Δημιουργία εικόνας σε λεπτό φακό: σχέδια, τύπος λεπτού φακού

2024 Συγγραφέας: Angel Austin | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2023-12-17 05:22

Οι φακοί είναι διαφανή αντικείμενα που μπορούν να διαθλάσουν το ηλιακό φως. Κατασκευάζονται κυρίως από γυαλί. Οι λέξεις "διαθλαστικό φως" αναφέρονται στην ικανότητα αλλαγής της κατεύθυνσης διάδοσης των προσπίπτοντων ακτίνων φωτός. Ας εξετάσουμε πώς κατασκευάζονται οι εικόνες σε έναν λεπτό φακό.

Ιστορικό υπόβαθρο

Οι πρώτοι φακοί που ήταν γνωστοί στους αρχαίους Έλληνες και Ρωμαίους ήταν σφαιρικά γυάλινα δοχεία γεμάτα νερό. Αυτά τα πρωτότυπα σύγχρονων οπτικών γυαλιών χρησιμοποιήθηκαν για να ανάψουν φωτιές.

Μόλις στα τέλη του 13ου αιώνα κατασκευάστηκε ο πρώτος γυάλινος φακός στην Ευρώπη. Από τότε, η διαδικασία κατασκευής τους δεν έχει αλλάξει πολύ. Η μόνη καινοτομία ήταν η χρήση πίσσας από τον Ισαάκ Νεύτωνα τον 17ο αιώνα για να γυαλίσει τις επιφάνειες των οπτικών αντικειμένων.

Συλλογή και διασπορά οπτικών γυαλιών

Για να γίνει πιο εύκολη η κατανόηση της κατασκευής εικόνων σε λεπτό φακό, σκεφτείτετο ερώτημα είναι τι είναι τα οπτικά γυαλιά. Γενικά, υπάρχουν μόνο δύο τύποι φακών, οι οποίοι διαφέρουν ως προς το σχήμα και την ικανότητά τους να διαθλούν τη ροή φωτός. Διακρίνονται οι ακόλουθοι τύποι:

1. Συγκλινόμενοι φακοί. Αυτός ο τύπος έχει πάχος του κεντρικού του τμήματος μεγαλύτερο από το πάχος των άκρων. Η προκύπτουσα εικόνα σε έναν συγκλίνοντα φακό σχηματίζεται στην άλλη πλευρά του φωτός που πέφτει πάνω του. Αυτός ο τύπος έχει την ικανότητα να συλλέγει φως σε ένα μόνο σημείο (θετική εστίαση).
2. Αποκλίνοντες φακοί. Το κεντρικό τους τμήμα είναι πιο λεπτό από τις άκρες. Λόγω του σχήματός τους, αυτά τα οπτικά γυαλιά διασκορπίζουν το φως που προσπίπτει πάνω τους, γεγονός που οδηγεί στο σχηματισμό μιας εικόνας στην ίδια πλευρά του φακού καθώς οι ακτίνες από ένα αντικείμενο πέφτουν πάνω του. Η εικόνα που δημιουργείται είναι πολύ μικρότερη από το πραγματικό στοιχείο. Εάν οι ακτίνες που διασκορπίζονται από αυτό το οπτικό γυαλί συνεχιστούν με τέτοιο τρόπο ώστε να προσδιορίζεται η προέλευσή τους, τότε θα φαίνεται ότι αναδύονται από ένα σημείο μπροστά του. Αυτό το σημείο ονομάζεται εστίαση, το οποίο είναι αρνητικό ή φανταστικό για έναν αποκλίνοντα φακό.

Διαφορετικά σχήματα οπτικών γυαλιών

Οι δύο υπάρχοντες τύποι φακών μπορούν να κατασκευαστούν με διάφορους τρόπους. Διακρίνονται οι ακόλουθες 6 μορφές:

1. Αμφίκυρτο.
2. Επίπεδο-κυρτό.
3. Με κυρτό μηνίσκο (κοίλο-κυρτό).
4. Αμφίκωνο.
5. Plano-concave.
6. Με κοίλο μηνίσκο (κυρτό-κοίλο).

Κυρτά γυάλινα στοιχεία

Για να κατανοήσετε τη φυσική του φακού και να ενσωματώσετελεπτούς φακούς απεικόνισης, είναι απαραίτητο να γνωρίζουμε τα βασικά στοιχεία αυτού του οπτικού αντικειμένου. Ας τα απαριθμήσουμε:

• Το οπτικό κέντρο (O) είναι το σημείο από το οποίο διέρχεται το φως χωρίς να διαθλάται.
• Ο κύριος άξονας είναι μια ευθεία γραμμή που διέρχεται από το σημείο του οπτικού κέντρου και την κύρια εστίαση.
• Η κύρια ή κύρια εστίαση (F) είναι το σημείο από το οποίο διέρχονται οι φωτεινές ακτίνες ή οι προεκτάσεις τους εάν πέσουν σε οπτικό γυαλί παράλληλα με τον κύριο άξονά του.
• Βοηθητικός άξονας - κάθε ευθεία γραμμή που διέρχεται από το οπτικό κέντρο.
• Οι ακτίνες καμπυλότητας είναι οι δύο ακτίνες, R₁ και R₂, των σφαιρών που σχηματίζουν τον φακό.
• Κέντρα καμπυλότητας - δύο κέντρα σφαιρών, C₁ και C₂, που σχηματίζουν τις επιφάνειες του οπτικού γυαλιού.
• Εστιακή απόσταση (f) - η απόσταση μεταξύ του εστιακού σημείου και του οπτικού κέντρου. Υπάρχει ένας άλλος ορισμός της τιμής (f): αυτή είναι η απόσταση από το κέντρο του οπτικού φακού στην εικόνα, η οποία δίνει ένα αντικείμενο που βρίσκεται απείρως μακριά.

Οπτικές ιδιότητες

Είτε πρόκειται για ένα απλό κυρτό γυαλί είτε για πολύπλοκα οπτικά συστήματα, τα οποία αποτελούν μια συλλογή μεμονωμένων φακών, οι οπτικές τους ιδιότητες εξαρτώνται από δύο παραμέτρους: την εστιακή απόσταση και τη σχέση μεταξύ της εστιακής απόστασης και της διαμέτρου του φακού.

Η εστιακή απόσταση μετριέται με δύο τρόπους:

• Σε μονάδες κανονικής απόστασης, όπως 10cm, 1m και ούτω καθεξής.
• Σε διόπτρες, αυτή είναι μια τιμή που είναι αντιστρόφως ανάλογη με την εστιακή απόσταση, μετρούμενη σε μέτρα.

Για παράδειγμα, ένα οπτικό γυαλί με ισχύ 1 διόπτρας έχει εστιακή απόσταση 1 m, ενώ ένας φακός με ισχύ 2 διόπτρες έχει εστιακή απόσταση μόνο 0,5 m.

Η διάμετρος ενός φακού και η σχέση του με την εστιακή απόσταση καθορίζει την ικανότητα του οπτικού γυαλιού να συλλέγει φως ή την έξοδο φωτός του.

Ιδιότητες των ακτίνων που διέρχονται από το φακό

Στα σχολεία της 8ης τάξης, η δημιουργία εικόνων με λεπτούς φακούς είναι ένα από τα σημαντικά θέματα της φυσικής. Για να μάθει κανείς πώς να δημιουργεί αυτές τις εικόνες, θα πρέπει να γνωρίζει όχι μόνο τις βασικές έννοιες και στοιχεία, αλλά και τις ιδιότητες ορισμένων ακτίνων που διέρχονται από ένα οπτικά ενεργό αντικείμενο:

• Οποιαδήποτε ακτίνα που διέρχεται παράλληλα προς τον κύριο άξονα διαθλάται με τέτοιο τρόπο ώστε είτε να διέρχεται από την εστία (στην περίπτωση ενός συγκλίνοντος φακού), είτε η νοητή συνέχισή της να διέρχεται από την εστίαση (στην περίπτωση αποκλίνουσα).
• Η δέσμη που διέρχεται από την εστία διαθλάται έτσι ώστε να συνεχίσει την κίνησή της παράλληλα με τον κύριο άξονα. Σημειώστε ότι στην περίπτωση ενός αποκλίνοντος φακού, αυτός ο κανόνας ισχύει εάν η συνέχεια της δέσμης που προσπίπτει σε αυτόν διέρχεται από την εστία που βρίσκεται στην άλλη πλευρά του οπτικού αντικειμένου.
• Οποιαδήποτε ακτίνα φωτός που διέρχεται από το κέντρο του φακού δεν υφίσταται καμία διάθλαση και δεν αλλάζει κατεύθυνση.

Χαρακτηριστικά δημιουργίας εικόνων σε λεπτούς φακούς

Αν και συλλέγει και διασκορπίζει οπτικάΤα γυαλιά έχουν παρόμοιες ιδιότητες, η κατασκευή εικόνων σε καθένα από αυτά έχει τα δικά του χαρακτηριστικά.

Κατά τη δημιουργία εικόνων, ο τύπος λεπτού φακού είναι:

1/f=1/d_o+1/d_i, όπου d_o και d_i είναι η απόσταση από το οπτικό κέντρο στο αντικείμενο και στην εικόνα του.

Σημειώστε ότι η εστιακή απόσταση (f) είναι θετική για συγκλίνοντες φακούς και αρνητική για αποκλίνοντες φακούς.

Η εφαρμογή των παραπάνω ιδιοτήτων των ακτίνων που διέρχονται από ένα συλλεκτικό οπτικό γυαλί οδηγεί στα ακόλουθα αποτελέσματα:

• Αν το αντικείμενο βρίσκεται σε απόσταση μεγαλύτερη από 2f, τότε προκύπτει μια πραγματική εικόνα, η οποία έχει μικρότερο μέγεθος από το αντικείμενο. Το βλέπουμε ανάποδα.
• Ένα αντικείμενο τοποθετημένο σε απόσταση 2f από το φακό έχει ως αποτέλεσμα μια πραγματική ανεστραμμένη εικόνα του ίδιου μεγέθους με το ίδιο το αντικείμενο.
• Αν το αντικείμενο βρίσκεται σε απόσταση μεγαλύτερη από f, αλλά μικρότερη από 2f, τότε λαμβάνεται μια πραγματική ανεστραμμένη και μεγεθυσμένη εικόνα του.
• Εάν το αντικείμενο βρίσκεται στο εστιακό σημείο, τότε οι ακτίνες που διέρχονται από το οπτικό γυαλί γίνονται παράλληλες, πράγμα που σημαίνει ότι δεν υπάρχει εικόνα.
• Αν ένα αντικείμενο είναι πιο κοντά από μία εστιακή απόσταση, τότε η εικόνα του θα αποδειχθεί φανταστική, άμεση και μεγαλύτερη από το ίδιο το αντικείμενο.

Δεδομένου ότι οι ιδιότητες των ακτίνων που διέρχονται από έναν συγκλίνοντα και αποκλίνοντα φακό είναι παρόμοιες, η κατασκευή των εικόνων που δίνονται από έναν λεπτό φακό αυτού του τύπου πραγματοποιείται σύμφωνα με παρόμοιους κανόνες.

Σχέδιααπεικόνιση για διάφορες περιστάσεις

Στα σχέδια, ένας συγκλίνοντας φακός υποδεικνύεται από μια γραμμή στα άκρα της οποίας υπάρχουν βέλη που δείχνουν προς τα έξω και ένας αποκλίνων φακός υποδεικνύεται από μια γραμμή με βέλη στα άκρα που κατευθύνονται προς τα μέσα, δηλαδή ο ένας στον άλλον.

Διαφορετικές παραλλαγές των σχεδίων για την κατασκευή εικόνων σε λεπτούς φακούς, οι οποίες συζητήθηκαν στην προηγούμενη παράγραφο, φαίνονται στο παρακάτω σχήμα.

Όπως φαίνεται από το σχήμα, όλες οι εικόνες (για κάθε τύπο οπτικού γυαλιού και η θέση του αντικειμένου σε σχέση με αυτά) είναι χτισμένες σε δύο δέσμες. Το ένα κατευθύνεται παράλληλα με τον κύριο άξονα και το άλλο διέρχεται από το οπτικό κέντρο. Η χρήση αυτών των δοκών είναι βολική γιατί είναι γνωστή η συμπεριφορά τους μετά το πέρασμα από τον φακό. Σημειώστε επίσης ότι το κάτω άκρο του αντικειμένου (κόκκινο βέλος σε αυτήν την περίπτωση) βρίσκεται στον κύριο οπτικό άξονα, επομένως αρκεί να δημιουργήσετε μόνο την εικόνα του πάνω σημείου του αντικειμένου. Εάν το αντικείμενο (κόκκινο βέλος) βρίσκεται αυθαίρετα σε σχέση με το οπτικό γυαλί, τότε είναι απαραίτητο να δημιουργήσετε μια εικόνα τόσο του άνω όσο και του κάτω μέρους του ανεξάρτητα.

Δύο δοκάρια αρκούν για τη δημιουργία οποιωνδήποτε εικόνων. Εάν υπάρχει αβεβαιότητα για το αποτέλεσμα, τότε μπορεί να ελεγχθεί χρησιμοποιώντας την τρίτη ακτίνα. Θα πρέπει να κατευθύνεται μέσω της εστίασης (μπροστά από τον συγκλίνοντα φακό και πίσω από τον αποκλίνοντα φακό), στη συνέχεια, αφού περάσει από το οπτικό γυαλί και τη διάθλαση σε αυτό, η δέσμη θα είναι παράλληλη με τον κύριο οπτικό άξονα. Αν λυθεί το πρόβλημα της δημιουργίας εικόνας σε λεπτό φακόδεξιά, τότε θα περάσει από το σημείο όπου τέμνονται οι δύο δέσμες πορείας.

Η διαδικασία κατασκευής οπτικών αντικειμένων

Οι περισσότεροι φακοί είναι κατασκευασμένοι από ειδικούς τύπους γυαλιού που ονομάζονται οπτικοί φακοί. Δεν υπάρχουν εσωτερικές καταπονήσεις, φυσαλίδες αέρα και άλλες ατέλειες σε τέτοιο γυαλί.

Η διαδικασία κατασκευής φακών πραγματοποιείται σε διάφορα στάδια. Αρχικά, ένα κοίλο ή κυρτό αντικείμενο του επιθυμητού σχήματος κόβεται από ένα μπλοκ οπτικού γυαλιού χρησιμοποιώντας κατάλληλα μεταλλικά εργαλεία. Στη συνέχεια γυαλίζεται με πίσσα. Στο τελικό στάδιο, το μέγεθος του οπτικού γυαλιού αλλάζει με λειαντικά εργαλεία έτσι ώστε το κέντρο βάρους να συμπίπτει ακριβώς με το οπτικό κέντρο.

Λόγω της ανάπτυξης τεχνολογιών για την απόκτηση και την επεξεργασία διαφόρων τύπων πλαστικού, οι φακοί κατασκευάζονται πλέον όλο και περισσότερο από διαφανείς τύπους πλαστικού, οι οποίοι είναι φθηνότεροι, ελαφρύτεροι και λιγότερο εύθραυστοι από τους αντίστοιχους γυαλιού.

Περιοχές εφαρμογής

Οπτικά γυαλιά χρησιμοποιούνται για την επίλυση διαφόρων προβλημάτων όρασης. Για αυτό, χρησιμοποιούνται τόσο πλαστικοί φακοί επαφής όσο και γυάλινοι (με γυαλιά).

Επιπλέον, τα οπτικά γυαλιά χρησιμοποιούνται σε φωτογραφικές κάμερες, μικροσκόπια, τηλεσκόπια και άλλα οπτικά όργανα. Χρησιμοποιούν ένα ολόκληρο σύστημα φακών. Για παράδειγμα, στην περίπτωση του απλούστερου μικροσκοπίου, που αποτελείται από δύο οπτικά γυαλιά, το πρώτο σχηματίζει μια πραγματική εικόνα του αντικειμένου καιτο δεύτερο χρησιμοποιείται για να μεγεθύνει την εικόνα του. Επομένως, το δεύτερο γυαλί βρίσκεται σε κατάλληλη απόσταση από το πρώτο, σύμφωνα με τους κανόνες για την κατασκευή εικόνων σε λεπτό φακό.