Линзы

Отражение и преломление света используют для того, чтобы изменять направление лучей, или, как говорят, управлять световыми пучками. На этом основано использование таких устройств и приборов, как прожектора, лупы, микроскопа, фотоаппарата и др. Главной частью большинства из них является линза.

Линзой (от лат. lens — чечевица) называется прозрачное (обычно стеклянное) тело, ограниченное двумя сферическими поверхностями.

Различают выпуклые линзы, у которых середина толще, чем края, и вогнутые линзы, у которых середина тоньше, чем края. Сечения этих линз изображены на рисунках 89, а (выпуклые линзы) и 89, б (вогнутые линзы). На этих же рисунках показаны условные обозначения линз.

Прямая, проходящая через центры C₁ и C₂ сферических поверхностей, ограничивающих линзу, называется главной оптической осью линзы. Точку O на этой оси называют оптическим центром линзы.

Ход лучей света в выпуклых и вогнутых линзах различен. Выпуклые стеклянные линзы, находящиеся в воздухе, преобразуют параллельный пучок световых лучей в сходящийся; поэтому иначе их называют собирающими (рис. 90, а). Вогнутые стеклянные линзы при этом создают расходящийся пучок света, поэтому их называют рассеивающими (рис. 90, б).

Точка F (см. рис. 90), в которой пересекаются после преломления в линзе либо сами световые лучи, когда линза собирающая, либо их продолжения в обратную сторону, когда линза рассеивающая, называется главным фокусом линзы. У собирающих линз фокус действительный, а у рассеивающих мнимый.

У всякой линзы два главных фокуса — по одному с каждой стороны. Если слева и справа от линзы одна и та же среда, то оба эти фокуса располагаются на одинаковых расстояниях от линзы.

Расстояние от оптического центра линзы до ее главного фокуса называется фокусным расстоянием линзы; обозначают его той же буквой, что и сам фокус:

F — фокусное расстояние линзы.

Фокусное расстояние линзы зависит от степени кривизны ее поверхностей. Линза с более выпуклыми поверхностями преломляет лучи сильнее, чем линза с менее выпуклыми поверхностями, и поэтому обладает меньшим фокусным расстоянием.

Для определения фокусного расстояния собирающей линзы необходимо направить на нее солнечные лучи и, получив на экране за линзой резкое изображение Солнца, измерить расстояние от линзы до этого изображения. Поскольку лучи ввиду чрезвычайной удаленности Солнца будут падать на линзу практически параллельным пучком, то это изображение будет располагаться почти точно в фокусе линзы.

Физическая величина, обратная фокусному расстоянию линзы, обозначается буквой D и называется оптической силой линзы:

D = 1/F

Чем меньше фокусное расстояние линзы, тем больше ее оптическая сила, т. е. тем сильнее она преломляет лучи.

Единицей оптической силы в СИ является метр в минус первой степени (м^-1). Иначе эта единица называется диоптрией (дптр). 1 дптр — это оптическая сила линзы с фокусным расстоянием 1 м.

У собирающих и рассеивающих линз оптические силы отличаются знаком. Собирающие линзы обладают действительным фокусом, поэтому их фокусное расстояние и оптическая сила считаются положительными (F > 0, D > 0). Рассеивающие линзы обладают мнимым фокусом, поэтому их фокусное расстояние и оптическая сила считаются отрицательными (F < 0, D < 0).

Многие оптические приборы состоят из нескольких линз. Оптическая сила системы нескольких близкорасположенных линз равна сумме оптических сил всех линз этой системы. Если, например, имеются две линзы с оптическими силами D₁ и D₂, то их общая оптическая сила будет равна:

D = D₁ + D₂.

Заметим, что складываются при этом лишь оптические силы. Фокусные расстояния складывать не имеет смысла, так как фокусное расстояние нескольких линз не совпадает с суммой фокусных расстояний отдельных линз.

??? 1. Что называют линзой? 2. Чем отличаются выпуклые линзы от вогнутых? 3. Какие линзы являются собирающими, какие рассеивающими? 4. Что называют главной оптической осью линзы? 5. Какую точку называют главным фокусом линзы? 6. Что такое фокусное расстояние линзы? 7. Что называют оптической силой линзы? 8. Как называется единица оптической силы линзы? 9. Каким образом можно измерить фокусное расстояние собирающей линзы? 10. У каких линз оптическая сила положительная, у каких отрицательная? 11. Как находится оптическая сила системы нескольких линз? 12. Точечный источник света поместили в главный фокус собирающей линзы. Изобразите на рисунке ход лучей, вышедших из этого источника и проходящих через линзу.

Экспериментальное задание. Измерьте фокусное расстояние собирающей линзы. В отсутствие обычной линзы воспользуйтесь очками с выпуклыми стеклами. Если из-за туч Солнца не видно, то в качестве удаленного источника света используйте стену находящегося напротив ваших окон дома, дерево или какой-либо другой хорошо освещенный объект.