ישנם עצמים המסוגלים לשנות את צפיפות שטף הקרינה האלקטרומגנטית הנופלת עליהם, כלומר להגדיל אותו על ידי איסוף בנקודה אחת, או להקטין אותו על ידי פיזורו. עצמים אלו נקראים עדשות בפיזיקה. בואו נסתכל מקרוב על הנושא הזה.
מהן עדשות בפיזיקה?
מושג זה פירושו לחלוטין כל עצם המסוגל לשנות את כיוון ההתפשטות של קרינה אלקטרומגנטית. זוהי ההגדרה הכללית של עדשות בפיזיקה, הכוללת משקפיים אופטיות, עדשות מגנטיות וכבידה.
במאמר זה, הדגש יהיה על משקפיים אופטיים, שהם חפצים העשויים מחומר שקוף ומוגבלים על ידי שני משטחים. אחד מהמשטחים הללו חייב בהכרח להיות בעל עקמומיות (כלומר, להיות חלק מכדור ברדיוס סופי), אחרת לעצם לא תהיה התכונה לשנות את כיוון ההתפשטות של קרני האור.
עקרון העדשה
מהות העבודה של זה לא מסובךאובייקט אופטי הוא תופעת השבירה של קרני השמש. בתחילת המאה ה-17 פרסם הפיזיקאי והאסטרונום ההולנדי המפורסם וילברורד סנל ואן רויין את חוק השבירה, הנושא כיום את שם משפחתו. הניסוח של חוק זה הוא כדלקמן: כאשר אור השמש עובר דרך הממשק שבין שני אמצעים שקופים אופטית, אזי מכפלת הסינוס של זווית הפגיעה בין הקרן והנורמלי לפני השטח ומקדם השבירה של המדיום שבו. זה מתפשט הוא ערך קבוע.
להבהרת האמור לעיל, ניתן דוגמה: תנו לאור ליפול על פני המים, בעוד הזווית בין הנורמלי לפני השטח לבין האלומה היא θ1. לאחר מכן, קרן האור נשברת ומתחילה את התפשטותה במים כבר בזווית θ2 לנורמלי לפני השטח. על פי חוק סנל, אנו מקבלים: sin(θ1)n1=sin(θ2) n2, כאשר n1 ו-n2 הם מדדי השבירה של אוויר ומים, בהתאמה. מהו מקדם השבירה? זהו ערך המראה כמה פעמים מהירות ההתפשטות של גלים אלקטרומגנטיים בוואקום גדולה מזו של מדיום שקוף אופטית, כלומר n=c/v, כאשר c ו-v הן מהירויות האור בוואקום וב- בינוני, בהתאמה.
הפיזיקה של הופעת השבירה טמונה ביישום העיקרון של פרמה, לפיו האור נע בצורה כזו שמתגבר על המרחק מנקודה אחת לאחרת בחלל בזמן הקצר ביותר.
סוגי עדשות
סוג העדשה האופטית בפיזיקה נקבע אך ורק לפי צורת המשטחים היוצרים אותה. כיוון השבירה של האלומה הנכנסת אליהם תלוי בצורה זו. לכן, אם העקמומיות של פני השטח חיובית (קמור), אז, ביציאה מהעדשה, קרן האור תתפשט קרוב יותר לציר האופטי שלה (ראה להלן). לעומת זאת, אם העקמומיות של פני השטח שלילית (קעורה), ואז עוברת דרך הזכוכית האופטית, האלומה תתרחק מהציר המרכזי שלה.
שימו לב שוב שמשטח של כל עקמומיות שובר קרניים באותו אופן (לפי חוק סטלה), אבל לנורמלים אליהם יש שיפוע שונה ביחס לציר האופטי, וכתוצאה מכך התנהגות שונה של הקרן השבורה.
עדשה תחומה בשני משטחים קמורים נקראת עדשה מתכנסת. בתורו, אם הוא נוצר על ידי שני משטחים עם עקמומיות שלילית, אז זה נקרא פיזור. כל שאר סוגי המשקפיים האופטיים קשורים לשילוב של משטחים אלו, אליהם מתווסף גם מישור. איזו תכונה תהיה לעדשה המשולבת (מתפצלת או מתכנסת) תלויה בקימור הכולל של רדיוסי המשטחים שלה.
אלמנטים של עדשה ומאפייני קרני
כדי לבנות עדשות בפיזיקה של תמונה, אתה צריך להכיר את האלמנטים של האובייקט הזה. הם רשומים למטה:
- ציר אופטי ראשי ומרכז. במקרה הראשון, הם מתכוונים לקו ישר העובר בניצב לעדשה דרך המרכז האופטי שלה.האחרון, בתורו, הוא נקודה בתוך העדשה, העוברת דרכה הקרן אינה חווה שבירה.
- אורך מוקד ומיקוד - המרחק בין המרכז לנקודה בציר האופטי, האוספת את כל הקרניים הנכנסות על העדשה במקביל לציר זה. הגדרה זו נכונה לאיסוף משקפיים אופטיים. במקרה של עדשות שונות, לא הקרניים עצמן יתכנסו לנקודה, אלא המשכו הדמיוני שלהן. נקודה זו נקראת המוקד העיקרי.
- עוצמה אופטית. זהו השם של ההדדיות של אורך המוקד, כלומר, D \u003d 1 / f. הוא נמדד בדיאופטריות (דיופטרות), כלומר, 1 דיופטר.=1 m-1.
להלן התכונות העיקריות של הקרניים שעוברות בעדשה:
- קרן העוברת דרך המרכז האופטי לא משנה את כיוון התנועה שלה;
- קרני המתרחשות במקביל לציר האופטי הראשי משנות את כיוונן כך שהן עוברות דרך המוקד הראשי;
- קרני הנופלות על זכוכית אופטית בכל זווית, אך עוברות דרך המיקוד שלה, משנות את כיוון ההתפשטות שלהן באופן שהן הופכות מקבילות לציר האופטי הראשי.
התכונות הנ ל של קרניים עבור עדשות דקות בפיזיקה (כפי שהן נקראות כי לא משנה באילו כדורים הן נוצרות וכמה הן עבות, רק התכונות האופטיות של החומר החומר) משמשות לבניית תמונות בהן.
תמונות במשקפיים אופטיות: איך לבנות?
להלן דמות המפרטת את הסכמות לבניית תמונות בעדשות הקמורות והקעורות של אובייקט(חץ אדום) בהתאם למיקומו.
מסקנות חשובות נובעות מניתוח המעגלים באיור:
- כל תמונה בנויה על 2 קרניים בלבד (עוברות במרכז ובמקביל לציר האופטי הראשי).
- עדשות מתכנסות (מסומנות עם חיצים בקצוות המצביעים החוצה) יכולות לתת תמונה מוגדלת וגם תמונה מוקטנת, שבתורה יכולה להיות אמיתית (אמיתית) או דמיונית.
- אם האובייקט נמצא בפוקוס, אז העדשה לא יוצרת את התמונה שלו (ראה את הדיאגרמה התחתונה משמאל באיור).
- משקפיים אופטיים מפזרים (מסומנים בחצים בקצה שלהם המצביעים פנימה) תמיד נותנים תמונה מוקטנת ווירטואלית ללא קשר למיקום האובייקט.
מציאת המרחק לתמונה
כדי לקבוע באיזה מרחק תופיע התמונה, תוך ידיעת מיקומו של האובייקט עצמו, אנו נותנים את נוסחת העדשה בפיזיקה: 1/f=1/do + 1 /d i, כאשר do ו-di הם המרחק לאובייקט ולתמונה שלו מהאופטי מרכז, בהתאמה, f הוא המוקד העיקרי. אם אנחנו מדברים על זכוכית אופטית אוספת, אז המספר f יהיה חיובי. לעומת זאת, עבור עדשה מתפצלת, f הוא שלילי.
בואו נשתמש בנוסחה הזו ונפתור בעיה פשוטה: הניחו לאובייקט להיות במרחק do=2f ממרכז הזכוכית האופטית האוספת. היכן תופיע התמונה שלו?
ממצב הבעיה יש לנו: 1/f=1/(2f)+1/di. מ: 1/di=1/f - 1/(2f)=1/(2f), כלומר di=2 ו. כך, התמונה תופיע במרחק של שני מוקדים מהעדשה, אך בצד השני מהאובייקט עצמו (הדבר מצוין בסימן החיובי של הערך di).
קיצור היסטוריה
מסקרן לתת את האטימולוגיה של המילה "עדשה". זה בא מהמילים הלטיניות lens ו-lentis, שפירושן "עדשה", שכן עצמים אופטיים בצורתם באמת נראים כמו פרי הצמח הזה.
כוח השבירה של גופים שקופים כדוריים היה ידוע לרומאים הקדמונים. לשם כך השתמשו בכלי זכוכית עגולים מלאים במים. עדשות זכוכית עצמן החלו לייצר רק במאה ה-13 באירופה. הם שימשו ככלי קריאה (משקפיים מודרניים או זכוכית מגדלת).
השימוש הפעיל בעצמים אופטיים בייצור טלסקופים ומיקרוסקופים החל מהמאה ה-17 (בתחילת המאה הזו, גלילאו המציא את הטלסקופ הראשון). שימו לב שהניסוח המתמטי של חוק השבירה של סטלה, שללא ידיעתו אי אפשר לייצר עדשות בעלות תכונות רצויות, פורסם על ידי מדען הולנדי בתחילת אותה המאה ה-17.
עדשות אחרות
כפי שצוין לעיל, בנוסף לאובייקטים שבירה אופטיים, ישנם גם אובייקטים מגנטיים וכבידה. דוגמה לראשונים הם עדשות מגנטיות במיקרוסקופ אלקטרוני, דוגמה חיה לשנייה היא עיוות כיוון שטף האור,כאשר הוא עובר ליד גופי חלל מסיביים (כוכבים, כוכבי לכת).
