Уравнение тонкой линзы для мнимого изображения

Тонкие линзы

Линза – это прозрачное тело, имеющая 2 сферические поверхности. Она, является тонкой, если ее толщина меньше радиусов кривизны сферических поверхностей.

Линза — это составляющая часть почти каждого оптического прибора. Линзы бывают по своему определению собирающие и рассеивающие (рис. 3 . 3 . 1 ).

Собирающая линза — это линза, которая в середине толще, чем по краям.

Линза, имеющая большую толщину по краям, называется рассеивающей.

Рисунок 3 . 3 . 1 . Собирающие ( a ) и рассеивающие ( b ) линзы и их условные обозначения.

Главная оптическая ось – это прямая, которая проходит через центры кривизны O 1 и O 2 сферических поверхностей.

В тонкой линзе главная оптическая ось пересекается в одной точке – оптическом центре линзы O . Световой луч проходит через оптический центр линзы, не отклоняясь от своего первоначального направления.

Побочные оптические оси – это прямые, проходящие через оптический центр.

Если к линзе направить пучок лучей, которые расположены параллельно главной оптической оси, тогда после прохождения через линзу лучи (либо их продолжения) сосредоточатся в одной точке F .

Эта точка получила название главный фокус линзы.

Тонкая линза имеет два главных фокуса, которые располагаются симметрично на главной оптической оси по отношению к линзе.

Фокус собирающей линзы – действительный, а у рассеивающей – мнимый.

Пучки лучей, параллельные одной из всей совокупности побочных оптических осей, после прохождения через линзу тоже нацелены на точку F ‘ , расположенную на пересечении побочной оси с фокальной плоскостью Ф .

Фокальная плоскость – это плоскость, перпендикулярная главной оптической оси и проходящая через главный фокус (рис. 3 . 3 . 2 ).

Расстояние между главным фокусом F и оптическим центром линзы О , называется фокусным ( F ) .

Рисунок 3 . 3 . 2 . Преломление параллельного пучка лучей в собирающей ( a ) и рассеивающей ( b ) линзах. O 1 и O 2 – центры сферических поверхностей, O 1 O 2 – главная оптическая ось, О – оптический центр, F – главный фокус, F ‘ – фокус, O F ‘ – побочная оптическая ось, Ф – фокальная плоскость.

Главным свойством линз является способность передавать изображения предметов. Они, в свою очередь, бывают:

• Действительные и мнимые;
• Прямые и перевернутые;
• Увеличенные и уменьшенные.

Построение изображения в линзах

Геометрические построения помогают определить положение изображения, а также его характер. Для этой цели применяют свойства стандартных лучей, направление которых определено. Это лучи, которые проходят через оптический центр либо один из фокусов линзы, и лучи, параллельно расположенные главной либо одной из побочных оптических осей. Рисунки 3 . 3 . 3 и 3 . 3 . 4 демонстрируют данные построения.

Рисунок 3 . 3 . 3 . Построение изображения в собирающей линзе.

Рисунок 3 . 3 . 4 . Построение изображения в рассеивающей линзе.

Стоит выделить то, что стандартные лучи, использованные на рисунках 3 . 3 . 3 и 3 . 3 . 4 для построения изображений, не проходят через линзу. Данные лучи не используются в построении изображения, но могут быть использованы в этом процессе.

Для расчета положения изображения и его характера используется формула тонкой линзы. Если записать расстояние от предмета до линзы как d , а от линзы до изображения как f , то формула тонкой линзы имеет вид:

1 d + 1 f + 1 F = D.

Величина D – это оптическая сила линзы, равная обратному фокусному расстоянию.

Диоптрия ( д п т р ) является единицей измерения оптической силы, фокусное расстояние которой равно 1 м : 1 д п т р = м — 1 .

Формула тонкой линзы аналогична формуле сферического зеркала. Можно вывести ее для параксиальных лучей из подобия треугольников на рисунках 3 . 3 . 3 либо 3 . 3 . 4 .

Фокусное расстояние линз записывается с определенными знаками: собирающая линза F > 0 , рассеивающая F 0 .

Величина d и f тоже подчиняются определенным знакам:

• d > 0 и f > 0 – применительно к действительным предметам (то есть реальным источникам света) и изображений;
• d 0 и f 0 – применительно к мнимым источникам и изображениям.

Для случая на рисунке 3 . 3 . 3 F > 0 (линза собирающая), d = 3 F > 0 (действительный предмет).

Из формулы тонкой линзы получаем: f = 3 2 F > 0 , означает, что изображение действительное.

Для случая на рисунке 3 . 3 . 4 F 0 (линза рассеивающая), d = 2 | F | > 0 (действительный предмет), справедлива формула f = — 2 3 F 0 , следовательно, изображение мнимое.

Линейные размеры изображения зависят от положения предмета по отношению к линзе.

Линейное увеличение линзы Г – это отношение линейных размеров изображения h ‘ и предмета h .

Величину h ‘ удобно записывать со знаками плюс или минус, в зависимости от того, прямое оно или перевернутое. Она всегда положительна. Потому для прямых изображений применяется условие Γ > 0 , для перевернутых Γ 0 . Из подобия треугольников на рисунках 3 . 3 . 3 и 3 . 3 . 4 нетрудно вывести формулу для расчета линейного увеличения тонкой линзы:

В примере с собирающей линзой на рисунке 3 . 3 . 3 при d = 3 F > 0 , f = 3 2 F > 0 .

Значит, Г = — 1 2 0 – изображение перевернутое и уменьшенное в два раза.

В примере с рассеивающей линзой на рисунке 3 . 3 . 4 при d = 2 | F | > 0 , справедлива формула f = — 2 3 F 0 ; значит, Г = 1 3 > 0 – изображение прямое и уменьшенное в три раза.

Оптическая сила D линзы находится в зависимости от радиусов кривизны R 1 и R 2 , ее сферических поверхностей, а также и от показателя преломления n материала линзы. В теории оптики имеет место следующее выражение:

D = 1 F = ( n — 1 ) 1 R 1 + 1 R 2 .

Выпуклая поверхность имеет положительный радиус кривизны, а вогнутая поверхность – отрицательным. Данная формула применима в изготовлении линз с заданной оптической силой.

Многие оптические приборы устроены таким образом, что свет последовательно проходит через 2 или несколько линз. Изображение предмета от 1 -й линзы служит предметом (действительным или мнимым) для 2 -й линзы, выстраивающей, в свою очередь, 2 -е изображение предмета, которое также может быть действительным либо мнимым. Расчет оптической системы из 2 -х тонких линз состоит в
2 -кратном применении формулы линзы, причем расстояние d 2 от 1 -го изображения до 2 -й линзы следует предложить равное величине l – f 1 , где l – это расстояние между линзами.

Вычисленная, по формуле линзы, величина f 2 предопределяет положение 2 -го изображения, а также его характер ( f 2 > 0 – действительное изображение, f 2 0 – мнимое). Общее линейное увеличение Γ системы из 2 -х линз равняется произведению линейных увеличений 2 -х линз, то есть Γ = Γ 1 · Γ 2 . Если предмет либо его изображение находятся в бесконечности, тогда линейное увеличение не имеет смысла.

Астрономическая труба Кеплера и земная труба Галилея

Рассмотрим частный случай – телескопический ход лучей в системе из 2 -х линз, когда и предмет, и 2 -е изображение расположены на бесконечно больших расстояниях друг от друга. Телескопический ход лучей выполняется в зрительных трубах: земной трубе Галилея и астрономической трубе Кеплера.

Тонкая линза имеет некоторые недостатки, которые не позволяют получать изображения высокого разрешения.

Аберрация – это искажение, которое возникает в процессе формирования изображения. В зависимости от расстояния, на котором проводится наблюдение, аберрации могут быть сферическими и хроматическими.

Смысл сферической аберрации в том, что при широких световых пучках лучи, находящиеся на далеком расстоянии от оптической оси, пересекают ее не в месте фокуса. Формула тонкой линзы действует лишь для лучей, которые находятся близко к оптической оси. Изображение удаленного источника, которое создается широким пучком лучей, преломленных линзой, размыто.

Смысл хроматической аберрации в том, что на показатель преломления материала линзы влияет длина световой волны λ . Данное свойство прозрачных сред называют дисперсией. Фокусное расстояние линзы различно для света с различными длинами волн. Данный факт приводит к размытию изображения при излучении немонохроматического света.

Современные оптические приборы оснащены не тонкими линзами, а сложными линзовыми системами, в которых есть возможность исключить некоторые искажения.

В таких приборах, как фотоаппараты, проекторы и т.д., используются собирающие линзы для формирования действительных изображений предметов.

Что представляет собой фотоаппарат

Фотоаппарат – это замкнутая светонепроницаемая камера, в которой изображение запечатленных предметов создается на пленке системой линз – объективом. На время экспозиции объектив открывается и закрывается с помощью специального затвора.

Особенность работы фотоаппарата в том, что на плоской фотопленке получаются довольно резкие изображения предметов, которые находятся на различных расстояниях. Резкость меняется вследствие перемещения объектива относительно фотопленки. Изображения точек, которые не лежат в плоскости резкого наведения, выходят на снимках размытыми в виде рассеянных кружков. Размер d данных кружков можно уменьшить методом диафрагмирования объектива, то есть уменьшения относительного отверстия a F , как показано на рисунке 3 . 3 . 5 . Это в результате увеличивает глубину резкости.

Рисунок 3 . 3 . 5 . Фотоаппарат.

С помощью проекционного аппарата удается снять масштабные изображения. Объектив O проектора фокусирует изображение плоского предмета (диапозитив D ) на удаленном экране Э (рисунок 3 . 3 . 6 ). Система линз K (конденсор) используется для концентрации света источника S на диапозитиве. На экране воссоздается увеличенное перевернутое изображение. Масштаб проекционного устройства можно изменять, приближая или отдаляя экран и одновременно изменяя расстояние между диапозитивом D и объективом O .

Рисунок 3 . 3 . 6 . Проекционный аппарат.

Рисунок 3 . 3 . 7 . Модель тонкой линзы.

Рисунок 3 . 3 . 8 . Модель системы из двух линз.

Формула тонкой линзы

теория по физике 🧲 оптика

Формула тонкой линзы — формула, связывающая три величины: расстояние от предмета до линзы, расстояние от изображения до линзы и фокусное расстояние линзы.

• расстояние от предмета до линзы — d (м);
• расстояние от изображения до линзы— f (м);
• фокусное расстояние линзы — F (м).

Вывод формулы

Обратимся к рисунку, который мы использовали для объяснения правила построения изображений в собирающих линзах:

Видно, что треугольники АОВ и А₁В₁О подобные (по двум углам). Следовательно:

B O O B 1 . . = A B A 1 B 1 . .

По двум углам также являются подобными треугольники COF и FA₁B₁. Отсюда делаем вывод, что:

C O A 1 B 1 . . = O F F B 1 . .

Линия предмета образует с частью главной оптической оси, перпендикуляром, проведенным из верхней точки к линзе, и частью самой линзы прямоугольник. Следовательно, его противоположные стороны равны:

A B A 1 B 1 . . = C O A 1 B 1 . .

Отсюда следует, что:

B O O B 1 . . = O F F B 1 . .

B O является расстоянием от предмета до линзы. Обозначим его за d. O B 1 является расстоянием от линзы до изображения. Обозначим его за f. O F является фокусным расстоянием линзы. Обозначим его за F. F B 1 является разностью расстояния от линзы до изображения и фокусного расстояния линзы. Поэтому это выражение мы можем записать так:

Избавимся от знаменателей и получим:

Или можно записать так:

Теперь все члены равенства поделим на произведение Ffd. В результате вычислений получим формулу тонкой линзы:

Формула тонкой линзы

1 d . . + 1 f . . = 1 F . .

Поскольку величиной, равной обратной фокусному расстоянию, является оптическая сила, формулу тонкой линзы можно записать следующим образом:

1 d . . + 1 f . . = D

Величины d, ƒ и F могут быть как положительными, так и отрицательными. Отметим (без доказательства), что при применении формулы тонкой линзы знаки нужно ставить перед членами уравнения согласно следующим правилам.

Правила расстановки знаков перед членами уравнения в формуле линзы

• Если линза собирающая, то ее фокус действительный, и перед членом 1 F . . ставят знак «плюс» ( 1 F . . ) .
• Если линза рассеивающая, то ее фокус мнимый, и перед членом 1 F . . ставят знак «минус» ( − 1 F . . ) .
• Если изображение действительное, то перед величиной 1 d . . ставят знак «плюс» ( 1 d . . ) .
• Если изображение мнимое, то перед величиной 1 d . . ставят знак «минус» ( − 1 d . . ) .
• Величина 1 f . . всегда имеет знак «плюс», поскольку расстояние от предмета до линзы всегда положительное.

Иногда случается, что перед величинами F, f и d знаки неизвестны. Тогда при вычислениях перед ними ставят знаки «плюс». Но если в результате вычислений фокусного расстояния или расстояния от линзы до изображения либо до источника получается отрицательная величина, то это означает, что фокус, изображение или источник мнимые.

Пример №1. Фокусное расстояние линзы равно 10 см. Найти расстояние от предмета до линзы, если расстояние от нее до изображения составляет 15 см.

Переводить в СИ единицы измерения не будем, поскольку они однородны. Так как все величины выражены в см, то и ответ будет выражен в см.

Применим формулу тонкой линзы:

1 d . . + 1 f . . = 1 F . .

1 d . . + 1 15 . . = 1 10 . .

Умножим выражение на 150d:

150 + 10 d = 15 d

Увеличение линзы

Раньше мы уже упоминали, что изображение, полученное в линзе, может быть увеличенным или уменьшенным. Различие размеров предмета и изображения характеризуется увеличением.

Линейное увеличение — отношение линейного размера изображения к линейному размеру предмета. Линейное увеличение обозначают буквой Γ .

Чтобы найти линейное увеличение изображения предмета в линзе, снова обратимся к первому рисунку этого параграфа. Если высота предмета АВ равна h, а высота изображения А₁В₁ равна Н, то:

Мы уже выяснили, что треугольники АОВ и ОА₁В₁ подобны. Поэтому:

Где H — высота изображения предмета, h — высота самого предмета.

Отсюда вытекает, что увеличение линзы равно:

Пример №2. Предмет имеет высоту h = 2 см. Какое фокусное расстояние F должна иметь линза, расположенная от экрана на расстоянии f = 4 м, чтобы изображение указанного предмета имело высоту H = 1 м?

Сначала применим формулы тонкой линзы:

1 d . . + 1 f . . = 1 F . .

Она необходима, чтобы выразить фокусное расстояние линзы:

Расстояние от предмета до линзы неизвестно. Но его можно выразить из формулы увеличения линзы:

Отсюда это расстояние равно:

Подставим полученное выражение в формулу фокусного расстояния линзы:

F = f h H . . f f h H . . + f . . = f 2 h H . · H f h + f H . . = f h H + h . .

F = f h H + h . . = 4 · 0 , 02 1 + 0 , 02 . . ≈ 0 , 08 ( м ) = 8 ( с м )

Равнобедренный прямоугольный треугольник ABC расположен перед тонкой собирающей линзой оптической силой 2,5 дптр так, что его катет AC лежит на главной оптической оси линзы (см. рисунок). Вершина прямого угла C лежит ближе к центру линзы, чем вершина острого угла A. Расстояние от центра линзы до точки A равно удвоенному фокусному расстоянию линзы, AC = 4 см. Постройте изображение треугольника и найдите площадь получившейся фигуры.

Оптика. Линза. Формула тонкой линзы. Увеличение.

Если дистанцию от предмета до линзы выразить с помощью d, а дистанцию от линзы до изображения с помощью f, то формула тонкой линзы принимает нижеследующий вид:

_.

d – дистанция от предмета до линзы (ОВ);

f – дистанция между линзой и изображением (ОВ ` );

F 0, когда линза рассеивающая, то перед 1/F указывают знак « — ».

Когда изображение действительное, то 1/f > 0; когда изображение мнимое, то перед 1/f указываем знак «-».

Единицами измерения составляющих формулы тонкой линзы приняты метры.

Увеличением называют параметр, выражающий соотношение размеров изображения Н к размерам предмета h. Для его обозначения применяют символ F.

.