Linsen sind transparente Objekte, die Sonnenlicht brechen können. Sie bestehen hauptsächlich aus Glas. Die Worte "Licht brechen" beziehen sich auf die Fähigkeit, die Ausbreitungsrichtung einfallender Lichtstrahlen zu ändern. Betrachten wir, wie Bilder in einer dünnen Linse konstruiert werden.
Historischer Hintergrund
Die ersten Linsen, die den alten Griechen und Römern bekannt waren, waren mit Wasser gefüllte kugelförmige Glasgefäße. Diese Prototypen moderner optischer Gläser wurden verwendet, um Feuer zu entfachen.
Erst Ende des 13. Jahrhunderts wurde die erste Glaslinse in Europa hergestellt. Seitdem hat sich der Prozess ihrer Herstellung nicht wesentlich verändert. Die einzige Neuerung war die Verwendung von Teer durch Isaac Newton im 17. Jahrhundert zum Polieren der Oberflächen optischer Objekte.
Sammeln und Streuen von optischen Gläsern
Um den Aufbau von Bildern in einem dünnen Objektiv besser verständlich zu machen, bedenken SieDie Frage ist, was sind optische Gläser. Im Allgemeinen gibt es nur zwei Arten von Linsen, die sich in ihrer Form und Fähigkeit, den Lichtstrom zu brechen, unterscheiden. Folgende Typen werden unterschieden:
- Sammellinsen. Dieser Typ hat eine Dicke seines mittleren Teils, die größer ist als die Dicke der Kanten. Das resultierende Bild in einer Sammellinse wird auf der anderen Seite des auf sie fallenden Lichts gebildet. Dieser Typ hat die Fähigkeit, Licht in einem einzigen Punkt zu sammeln (positiver Fokus).
- Zerstreuungslinsen. Ihr zentraler Teil ist dünner als die Ränder. Aufgrund ihrer Form streuen diese optischen Gläser das auf sie einfallende Licht, was zur Bildung eines Bildes auf der gleichen Seite der Linse führt, auf der die Strahlen eines Objekts darauf fallen. Das generierte Bild ist viel kleiner als das eigentliche Objekt. Wenn die von diesem optischen Glas gestreuten Strahlen so fortgesetzt werden, dass ihr Ursprung bestimmt wird, dann scheint es, dass sie von einem Punkt davor ausgehen. Dieser Punkt wird Fokus genannt und ist für eine Zerstreuungslinse negativ oder imaginär.
Verschiedene Formen optischer Gläser
Die beiden vorhandenen Arten von Linsen können auf verschiedene Weise hergestellt werden. Folgende 6 Formen werden unterschieden:
- Bikonvex.
- Plano-konvex.
- Mit konvexem Meniskus (konkav-konvex).
- Biconcave.
- Plankonkav.
- Mit konkavem Meniskus (konvex-konkav).
Konvexe Glaselemente
Die Physik des Objektivs verstehen und einbauendünne Abbildungslinsen, ist es notwendig, die Grundelemente dieses optischen Objekts zu kennen. Lassen Sie uns sie auflisten:
- Das optische Zentrum (O) ist der Punkt, durch den das Licht ohne Brechung geht.
- Die Hauptachse ist eine Gerade, die durch den Punkt des optischen Zentrums und den Hauptfokus verläuft.
- Der Haupt- oder Hauptfokus (F) ist der Punkt, durch den Lichtstrahlen oder deren Verlängerungen verlaufen, wenn sie parallel zu seiner Hauptachse auf optisches Glas fallen.
- Hilfsachse - jede gerade Linie, die durch das optische Zentrum verläuft.
- Die Krümmungsradien sind die beiden Radien R1 und R2 der Kugeln, die die Linse bilden.
- Krümmungsmittelpunkte - zwei Mittelpunkte von Kugeln, C1 und C2, die die Oberflächen von optischem Glas bilden.
- Brennweite (f) - der Abstand zwischen dem Brennpunkt und dem optischen Zentrum. Es gibt eine andere Definition des Wertes (f): Dies ist der Abstand vom Mittelpunkt der optischen Linse zum Bild, der ein unendlich weit entferntes Objekt ergibt.
Optische Eigenschaften
Ob einfaches konvexes Glas oder komplexe optische Systeme, die eine Ansammlung einzelner Linsen sind, ihre optischen Eigenschaften hängen von zwei Parametern ab: der Brennweite und dem Verhältnis zwischen Brennweite und Durchmesser der Linse.
Die Brennweite wird auf zwei Arten gemessen:
- In Einheiten der normalen Entfernung, wie 10cm, 1m usw.
- Bei Dioptrien ist dies ein Wert, der umgekehrt proportional zur Brennweite ist, gemessen in Metern.
Zum Beispiel hat ein optisches Glas mit einer Stärke von 1 Dioptrien eine Brennweite von 1 m, während eine Linse mit einer Stärke von 2 Dioptrien nur eine Brennweite von 0,5 m hat.
Der Durchmesser einer Linse und ihr Verhältnis zur Brennweite bestimmen die Fähigkeit von optischem Glas, Licht zu sammeln oder seine Lichtleistung.
Eigenschaften von Strahlen, die durch die Linse gehen
In den Schulen der 8. Klasse gehört der Aufbau von Bildern in dünnen Linsen zu den wichtigen Themen der Physik. Um zu lernen, wie man diese Bilder erstellt, sollte man nicht nur die grundlegenden Konzepte und Elemente kennen, sondern auch die Eigenschaften einiger Strahlen, die durch ein optisch aktives Objekt gehen:
- Jeder parallel zur Hauptachse verlaufende Strahl wird so gebrochen, dass er entweder durch den Brennpunkt geht (bei einer Sammellinse) oder seine gedachte Fortsetzung durch den Brennpunkt geht (bei a abweichend).
- Der Strahl, der den Fokus passiert, wird so gebrochen, dass er seine Bewegung parallel zur Hauptachse fortsetzt. Beachten Sie, dass bei einer Zerstreuungslinse diese Regel gilt, wenn die Fortsetzung des auf sie einfallenden Strahls durch den Brennpunkt geht, der sich auf der anderen Seite des optischen Objekts befindet.
- Jeder Lichtstrahl, der durch die Mitte der Linse geht, erfährt keine Brechung und ändert seine Richtung nicht.
Merkmale des Aufbaus von Bildern in dünnen Linsen
Obwohl optisches Sammeln und StreuenBrillen haben ähnliche Eigenschaften, die Konstruktion von Bildern in jeder von ihnen hat ihre eigenen Eigenschaften.
Bei der Konstruktion von Bildern lautet die Formel für dünne Linsen:
1/f=1/do+1/di, wobei do und di der Abstand vom optischen Zentrum zum Objekt und zu seinem Bild ist.
Beachte, dass die Brennweite (f) für Sammellinsen positiv und für Zerstreuungslinsen negativ ist.
Die Anwendung der obigen Eigenschaften von Strahlen, die durch ein sammelndes optisches Glas gehen, führt zu den folgenden Ergebnissen:
- Befindet sich das Objekt in einer Entfernung von mehr als 2f, so erhält man ein reales Bild, das kleiner ist als das Objekt. Wir sehen es auf dem Kopf.
- Ein Objekt, das in einer Entfernung von 2f vom Objektiv platziert wird, ergibt ein echtes umgekehrtes Bild in der gleichen Größe wie das Objekt selbst.
- Befindet sich das Objekt in einer Entfernung von mehr als f, aber weniger als 2f, dann erhält man ein echtes umgekehrtes und vergrößertes Bild davon.
- Wenn sich das Objekt im Brennpunkt befindet, werden die durch das optische Glas gehenden Strahlen parallel, was bedeutet, dass kein Bild entsteht.
- Wenn ein Objekt näher als eine Brennweite ist, stellt sich sein Bild als imaginär, direkt und größer als das Objekt selbst heraus.
Da die Eigenschaften von Strahlen, die eine Sammel- und eine Zerstreuungslinse passieren, ähnlich sind, erfolgt die Konstruktion von Bildern, die von einer dünnen Linse dieses Typs geliefert werden, nach ähnlichen Regeln.
ZeichnungenBildgebung für verschiedene Anlässe
In den Zeichnungen wird eine Sammellinse durch eine Linie angezeigt, an deren Enden Pfeile nach außen zeigen, und eine Zerstreuungslinse wird durch eine Linie mit Pfeilen an den Enden angezeigt, die nach innen gerichtet sind, d. h. aufeinander.
Verschiedene Varianten der Zeichnungen zum Konstruieren von Bildern in dünnen Linsen, die im vorherigen Absatz besprochen wurden, sind in der folgenden Abbildung dargestellt.
Wie aus der Abbildung ersichtlich ist, sind alle Bilder (für jede Art von optischem Glas und die Position des Objekts relativ zu ihnen) auf zwei Strahlen aufgebaut. Einer ist parallel zur Hauptachse gerichtet, der andere verläuft durch das optische Zentrum. Die Verwendung dieser Strahlen ist bequem, da ihr Verh alten nach dem Durchgang durch die Linse bekannt ist. Beachten Sie auch, dass sich der untere Rand des Objekts (in diesem Fall roter Pfeil) auf der optischen Hauptachse befindet, sodass es ausreicht, nur das Bild des oberen Punkts des Objekts aufzubauen. Wenn das Objekt (roter Pfeil) willkürlich relativ zum optischen Glas angeordnet ist, ist es notwendig, ein Bild von seinem oberen und unteren Teil unabhängig voneinander zu erstellen.
Zwei Strahlen reichen aus, um beliebige Bilder aufzubauen. Wenn das Ergebnis unsicher ist, kann es mit dem dritten Strahl überprüft werden. Es sollte durch den Fokus gerichtet werden (vor der Sammellinse und hinter der Zerstreuungslinse), dann ist der Strahl nach dem Passieren des optischen Glases und der Brechung darin parallel zur optischen Hauptachse. Wenn das Problem des Bildaufbaus in einer dünnen Linse gelöst istrechts, dann passiert es den Punkt, an dem sich die beiden Hauptstrahlen kreuzen.
Der Prozess der Herstellung optischer Objekte
Die meisten Linsen werden aus speziellen Glasarten hergestellt, die als optische Linsen bezeichnet werden. Es gibt keine inneren Spannungen, Luftblasen und andere Unvollkommenheiten in einem solchen Glas.
Der Herstellungsprozess von Linsen erfolgt in mehreren Schritten. Zuerst wird ein konkaves oder konvexes Objekt der gewünschten Form mit geeigneten Metallwerkzeugen aus einem Block aus optischem Glas geschnitten. Es wird dann mit Teer poliert. Im letzten Schritt wird das optische Glas mit Schleifwerkzeugen so verkleinert, dass der Schwerpunkt genau mit dem optischen Zentrum zusammenfällt.
Aufgrund der Entwicklung von Technologien zur Gewinnung und Verarbeitung verschiedener Kunststoffarten werden Linsen heute zunehmend aus transparenten Kunststoffarten hergestellt, die billiger, leichter und weniger zerbrechlich sind als ihre Pendants aus Glas.
Anwendungsbereiche
Optische Brillen werden verwendet, um verschiedene Sehprobleme zu lösen. Dazu werden sowohl Kontaktlinsen aus Kunststoff als auch Kontaktlinsen aus Glas (mit Brille) verwendet.
Darüber hinaus werden optische Gläser in Fotoapparaten, Mikroskopen, Teleskopen und anderen optischen Instrumenten verwendet. Sie verwenden ein ganzes System von Linsen. Zum Beispiel im Fall des einfachsten Mikroskops, das aus zwei optischen Gläsern besteht, bildet das erste ein reales Bild des Objekts undder zweite wird verwendet, um sein Bild zu vergrößern. Daher befindet sich das zweite Glas gemäß den Regeln für die Konstruktion von Bildern in einer dünnen Linse in einem angemessenen Abstand zum ersten.
