 đi qua quang tâm của thấu kính không khúc xạ và một chùm AC rơi trên thấu kính tại một điểm C. Tùy ý. vẽ tiêu diện MM 1 của thấu kính và vẽ trục phụ OF ', song song với tia AC (biểu diễn bằng nét đứt). Nó giao với mặt phẳng tiêu điểm tại điểm F '.
Cơm. mười một
Một chùm khúc xạ tại điểm C sẽ đi qua điểm F '. Chùm CF'A 1 này cắt với tia AOA 1 tại điểm A 1 là ảnh của điểm sáng A. Để có được toàn bộ ảnh A 1 B 1. của vật AB, ta hạ vuông góc từ điểm A 1 xuống quang trục chính.
kính lúp
Được biết, để nhìn thấy các chi tiết nhỏ trên một vật thể, chúng phải được nhìn từ một góc nhìn lớn, nhưng sự gia tăng góc độ này bị hạn chế bởi giới hạn khả năng đáp ứng của mắt. Bạn có thể tăng góc nhìn (trong khi vẫn duy trì khoảng cách của góc nhìn tốt nhất) bằng cách sử dụng các thiết bị quang học (kính râm, kính hiển vi).
Kính lúp là thấu kính hai mặt lồi tiêu cự ngắn hoặc hệ thấu kính đóng vai trò là thấu kính hội tụ đơn, tiêu cự của kính lúp thường không quá 10 cm).
Cơm. 12
Đường đi của các tia trong kính lúp được biểu diễn trong Hình. 12. Kính lúp đặt sát mắt,
và vật đang xét AB \ u003d A 1 B 1 được đặt giữa kính lúp và tiêu điểm trước của nó, gần tiêu điểm sau hơn một chút. Chọn vị trí đặt kính lúp giữa mắt và vật sao cho ảnh rõ nét của vật. Ảnh A 2 B 2 này là ảnh ảo, thẳng, phóng to và nằm cách mắt | OB | = d o một điểm tốt nhất.
Như có thể thấy từ hình. 12, việc sử dụng kính lúp làm tăng góc trông của mắt mà từ đó mắt nhìn được vật. Thật vậy, khi vật ở vị trí AB và nhìn bằng mắt thường thì góc trông vật là φ 1. Vật được đặt giữa tiêu điểm và quang tâm của kính lúp ở vị trí A 1 B 1 và góc trông vật trở thành φ 2. Vì φ 2> φ 1, điều này
có nghĩa là với kính lúp, bạn có thể nhìn thấy các chi tiết trên một vật thể tốt hơn so với bằng mắt thường.
Từ hình 12 cũng cho thấy rằng độ phóng đại tuyến tính của kính lúp
Vì | OB 2 | = d o và | OB | ≈F (tiêu cự của kính lúp) nên
G \ u003d d about / F,
do đó, độ phóng đại do kính lúp đưa ra bằng tỷ số giữa khoảng cách của khung nhìn tốt nhất với tiêu cự của kính lúp.
Kính hiển vi
Kính hiển vi là một công cụ quang học được sử dụng để xem xét các vật thể rất nhỏ (bao gồm cả những vật thể không nhìn thấy bằng mắt thường) từ một góc nhìn lớn.
Kính hiển vi bao gồm hai thấu kính hội tụ - một thấu kính tiêu cự ngắn và một thị kính tiêu cự dài, khoảng cách giữa hai thấu kính có thể thay đổi được. Do đó, F 1<
Đường đi của các tia trong kính hiển vi được thể hiện trong Hình. 13. Thấu kính tạo ảnh thật, ngược chiều, phóng to trung gian A 1 B 2 của vật AB.
Cơm. 13
282.
Thu phóng tuyến tính
Với sự trợ giúp của một micrometric
vít, thị kính được đặt
đối với ống kính
để nó là trung gian
hình ảnh chính xác A \ B \ eye-
bị kẹt giữa tiêu điểm phía trước
som RF và trung tâm quang học
Thị kính mắt. Sau đó, thị kính
trở thành một kính lúp và tạo ra một
của tôi, trực tiếp (liên quan đến
trung gian) và tăng lên
Hình ảnh LHF của đối tượng av.
Vị trí của nó có thể được tìm thấy
sử dụng các thuộc tính của tiêu điểm
mặt phẳng và trục bên (trục
O ^ P 'được thực hiện song song với lu-
chu 1 và trục OchR "- song song-
nhưng chùm 2). Như đã thấy từ
cơm. 282, việc sử dụng vi
osprey dẫn đến đáng kể
muốn tăng góc nhìn,
dưới đó mắt được nhìn
có một đối tượng (fa ^> fO, mà pos-
muốn xem chi tiết, không phải vi-
có thể nhìn thấy bằng mắt thường.
kính hiển vi
\ AM 1L2J2 I | d ||
G =
\ AB \ | L, 5, | \ AB \
Vì \ A ^ Vch \ / \ A \ B \\ == Gok là độ phóng đại tuyến tính của thị kính và
\ A \ B \\ / \ AB \ == Gob - độ phóng đại tuyến tính của ống kính, sau đó tuyến tính
độ phóng đại kính hiển vi
(17.62)
G == Gob Gok.
Từ hình 282 cho thấy rằng
»| L1Y, 1 | 0, R ||
\ AB \ 150.1 '
trong đó 10,5, | = | 0/7, | + 1 / ^ 21 + 1ad1.
Gọi 6 là khoảng cách giữa tiêu điểm sau của thấu kính
và tiêu điểm phía trước của thị kính, tức là 6 = \ P \ P'r \. Kể từ 6 ^> \ OP \\
và 6 »\ P2B \, thì | 0 | 5 | 1 ^ 6. Kể từ khi | 05 || ^ Rob, chúng tôi nhận được
b
Rob
(17.63)
Độ phóng đại tuyến tính của thị kính được xác định theo cùng một công thức
(17,61), là độ phóng đại của kính lúp, tức là
384
Gok =
Nhưng"
Gok
(17.64)
(17.65)
Thay (17,63) và (17,64) vào công thức (17,62), ta được
sinh học
G ==
/ ^ vòng / m
Công thức (17,65) xác định độ phóng đại tuyến tính của kính hiển vi.
Có những vật thể có khả năng thay đổi mật độ của thông lượng bức xạ điện từ tới trên chúng, nghĩa là tăng nó bằng cách thu thập nó tại một điểm, hoặc giảm nó bằng cách tán xạ nó. Những vật thể này được gọi là thấu kính trong vật lý. Chúng ta hãy xem xét câu hỏi này chi tiết hơn.
Thấu kính trong vật lý là gì?
Khái niệm này hoàn toàn có nghĩa là bất kỳ vật thể nào có khả năng thay đổi hướng truyền của bức xạ điện từ. Đây là định nghĩa chung về thấu kính trong vật lý, nó bao gồm kính quang học, thấu kính từ trường và hấp dẫn.
Trong bài này, chúng ta sẽ chú ý đến kính quang học, là vật được làm bằng vật liệu trong suốt và được giới hạn bởi hai bề mặt. Một trong những bề mặt này nhất thiết phải có độ cong (nghĩa là, là một phần của hình cầu có bán kính hữu hạn), nếu không vật thể sẽ không có tính chất thay đổi hướng truyền của tia sáng.
Nguyên lý của thấu kính
Bản chất của vật thể quang học đơn giản này là hiện tượng khúc xạ ánh sáng mặt trời. Vào đầu thế kỷ 17, nhà vật lý và thiên văn học nổi tiếng người Hà Lan Willebrord Snell van Rooyen đã công bố định luật khúc xạ, hiện mang họ của ông. Công thức của định luật này như sau: khi ánh sáng mặt trời đi qua mặt phân cách giữa hai môi trường quang học trong suốt, thì tích sin giữa chùm sáng và pháp tuyến đối với bề mặt và chiết suất của môi trường truyền nó là một hằng số giá trị.
Để làm rõ điều trên, chúng ta hãy lấy một ví dụ: cho tia sáng rơi trên mặt nước, trong khi góc giữa pháp tuyến của bề mặt và chùm tia bằng θ 1. Sau đó, chùm sáng bị khúc xạ và bắt đầu truyền trong nước ở góc θ 2 so với pháp tuyến so với bề mặt. Theo định luật Snell, ta nhận được: sin (θ 1) * n 1 \ u003d sin (θ 2) * n 2, ở đây n 1 và n 2 lần lượt là chiết suất đối với không khí và nước. Chiết suất là gì? Đây là giá trị cho thấy tốc độ lan truyền của sóng điện từ trong chân không lớn hơn bao nhiêu lần đối với môi trường quang học trong suốt, tức là, n = c / v, trong đó c và v là tốc độ ánh sáng trong chân không và trong môi trường , tương ứng.
Tính vật lý của sự xuất hiện của hiện tượng khúc xạ nằm trong việc thực hiện nguyên lý Fermat, theo đó ánh sáng di chuyển theo cách sao cho vượt qua khoảng cách từ điểm này đến điểm khác trong không gian trong thời gian ngắn nhất.
Loại thấu kính quang học trong vật lý chỉ được xác định bởi hình dạng của các bề mặt tạo nên nó. Hướng khúc xạ của chùm tia tới đối với chúng phụ thuộc vào hình dạng này. Vì vậy, nếu độ cong của bề mặt là dương (lồi), thì khi ra khỏi thấu kính, chùm sáng sẽ truyền gần trục quang học của nó hơn (xem bên dưới). Ngược lại, nếu độ cong của bề mặt là âm (lõm) thì khi đi qua thủy tinh thể, chùm tia sẽ dịch chuyển ra khỏi trục chính giữa của nó.
Chúng ta lưu ý một lần nữa rằng bề mặt của bất kỳ đường cong nào cũng khúc xạ các tia theo cùng một cách (theo định luật Stella), nhưng các mặt chuẩn của chúng có độ dốc khác so với trục quang học, dẫn đến một hành vi khác của tia khúc xạ.
Thấu kính được giới hạn bởi hai mặt lồi được gọi là thấu kính hội tụ. Ngược lại, nếu nó được tạo thành bởi hai bề mặt có độ cong âm, thì nó được gọi là sự tán xạ. Tất cả các hình chiếu khác được liên kết với sự kết hợp của các bề mặt được chỉ định, mà một mặt phẳng cũng được thêm vào. Thấu kính kết hợp sẽ có đặc tính gì (khuếch tán hay hội tụ) phụ thuộc vào tổng độ cong của bán kính bề mặt của nó.
Các thành phần thấu kính và đặc tính tia
Để chế tạo thấu kính trong vật lý hình ảnh, cần phải làm quen với các yếu tố của vật thể này. Chúng được liệt kê dưới đây:
- Trục quang chính và tâm. Trong trường hợp đầu tiên, chúng có nghĩa là một đường thẳng đi vuông góc với thấu kính qua quang tâm của nó. Đến lượt nó, là một điểm bên trong thấu kính, đi qua đó chùm tia không bị khúc xạ.
- Tiêu cự và tiêu điểm - khoảng cách giữa tâm và một điểm trên trục quang học, trong đó tất cả các tia tới trên thấu kính song song với trục này đều được thu thập. Định nghĩa này đúng với kính quang học thu thập. Trong trường hợp thấu kính phân kỳ, bản thân các tia sẽ không hội tụ tại một điểm mà là sự tiếp tục trong tưởng tượng của chúng. Điểm này được gọi là tiêu điểm chính.
- công suất quang học. Đây là tên nghịch đảo của tiêu cự, nghĩa là, D \ u003d 1 / f. Nó được đo bằng diop (đi-ốp), tức là 1 đi-ốp. = 1 m -1.
Sau đây là các tính chất chính của tia đi qua thấu kính:
- chùm tia đi qua quang tâm không làm thay đổi hướng chuyển động của nó;
- tia tới song song với quang trục chính đổi hướng sao cho đi qua tiêu điểm chính;
- Các tia rơi trên kính quang học ở một góc bất kỳ, nhưng đi qua tiêu điểm của nó, thay đổi hướng truyền của chúng sao cho chúng trở nên song song với trục chính.
Các tính chất trên của tia đối với thấu kính mỏng trong vật lý (như cách gọi của chúng, vì không quan trọng chúng được tạo thành từ những mặt cầu nào và chúng có độ dày như thế nào, mà chỉ tính chất quang học của vật chất) được sử dụng để xây dựng ảnh trong chúng.
Hình ảnh trong kính quang học: làm thế nào để xây dựng?
Hình dưới đây mô tả chi tiết các sơ đồ dựng ảnh trong thấu kính lồi và thấu kính lõm của một vật (mũi tên đỏ) tùy thuộc vào vị trí của nó.
Kết luận quan trọng sau khi phân tích các mạch trong hình:
- Ảnh nào cũng chỉ dựng trên 2 tia (đi qua quang tâm và song song với quang trục chính).
- Thấu kính hội tụ (biểu thị bằng mũi tên ở hai đầu hướng ra ngoài) có thể cho hình ảnh phóng to và thu nhỏ, từ đó có thể là hình ảnh thực (thực) hoặc hình ảnh tưởng tượng.
- Nếu đối tượng được lấy nét, thì thấu kính không tạo ra ảnh của nó (xem sơ đồ bên trái bên trái trong hình).
- Kính quang học tán xạ (kí hiệu là mũi tên ở hai đầu hướng vào trong) luôn cho ảnh giảm và ảo không phụ thuộc vào vị trí của vật.
Tìm khoảng cách đến một hình ảnh
Để xác định ảnh sẽ xuất hiện ở khoảng cách nào, biết vị trí của vật, ta đưa ra công thức thấu kính trong vật lý: 1 / f = 1 / do + 1 / di, trong đó do và di là khoảng cách đến vật và tới ảnh của nó cách quang tâm lần lượt có f là tiêu điểm chính. Nếu chúng ta đang nói về một kính quang học thu thập, thì số f sẽ là số dương. Ngược lại, đối với thấu kính phân kỳ, f là âm.
Hãy sử dụng công thức này và giải một bài toán đơn giản: để vật cách tâm thu quang kính một khoảng d o = 2 * f. Hình ảnh của anh ấy sẽ xuất hiện ở đâu?
Từ điều kiện của bài toán ta có: 1 / f = 1 / (2 * f) + 1 / d i. Từ: 1 / d i = 1 / f - 1 / (2 * f) = 1 / (2 * f), tức là d i = 2 * f. Do đó, ảnh sẽ xuất hiện ở khoảng cách hai tiêu điểm so với thấu kính, nhưng ở phía khác so với bản thân vật thể (điều này được biểu thị bằng dấu dương của giá trị d i).
Truyện ngắn
Thật là tò mò khi đưa ra từ nguyên của từ "thấu kính". Nó bắt nguồn từ từ tiếng Latinh lens và lentis, có nghĩa là "đậu lăng", vì các vật thể quang học có hình dạng thực sự trông giống như quả của loài cây này.
Người La Mã cổ đại đã biết đến công suất khúc xạ của các vật thể trong suốt hình cầu. Với mục đích này, họ đã sử dụng các bình thủy tinh tròn chứa đầy nước. Bản thân thấu kính thủy tinh chỉ bắt đầu được sản xuất vào thế kỷ 13 ở Châu Âu. Chúng được sử dụng như một công cụ đọc (kính hiện đại hoặc kính lúp).
Việc sử dụng tích cực các đối tượng quang học trong sản xuất kính thiên văn và kính hiển vi có từ thế kỷ 17 (vào đầu thế kỷ này, Galileo đã phát minh ra kính thiên văn đầu tiên). Lưu ý rằng công thức toán học của định luật khúc xạ Stella, nếu không có kiến thức về nó thì không thể chế tạo thấu kính với các đặc tính mong muốn, đã được một nhà khoa học Hà Lan công bố vào đầu cùng thế kỷ 17.
Các loại thấu kính khác
Như đã nói ở trên, ngoài vật khúc xạ quang học, còn có vật có từ tính và vật hấp dẫn. Một ví dụ về cái trước là thấu kính từ tính trong kính hiển vi điện tử, một ví dụ sống động về cái sau là sự biến dạng hướng của thông lượng ánh sáng khi nó đi qua gần các thiên thể vũ trụ khổng lồ (sao, hành tinh).
Ứng dụng quan trọng nhất của khúc xạ ánh sáng là sử dụng thấu kính, thường được làm bằng thủy tinh. Trong hình, bạn thấy mặt cắt của nhiều thấu kính khác nhau. Ống kínhđược gọi là thể trong suốt được giới hạn bởi các bề mặt hình cầu hoặc hình cầu phẳng. Bất kỳ thấu kính nào ở giữa mỏng hơn ở rìa, trong chân không hoặc khí, thấu kính phân kỳ. Ngược lại, bất kỳ thấu kính nào ở giữa dày hơn ở rìa sẽ thấu kính hội tụ.
Để biết rõ hơn, hãy tham khảo các bản vẽ. Ở bên trái, cho thấy tia đi song song với trục chính của thấu kính hội tụ, sau khi nó "hội tụ", đi qua điểm F - có hiệu lực trọng tâm chính thấu kính hội tụ.Ở bên phải, tia sáng truyền qua thấu kính phân kì được biểu diễn song song với trục chính của nó. Các tia sau thấu kính "phân kì" và dường như xuất phát từ điểm F ', được gọi là tưởng tượng trọng tâm chính thấu kính phân kỳ. Nó không phải là thực, mà là ảo bởi vì các tia sáng không đi qua nó: chỉ có các phần mở rộng tưởng tượng (tưởng tượng) của chúng giao nhau ở đó.
Trong vật lý học đường, chỉ có cái gọi là thấu kính mỏng, mà, bất kể đối xứng "mặt cắt" của chúng, luôn luôn có hai tiêu điểm chính cách thấu kính một khoảng bằng nhau. Nếu các tia này hướng một góc so với trục quang học chính, thì chúng ta sẽ tìm thấy nhiều tiêu điểm khác trong thấu kính hội tụ và / hoặc phân kỳ. Này, thủ thuật phụ, sẽ nằm cách xa trục quang học chính, nhưng vẫn thành từng cặp ở những khoảng cách bằng nhau so với thấu kính.
Một thấu kính không chỉ có thể thu thập hoặc tán xạ các tia. Sử dụng ống kính, bạn có thể có được hình ảnh phóng to và thu nhỏ của các vật thể. Ví dụ, nhờ thấu kính hội tụ, trên màn hình sẽ thu được hình ảnh phóng to và đảo ngược của một bức tượng nhỏ bằng vàng (xem hình vẽ).
Thử nghiệm cho thấy: một hình ảnh riêng biệt xuất hiện, nếu vật thể, thấu kính và màn hình nằm ở những khoảng cách nhất định với nhau. Tùy thuộc vào chúng, hình ảnh có thể được đảo ngược hoặc thẳng, phóng to hoặc thu nhỏ, thực hoặc ảo.
Tình huống khi khoảng cách d từ vật thể đến thấu kính lớn hơn tiêu cự F của nó, nhưng nhỏ hơn tiêu cự gấp đôi 2F, được mô tả trong hàng thứ hai của bảng. Đây chính xác là những gì chúng ta quan sát được với bức tượng: hình ảnh của nó là thật, đảo ngược và phóng to.
Nếu hình ảnh là thật, nó có thể được chiếu lên màn hình. Trong trường hợp này, hình ảnh sẽ hiển thị từ bất kỳ vị trí nào trong phòng mà từ đó màn hình có thể nhìn thấy được. Nếu hình ảnh là tưởng tượng, thì nó không thể được chiếu lên màn hình mà chỉ có thể nhìn thấy bằng mắt, định vị nó theo một cách nhất định so với ống kính (bạn cần phải nhìn "vào nó").
Kinh nghiệm cho thấy rằng thấu kính phân kỳ làm giảm hình ảnh ảo trực tiếpở bất kỳ khoảng cách nào từ vật đến thấu kính.
Trong bài học này, chúng ta sẽ nhắc lại các đặc điểm về sự lan truyền của tia sáng trong môi trường trong suốt đồng nhất, cũng như hành vi của các tia khi chúng đi qua ranh giới giữa sự phân tách ánh sáng của hai môi trường trong suốt đồng nhất mà các bạn đã biết. Dựa trên những kiến thức đã có, chúng ta sẽ có thể hiểu được những thông tin hữu ích về một vật thể phát sáng hoặc hấp thụ ánh sáng mà chúng ta có thể nhận được.
Ngoài ra, áp dụng các định luật khúc xạ và phản xạ ánh sáng đã quen thuộc với chúng ta, chúng ta sẽ học cách giải quyết các vấn đề chính của quang học hình học, mục đích là xây dựng hình ảnh của vật thể được đề cập, được tạo thành bởi các tia rơi vào mắt người.
Chúng ta hãy làm quen với một trong những thiết bị quang học chính - một thấu kính - và các công thức của một thấu kính mỏng.
2. Cổng Internet "CJSC" Phòng thí nghiệm Công nghệ Quang học "" ()
3. Cổng Internet "GEOMETRIC OPTICS" ()
Bài tập về nhà
1. Dùng thấu kính trên màn ảnh thẳng đứng thì thu được ảnh thật của bóng đèn. Ảnh sẽ thay đổi như thế nào nếu khép nửa thấu kính trên?
2. Dựng ảnh của một vật đặt trước thấu kính hội tụ trong các trường hợp sau: 1.; 2.; 3.; 4. .