Увеличительное стекло состоит из двояковыпуклой линзы, обе поверхности которой искривлены наружу. Лучи света, проходящие через линзу, отклоняются внутрь, собираясь в одной из двух фокальной точек, расположенных по обе стороны линзы. Расстояние от центра линзы до фокальной точки (составляющее у обычного увеличительного стекла около 12 сантиметров) называется фокусным расстоянием.

Когда расстояние от увеличительного стекла до объекта меньше, чем фокусное, объект предстает в увеличенном виде и с правильной ориентацией. Такой вид изображения называется мнимым изображением. На расстоянии равном или большем, чем фокусное, увеличительное стекло создает перевернутое изображение, называющееся действительным изображением.

Когда объект (фиолетовая стрелка, показывающая вверх) удален от линзы на два фокусных расстояния, он предстает в виде действительного изображения, имеющего нормальный размер, но перевернутого.

Когда объект (сплошная стрелка) находится ближе к линзе, чем фокальная точка (F), линза создает мнимое изображение {пунктирная фиолетовая стрелка), правильно ориентированное и увеличенное в размерах.

Если объект расположен за пределами двух фокусных расстояний, он выглядит перевернутым и уменьшенным.

Выпуклые линзы

Многие телескопы используют две двояковыпуклые линзы, называющиеся объективом и окуляром. Объектив создает мнимое изображение, которое увеличивается в размерах при наблюдении через окуляр.

Вогнутые линзы

Когда двояковыпуклая линза заменяется на двояковогнутую, увеличительное стекло превращается в уменьшительное. Двояковогнутая линза создает изображения, которые правильно ориентированы, но имеют меньшие размеры, чем объект наблюдения.

Выпуклая линза увеличивает объекты, вогнутая - уменьшает.

Хотите погулять по Луне или посмотреть слону прямо в глаза? Вам помогут бинокли и телескопы. Они могут отправить вас в центр событий без каких либо движений с вашей стороны. Бинокли работают согласно законам оптики, но как именно?

Как работают линзы
Явление преломления лучей света при переходе их из воздуха в воду (или любую другую плотную среду, например, стекло) называется рефракцией. За счет рефракции работают линзы, а бинокли, телескопы или очки работают с использованием линз. Но как прийти от преломления света в воде к биноклю, позволяющему изучать поверхность Луны?

Верхняя граница воды, налитой в стакан, выглядит прямой, хотя она и очень немного искривлена (такая поверхность называется мениском). Если поставить стакан на газету и посмотреть через него вниз, буквы будут выглядеть вполне обычными. Это потому, что верхняя граница воды почти идеально плоская. Но если бы она была искривлена, текст выглядел бы увеличенным. Это можно легко проверить в опыте с «водяной линзой».

Типы линз
Линза - это кусочек стекла с кривыми поверхностями, по форме напоминающий чечевицу. Собственно, слово «линза» восходит к латинскому названию чечевицы. Когда лучи света попадают на линзу, они замедляются и преломляются (отклоняются от прямолинейного пути). Если середина линзы толще ее краев, такая линза называется выпуклой. Лучи, падающие на выпуклую линзу, преломляются так, что собираются на некотором расстоянии от нее в точку. Говорят, что линза собирает лучи света в фокус. Поэтому такие линзы называют собирающими. При рассматривании предметов через собирающую линзу они кажутся крупнее - такие линзы используются в качестве увеличительного стекла, лупы.

Другой тип линз имеет противоположную кривизну - середина их тоньше, чем края. Они называются вогнутыми линзами. Вогнутые линзы заставляют световые лучи распространяться в разные стороны, словно фейерверки. Поэтому такие линзы иногда называются рассеивающими. Рассеивающие линзы используются, например, в проекторах, где они обеспечивают освещение большой площади экрана.

Линзы бывают самых разнообразных размеров и форм. Например, огромная линза Френеля в фонаре уличного освещения предназначена для посылки луча света на большое расстояние. Линзы биноклей работают противоположным образом - они собирают свет от далеких объектов, чтобы их можно было увидеть более четко.

Как работает бинокль
Если мы хотели бы рассмотреть что-то на большом расстоянии, мы могли бы взять две выпуклые линзы и поместить их на одной линии друг за другом. Первая линза будет собирать свет от далекого объекта и строить четкое его изображение на небольшом расстоянии позади себя. Эта линза называется объективом, она расположена ближе к объекту. Вторая линза увеличивает изображение, построенное первой, также как лупа увеличивает газетный текст. Если поместить эти линзы в закрытую трубу - получится телескоп.

Бинокль - это два телескопа, смонтированные вместе и дающие изображения для обоих глаз. Но тут есть подробности. Когда лучи света от далекого объекта проходят через выпуклую линзу, они перекрещиваются. Поэтому далекие объекты, если рассматривать их через лупу, выглядят перевернутыми. Вторые линзы эту проблему не исправляют. Поэтому в биноклях применяют призмы (объемные стеклянные клинья), которые поворачивают изображение на 180 градусов. Одна призма поворачивает изображение на 90 градусов, и вторая тоже поворачивает на 90 градусов, и таким образом две призмы переворачивают изображение. Призмы могут быть составлены в линию вместе (призмы с крышей) или под углом 90 градусов (призмы Порро).

Наличие призм объясняет то, почему бинокли такие тяжелые и часто достаточно толстые в середине. Впрочем, есть бинокли без призм, театральные, например. Они невелики по размерам, легкие и компактные, но, к сожалению, имеют невысокое качество изображения.

Нам известно, что свет, попадая из одной прозрачной среды в другую, преломляется - это явление преломления света . Причем угол преломления меньше угла падения при попадании света в более плотную оптическую среду. Что это означает, и как это можно использовать?

Если мы возьмем кусок стекла с параллельными гранями, например, оконное стекло, то получим незначительное смещение изображения, видимого сквозь окно. То есть, войдя в стекло, лучи света преломятся, а попадая снова в воздух, вновь преломятся до прежних значений угла падения, только при этом немного сместятся, причем величина смещения будет зависеть от толщины стекла.

Очевидно, что от такого явления практической пользы немного. А вот если мы возьмем стекло, плоскости которого будут расположены друг к другу наклонно, например, призму, то эффект будет совсем иным. Лучи, проходящие сквозь призму, всегда преломляются к ее основанию. Это несложно проверить.

Для этого нарисуем треугольник, и начертим входящий в любую из его боковых сторон луч. Пользуясь законом преломления света, проследим дальнейший путь луча. Проделав эту процедуру несколько раз под разными значениями угла падения, мы выясним, что под каким бы углом не входил луч внутрь призмы, с учетом двойного преломления на выходе он все равно отклонится к основанию призмы.

Линза и ее свойства

Такое свойство призмы использовано в очень простом приборе, позволяющем управлять направлением световых потоков - линзе. Линза - это прозрачное тело, ограниченное с двух сторон изогнутыми поверхностями тела. Рассматривают устройство и принцип действия линз в курсе физики восьмого класса.

По сути, линзу в разрезе можно изобразить в виде двух поставленных друг на друга призм. От того, какими своими частями расположены эти призмы друг к другу, зависит оптическое действие линзы.

Виды линз в физике

Несмотря на огромное разнообразие, видов линз в физике различают всего два: выпуклые и вогнутые, или собирающие и рассеивающие линзы соответственно.

У выпуклой, то есть собирающей линзы края намного тоньше, чем середина. Собирающая линза в разрезе - это две призмы, соединенные основаниями, поэтому все проходящие сквозь нее лучи сходятся к центру линзы.

У вогнутой линзы края, наоборот, всегда толще, чем середина. Рассеивающую линзу можно представить в виде двух соединенных вершинами призм, и, соответственно, лучи, проходящие через такую линзу, будут расходиться от центра.

Люди открыли подобные свойства линз очень давно. Использование линз позволило человеку конструировать самые разнообразные оптические приборы и приспособления, облегчающие жизнь и помогающие в быту и производстве.

Главным применением законов преломления света являются линзы.

Что такое линза?

Само слово «линза» означает «чечевица».

Линзой называют прозрачное тело, ограниченное с двух сторон сферическими поверхностями.

Рассмотрим, как работает линза на принципе преломления света.

Рис. 1. Двояковыпуклая линза

Линза может быть разбита на несколько отдельных частей, каждая из которых представляет собой стеклянную призму. Верхнюю часть линзы представим в виде трехгранной призмы: падая на нее, свет преломляется и смещается в сторону основания. Все следующие части линзы представим как трапеции, в которых луч света проходит внутрь и снова выходит, смещаясь в направлении (рис. 1).

Виды линз (рис. 2)

Рис. 2. Виды линз

Собирающие линзы

1 - двояковыпуклая линза

2 - плоско-выпуклая линза

3 - выпукло-вогнутая линза

Рассеивающие линзы

4 - двояковогнутая линза

5 - плоско-вогнутая линза

6 - выпукло-вогнутая линза

Обозначение линз

Тонкая линза - это линза, толщина которой много меньше радиусов, ограничивающих ее поверхность (рис. 3).

Рис. 3. Тонкая линза

Видим, что радиус одной сферической поверхности и другой сферической поверхности больше, чем толщина линзы α.

Линза преломляет свет определенным образом. Если линза собирающая, то лучи собираются в одной точке. Если линза рассеивающая, то лучи рассеиваются.

Для обозначения различных линз введен специальный рисунок (рис. 4).

Рис. 4. Схематическое изображение линз

1 - схематическое изображение собирающей линзы

2 - схематичное изображение рассеивающей линзы

Точки и линии линзы:

1. Оптический центр линзы

2. Главная оптическая ось линзы (рис. 5)

3. Фокус линзы

4. Оптическая сила линзы

Рис. 5. Главная оптическая ось и оптический центр линзы

Главная оптическая ось - воображаемая линия, которая проходит через центр линзы и перпендикулярна плоскости линзы. Точка О является оптическим центром линзы. Все лучи, проходящие через эту точку, не преломляются.

Другая важная точка линзы - фокус (рис. 6). Он располагается на главной оптической оси линзы. В точке фокуса пересекаются все лучи, которые падают на линзу параллельно главной оптической оси.

Рис. 6. Фокус линзы

У каждой линзы два фокуса. Мы будем рассматривать равнофокусную линзу, то есть когда фокусы стоят от линзы на одинаковом расстоянии.

Расстояние между центром линзы и фокусом называется фокусным расстоянием (отрезок на рисунке). Второй фокус расположен с обратной стороны линзы.

Следующая характеристика линзы - это оптическая сила линзы.

Оптическая сила линзы (обозначается ) - это способность линзы преломлять лучи. Оптическая сила линзы - обратное значение фокусного расстояния:

Фокусное расстояние измеряется в единицах длины.

За единицу оптической силы выбрана такая единица измерения, при которой фокусное расстояние равно одному метру. Такая единица оптической силы называется диоптрия.

У собирающих линз впереди оптической силы ставится знак «+», а если линза рассеивающая, то перед оптической силой ставится знак «-».

Единица диоптрия записывается следующим образом:

Для каждой линзы существует еще одно важное понятие. Это мнимый фокус и действительный фокус.

Действительный фокус - это такой фокус, который образован лучами, преломившимися в линзе.

Мнимый фокус - это фокус, который образуется продолжениями лучей, прошедших через линзу (рис. 7).

Мнимый фокус, как правило, у рассеивающей линзы.

Рис. 7. Мнимый фокус линзы

Вывод

На данном уроке вы узнали, что такое линза, какие бывают линзы. Познакомились с определением тонкой линзы и главными характеристиками линз и узнали, что такое мнимый фокус, действительный фокус, и в чем их различие.

Список литературы

1. Генденштейн Л.Э, Кайдалов А.Б., Кожевников В.Б. /Под ред. Орлова В.А., Ройзена И.И. Физика 8. - М.: Мнемозина.
2. Перышкин А.В. Физика 8. - М.: Дрофа, 2010.
3. Фадеева А.А., Засов А.В., Киселев Д.Ф. Физика 8. - М.: Просвещение.

1. Tak-to-ent.net ().
2. Tepka.ru ().
3. Megaresheba.ru ().

Домашнее задание

1. Задание 1. Определите оптическую силу собирающей линзы с фокусным расстоянием 2 метра.
2. Задание 2. Каково фокусное расстояние линзы, оптическая сила которой равна 5 диоптрий?
3. Задание 3. Может ли двояковыпуклая линза иметь отрицательную оптическую силу?