اجسامی هستند که می توانند چگالی شار تابش الکترومغناطیسی تابیده شده بر روی خود را تغییر دهند، یعنی یا با جمع آوری آن در یک نقطه، آن را افزایش دهند یا با پراکندگی آن، آن را کاهش دهند. این اجسام در فیزیک عدسی نامیده می شوند. بیایید نگاهی دقیق تر به این موضوع بیندازیم.
لنزها در فیزیک چیست؟
این مفهوم مطلقاً به معنای هر جسمی است که قادر به تغییر جهت انتشار تابش الکترومغناطیسی باشد. این تعریف کلی از لنزها در فیزیک است که شامل عینک های نوری، لنزهای مغناطیسی و گرانشی است.
در این مقاله تمرکز بر روی عینک های نوری است که اجسامی هستند که از یک ماده شفاف ساخته شده و توسط دو سطح محدود می شوند. یکی از این سطوح لزوماً باید انحنا داشته باشد (یعنی بخشی از یک کره با شعاع محدود باشد)، در غیر این صورت جسم خاصیت تغییر جهت انتشار پرتوهای نور را نخواهد داشت.
اصل لنز
جوهر کار این بی عارضهجسم نوری پدیده انکسار پرتوهای خورشید است. در آغاز قرن هفدهم، فیزیکدان و ستاره شناس معروف هلندی، ویلبرورد اسنل ون روین، قانون شکست را منتشر کرد که در حال حاضر نام خانوادگی او را دارد. فرمول این قانون به شرح زیر است: هنگامی که نور خورشید از سطح مشترک بین دو محیط نوری شفاف عبور می کند، حاصل ضرب سینوس زاویه تابش بین پرتو و نرمال به سطح و ضریب شکست محیطی که در آن قرار دارد. انتشار یک مقدار ثابت است.
برای روشن شدن موارد فوق، مثالی می زنیم: اجازه دهید نور روی سطح آب بیفتد، در حالی که زاویه بین حالت عادی به سطح و پرتو θ1 است.. سپس، پرتو نور شکسته شده و انتشار خود را در آب در حال حاضر با زاویه θ2 نسبت به سطح عادی آغاز می کند. طبق قانون اسنل، ما دریافت می کنیم: sin(θ1)n1=sin(θ2) n2، که در آن n1 و n2 ضریب شکست هوا و آب هستند. ، به ترتیب. ضریب شکست چیست؟ این مقداری است که نشان می دهد چند برابر سرعت انتشار امواج الکترومغناطیسی در خلاء بیشتر از یک محیط شفاف نوری است، یعنی n=c/v، که در آن c و v سرعت های نور در خلاء و در خلاء هستند. به ترتیب متوسط.
فیزیک ظهور شکست در اجرای اصل فرما نهفته است که طبق آن نور به گونه ای حرکت می کند که در کمترین زمان بر فاصله یک نقطه به نقطه دیگر در فضا غلبه کند.
انواع لنز
نوع لنزهای نوری در فیزیک صرفاً با شکل سطوحی که آن را تشکیل می دهند تعیین می شود. جهت شکست پرتو تابیده شده بر روی آنها به این شکل بستگی دارد. بنابراین، اگر انحنای سطح مثبت (محدب) باشد، پس از خروج از عدسی، پرتو نور نزدیک‌تر به محور نوری خود منتشر می‌شود (نگاه کنید به زیر). برعکس، اگر انحنای سطح منفی (مقعر) باشد، با عبور از شیشه نوری، پرتو از محور مرکزی خود دور می‌شود.
دوباره توجه داشته باشید که سطحی با هر انحنای، پرتوها را به همان شیوه می‌شکند (طبق قانون استلا)، اما نرمال‌های آنها شیب متفاوتی نسبت به محور نوری دارند و در نتیجه رفتار پرتو شکست متفاوتی دارند.
عدسی که توسط دو سطح محدب محدود شده باشد، عدسی همگرا نامیده می شود. به نوبه خود، اگر توسط دو سطح با انحنای منفی تشکیل شود، به آن پراکندگی می گویند. تمام انواع دیگر شیشه های نوری با ترکیبی از این سطوح همراه هستند که یک صفحه نیز به آن اضافه می شود. اینکه عدسی ترکیبی چه ویژگی خواهد داشت (واگرا یا همگرا) به انحنای کل شعاع سطوح آن بستگی دارد.
عناصر عدسی و خواص پرتو
برای ساخت لنز در فیزیک تصویر، باید با عناصر این جسم آشنا شوید. آنها در زیر فهرست شده اند:
- محور و مرکز نوری اصلی. در حالت اول، منظور آنها یک خط مستقیم است که عمود بر عدسی از مرکز نوری آن عبور می کند.دومی به نوبه خود نقطه ای در داخل عدسی است که از آن پرتو انکسار را تجربه نمی کند.
- فاصله کانونی و فوکوس - فاصله بین مرکز و یک نقطه در محور نوری، که تمام پرتوهای تابیده شده روی عدسی را به موازات این محور جمع‌آوری می‌کند. این تعریف برای جمع آوری عینک های نوری صادق است. در مورد عدسی های واگرا، این خود پرتوها نیستند که به یک نقطه همگرا می شوند، بلکه ادامه خیالی آنها هستند. این نقطه تمرکز اصلی نامیده می شود.
- قدرت نوری. این نام فاصله کانونی متقابل است، یعنی D \u003d 1 / f. در دیوپتر (دیوپتر) یعنی 1 دیوپتر اندازه گیری می شود.=1 متر-1.
خواص اصلی پرتوهایی که از عدسی عبور می کنند به شرح زیر است:
- پرتوی که از مرکز نوری می گذرد، جهت حرکت خود را تغییر نمی دهد؛
- پرتوهایی که موازی با محور نوری اصلی برخورد می کنند جهت خود را تغییر می دهند به طوری که از کانون اصلی عبور می کنند؛
- که در هر زاویه ای بر روی شیشه نوری می افتند، اما با عبور از کانون آن، جهت انتشار خود را به گونه ای تغییر می دهند که با محور نوری اصلی موازی می شوند.
پرتوهای
خواص فوق پرتوها برای عدسی‌های نازک در فیزیک (که به آنها گفته می‌شود زیرا مهم نیست که چه کره‌هایی تشکیل شده‌اند و چقدر ضخیم هستند، فقط ویژگی‌های نوری جسم مهم است) برای ساختن تصاویر در آنها استفاده می‌شود..
تصاویر در عینک های نوری: چگونه بسازیم؟
در زیر شکلی است که جزئیات طرح های ساخت تصاویر در عدسی های محدب و مقعر یک جسم را نشان می دهد.(فلش قرمز) بسته به موقعیت آن.
نتایج مهم از تجزیه و تحلیل مدارها در شکل به دست می آید:
- هر تصویری فقط بر روی 2 پرتو (از مرکز و موازی محور نوری اصلی) ساخته می شود.
- عدسی‌های همگرا (که با فلش‌هایی در انتهای آن به سمت بیرون مشخص می‌شوند) می‌توانند هم تصویر بزرگ‌شده و هم کوچک‌شده ارائه دهند که به نوبه خود می‌تواند واقعی (واقعی) یا خیالی باشد.
- اگر جسم در فوکوس باشد، پس لنز تصویر خود را تشکیل نمی دهد (نمودار پایین سمت چپ را در شکل ببینید).
- عینک های نوری پراکنده (که با فلش هایی در انتهای آنها به سمت داخل نشان داده می شوند) همیشه بدون توجه به موقعیت جسم یک تصویر کوچک شده و مجازی ارائه می دهند.
پیدا کردن فاصله تا یک تصویر
برای تعیین اینکه تصویر در چه فاصله ای ظاهر می شود، با دانستن موقعیت خود جسم، فرمول عدسی را در فیزیک می دهیم: 1/f=1/do + 1 /d i، که در آن do و di فاصله تا جسم و تصویر آن از اپتیکال است. مرکز، به ترتیب، f تمرکز اصلی است. اگر ما در مورد یک شیشه نوری جمع آوری صحبت می کنیم، عدد f مثبت خواهد بود. برعکس، برای یک عدسی واگرا، f منفی است.
بیایید از این فرمول استفاده کنیم و یک مسئله ساده را حل کنیم: اجازه دهید جسم در فاصله do=2f از مرکز شیشه نوری جمع آوری شود. تصویر او کجا ظاهر می شود؟
از شرط مسئله داریم: 1/f=1/(2f)+1/di. از: 1/di=1/f - 1/(2f)=1/(2f)، یعنی di=2 ف. بنابراین، تصویر در فاصله دو کانونی از لنز ظاهر می شود، اما در سمت دیگر از خود جسم (این مورد با علامت مثبت مقدار di نشان داده می شود).
تاریخچه مختصر
جالب است که ریشه شناسی کلمه "عدسی" را بیان کنیم. این از کلمات لاتین lens و lentis می آید که به معنای "عدس" است، زیرا اشیاء نوری در شکل آنها واقعاً شبیه میوه این گیاه هستند.
قدرت انکسار اجسام شفاف کروی برای رومیان باستان شناخته شده بود. برای این منظور از ظروف شیشه ای گرد پر از آب استفاده می کردند. خود لنزهای شیشه ای فقط در قرن سیزدهم در اروپا ساخته شدند. آنها به عنوان یک ابزار خواندن (عینک های مدرن یا ذره بین) استفاده می شدند.
استفاده فعال از اجرام نوری در ساخت تلسکوپ و میکروسکوپ به قرن هفدهم برمی گردد (در آغاز این قرن، گالیله اولین تلسکوپ را اختراع کرد). توجه داشته باشید که فرمول ریاضی قانون شکست استلا، که بدون اطلاع از آن، ساخت عدسی هایی با خواص مطلوب غیرممکن است، توسط یک دانشمند هلندی در آغاز همان قرن هفدهم منتشر شد.
لنزهای دیگر
همانطور که در بالا ذکر شد، علاوه بر اجسام انکساری نوری، اجسام مغناطیسی و گرانشی نیز وجود دارند. نمونه اولی عدسی های مغناطیسی در یک میکروسکوپ الکترونی است، یک مثال واضح از دومی اعوجاج جهت شار نور است.وقتی از نزدیک اجرام فضایی عظیم (ستاره ها، سیارات) می گذرد.
