Лінзи. Побудова зображень у лінзах

2-й семестр

ЕЛЕКТРОДИНАМІКА

5. Хвильова й квантова оптика

УРОК 5/63

Тема. Лінзи. Побудова зображень у лінзах

Мета уроку: розповісти учням про лінзи, їхні фізичні властивості і характеристики; навчити учнів одержувати зображення в збиральній і розсіювальній лінзах.

Тип уроку: урок вивчення нового матеріалу.

ПЛАН УРОКУ

ВИВЧЕННЯ НОВОГО МАТЕРІАЛУ

1. Основні

Найважливішим елементом численних оптичних приладів і систем, починаючи від окулярів і закінчуючи гігантськими телескопами, є лінза.

O Лінзою називається оптично прозоре тіло, обмежене сферичними поверхнями.

O Лінзу, товщина якої значно менше радіусів кривини її поверхонь, називають тонкою лінзою.

Розрізняють опуклі лінзи (рис. а), які посередині товстіші, ніж біля країв, і увігнуті лінзи (рис. б), які посередині тонші, ніж біля країв.

Для тонкої лінзи можна вважати, що вся лінза лежить в одній площині, яку називають площиною лінзи.

Точку площини лінзи, де товщина лінзи максимальна (для опуклої лінзи) або мінімальна (для ввігнутої лінзи), називають оптичним центром лінзи.

Через центр лінзи перпендикулярно до площини лінзи проходить головна оптична вісь лінзи.

2. Збиральна й розсіювальна лінзи

Основні параметри й дії збиральної лінзи рекомендовано спочатку вивчати експериментально за допомогою двоопуклої лінзи. Демонструючи дію збиральної двоопуклої лінзи, важливо звернути увагу учнів на те, що зазначене відхилення променів збиральною лінзою завжди спостерігається за будь-якого кута падіння променя на лінзу.

O Лінзу, що перетворить паралельний пучок променів у збіжний, називають збиральною.

Промені, що падають на збиральну лінзу паралельно до головної оптичної осі, після заломлення в лінзі перетинаються в одній точці, що називають фокусом лінзи й позначають F.

Демонструючи дію розсіювальної лінзи, переконуємося, що незалежно від розташування світної точки відносно двоввігнутої лінзи, остання завжди формує тільки розбіжний пучок світла.

O Лінзу, що перетворює паралельний пучок променів у розбіжний, називають розсіювальною.

Паралельні промені, що падають на розсіювальну лінзу, після заломлення в лінзі йдуть так, що їхні продовження перетинаються в одній точці, розташованої по ту сторону лінзи, звідки падає пучок.

Точку, у якій перетинаються продовження заломлених у розсіювальній лінзі променів, що падають на лінзу паралельно до головної оптичної осі, називають також фокусом лінзи й позначають F.

Фокус розсіювальної лінзи називають уявним, тому що в цій точці перетинаються не самі промені, а їхні продовження.

3. Фізичні величини, що характеризують лінзу

У розсіювальної лінзи, так само як і в збиральній, є два фокуси, які розташовані по різні сторони лінзи на рівних відстанях від неї.

Відстань від площини лінзи до її фокуса називають фокусною відстанню лінзи й позначають F.

Фокусна відстань лінзи залежить від ступеня кривини її поверхонь. Лінза з більш опуклими поверхнями заломлює промені сильніше, ніж лінза з менш опуклими поверхнями, і тому має меншу фокусну відстань.

O Оптичною силою лінзи називають величину D, оборотну фокусній відстані лінзи:

D = 1/F.

Одиницею фокусної відстані в СІ є 1 метр. Оптичну ж силу лінзи в СІ вимірюють в 1/м (цю одиницю оптичної сили часто називають діоптрією). Наприклад, оптична сила лінзи з фокусною відстанню 2 м дорівнює 0,5 1/м.

Чим менше фокусна відстань лінзи, тим більше її оптична сила, тобто тим сильніше вона заломлює промені, що на неї падають.

O У збиральної й розсіювальної лінз оптичні сили відрізняються знаком. Для збиральної лінзи F > 0: D > 0, для розсіювальної – F < 0: D < 0.

4. Побудова зображення, що дає тонка лінза

Побудуємо зображення точки S, що виходить за допомогою лінзи. Для цього необхідно знайти точку перетину S1 променів, які виходять із точки S і проходять крізь лінзу. Оскільки в точці S1 перетинаються всі промені, що виходять із точки S, то для побудови зображення достатньо двох променів із трьох, показаних на рисунку. Точка S1 буде дійсним зображенням точки S, якщо в точці S1 перетинаються промені, заломлені лінзою. Точка S1 буде уявним зображенням точки S, якщо в точці S1 перетинаються продовження променів, заломлених лінзою.

Побудуємо зображення предмета AB, що перебуває на відстані, більшій за 2F. Для побудови зображення точки B скористаємося двома правилами: 1) точка і її зображення завжди лежать на одній прямій, що проходить через оптичний центр лінзи; 2) промінь, що падає на збиральну лінзу паралельно до головної оптичної осі, після заломлення в лінзі проходить через її фокус.

Ми бачимо, що якщо предмет розташований за подвійною фокусною відстанню збиральної лінзи, то його зображення виявляється зменшеним, переверненим, дійсним.

Якщо предмет розташований між фокусом і лінзою, зображення предмета буде збільшеним, прямим, уявним.

Побудова зображення предмета, отриманого за допомогою розсіювальної лінзи, показує, що розсіювальна лінза завжди дає уявне, зменшене, пряме зображення.

ПИТАННЯ ДО УЧНІВ У ХОДІ ВИКЛАДУ НОВОГО МАТЕРІАЛУ

Перший рівень

1. За якою ознакою можна дізнатися: ця лінза збиральна чи розсіювальна, якщо судити тільки за формою?

2. Чому опуклу лінзу називають збиральною, а ввігнуту лінзу – розсіювальною?

3. Залежно від чого змінюється зображення, що дає збиральна лінза?

4. Чому ввігнута лінза не дає дійсного зображення?

Другий рівень

1. За допомогою лінзи отримали зображення деякого предмета. У якому випадку його можна побачити на екрані – коли це зображення є дійсним чи коли воно уявне?

2. За допомогою лінзи на екрані отримане зображення полум’я свічі. Чи зміниться це зображення і як, якщо половину лінзи закрити непрозорим екраном?

ЗАКРІПЛЕННЯ ВИВЧЕНОГО МАТЕРІАЛУ

1). Якісні питання

1. Від чого залежить характер зображення, що дає збиральна лінза?

2. У склі є порожнеча у вигляді двоопуклої лінзи. Яка це лінза – збиральна чи розсіювальна? Відповідь обгрунтуйте.

3. Збиральна лінза дає зображення предмета, що перебуває за її фокусом. Як зміниться тип зображення, якщо предмет помістити між лінзою і її фокусом?

4. Під час випалювання лінзу тримають на відстані 25 см від дощечки. Яка оптична сила лінзи?

2). Навчаємося розв’язувати задачі

1. На рисунку показані світна точка S і її зображення S1, отримане за допомогою лінзи, а також головна оптична вісь KN цієї лінзи. Визначте положення оптичного центра лінзи і її фокусів. Яка це лінза – збиральна чи розсіювальна?

2. На рисунку показані світна точка S і її зображення S1, отримане за допомогою лінзи, а також головна оптична вісь KN цієї лінзи. Визначте положення оптичного центра лінзи і її фокусів. Яка це лінза – збиральна чи розсіювальна?

3. Побудуйте зображення цього предмета в лінзі. Охарактеризуйте отримане зображення.

ЩО МИ ДІЗНАЛИСЯ НА УРОЦІ

– Лінзою називається оптично прозоре тіло, обмежене сферичними поверхнями.

– Лінзу, товщина якої значно менше від радіусів кривини її поверхонь, називають тонкою лінзою.

– Лінзу, що перетворює паралельний пучок променів у збіжний, називають збиральною.

– Лінзу, що перетворює паралельний пучок променів у розбіжний, називають розсіювальною.

– Відстань від площини лінзи до її фокуса називають фокусною відстанню лінзи й позначають F.

– Оптичною силою лінзи називають величину D, зворотну фокусній відстані лінзи: D = 1/F.

Домашнє завдання

1. Підр-1: § 41 (п. 1, 2, 3); підр-2: § 20 (п. 1).

2. Зб.:

Рів1 № 13.4; 13.5; 13.6; 13.7.

Рів2 № 13.49; 13.50; 13.51; 13.52.

Рів3№ 13.53, 13.54; 13.59.