Üzerine düşen elektromanyetik radyasyon akısının yoğunluğunu değiştirebilen, yani ya bir noktada toplayarak arttırabilen ya da saçarak az altabilen nesneler vardır. Bu nesnelere fizikte mercek denir. Gelin bu konuya daha yakından bakalım.
Fizikte lensler nelerdir?
Bu kavram, elektromanyetik radyasyonun yayılma yönünü değiştirebilen kesinlikle herhangi bir nesne anlamına gelir. Bu, optik camları, manyetik ve yerçekimi merceklerini içeren fizikteki merceklerin genel tanımıdır.
Bu yazıda, saydam bir malzemeden yapılmış ve iki yüzeyle sınırlandırılmış nesneler olan optik camlar üzerinde durulacaktır. Bu yüzeylerden birinin mutlaka eğriliği olmalıdır (yani, sonlu yarıçaplı bir kürenin parçası olmalıdır), aksi takdirde nesne, ışık ışınlarının yayılma yönünü değiştirme özelliğine sahip olmayacaktır.
Lensin prensibi
Bu karmaşık olmayan işin özüoptik nesne, güneş ışınlarının kırılma olgusudur. 17. yüzyılın başında ünlü Hollandalı fizikçi ve astronom Willebrord Snell van Rooyen, şu anda soyadını taşıyan kırılma yasasını yayınladı. Bu yasanın formülasyonu şu şekildedir: güneş ışığı optik olarak saydam iki ortam arasındaki arayüzden geçtiğinde, ışın ile yüzeye normal arasındaki gelme açısının sinüsünün ve ortamın kırılma indisinin çarpımı. yayılır sabit bir değerdir.
Yukarıdakileri açıklığa kavuşturmak için bir örnek verelim: Yüzeyin normali ile ışın arasındaki açı θ1 iken ışığın suyun yüzeyine düşmesine izin verin.. Daha sonra, ışık demeti kırılır ve su içinde yayılmaya, yüzeye normale θ2 bir açıyla başlar. Snell yasasına göre şunu elde ederiz: sin(θ1)n1=sin(θ2) n2, burada n1 ve n2 hava ve su için kırılma indisleridir, sırasıyla. Kırılma indisi nedir? Bu, elektromanyetik dalgaların boşlukta yayılma hızının optik olarak saydam bir ortam için olandan kaç kat daha büyük olduğunu gösteren bir değerdir, yani n=c/v, burada c ve v, ışığın boşluktaki ve boşluktaki hızlarıdır. sırasıyla orta.
Kırılma görünümünün fiziği, ışığın uzayda bir noktadan diğerine olan mesafeyi en kısa sürede aşacak şekilde hareket ettiği Fermat ilkesinin uygulanmasında yatar.
Lens çeşitleri
Fizikteki optik lens türü, yalnızca onu oluşturan yüzeylerin şekli ile belirlenir. Üzerlerine gelen ışının kırılma yönü bu şekle bağlıdır. Bu nedenle, yüzeyin eğriliği pozitif (dışbükey) ise, mercekten çıktıktan sonra ışık huzmesi optik eksenine daha yakın yayılacaktır (aşağıya bakınız). Tersine, yüzeyin eğriliği negatif (içbükey) ise, optik camdan geçerken ışın merkez ekseninden uzaklaşacaktır.
Herhangi bir eğrilik yüzeyinin ışınları aynı şekilde kırdığına (Stella yasasına göre) ancak normallerin optik eksene göre farklı bir eğime sahip olduğuna ve bunun sonucunda kırılan ışının farklı davranışına neden olduğuna tekrar dikkat edin.
İki dışbükey yüzeyle sınırlanan bir merceğe yakınsak mercek denir. Buna karşılık, negatif eğrilikli iki yüzeyden oluşuyorsa, buna saçılma denir. Diğer tüm optik cam türleri, bir düzlemin de eklendiği bu yüzeylerin bir kombinasyonu ile ilişkilidir. Birleştirilmiş merceğin hangi özelliği (ıraksak veya yakınsak) olacağı, yüzeylerinin yarıçaplarının toplam eğriliğine bağlıdır.
Lens elemanları ve ışın özellikleri
Görüntü fiziğinde lensler oluşturmak için bu nesnenin öğelerini tanımanız gerekir. Aşağıda listelenmiştir:
- Ana optik eksen ve merkez. İlk durumda, optik merkezinden merceğe dik geçen düz bir çizgiyi ifade ederler. İkincisi ise, merceğin içinde, ışının kırılma yaşamadığı bir noktadır.
- Odak uzaklığı ve odak - mercek üzerine gelen tüm ışınları bu eksene paralel olarak toplayan optik eksen üzerindeki bir nokta ile merkez arasındaki mesafe. Bu tanım optik gözlüklerin toplanması için geçerlidir. Iraksak mercekler söz konusu olduğunda, bir noktada birleşecek olan ışınların kendisi değil, onların hayali devamıdır. Bu noktaya ana odak denir.
- Optik güç. Bu, odak uzunluğunun karşılığının adıdır, yani D \u003d 1 / f. Diyoptri (diyoptri), yani 1 diyoptri cinsinden ölçülür.=1 m-1.
Mercekten geçen ışınların başlıca özellikleri şunlardır:
- Optik merkezden geçen ışın hareket yönünü değiştirmez;
- Ana optik eksene paralel gelen ışınlar, ana odaktan geçecek şekilde yönlerini değiştirirler;
- Optik cama herhangi bir açıda düşen, ancak odağından geçen ışınlar, yayılma yönlerini ana optik eksene paralel olacak şekilde değiştirirler.
Fizikte ince mercekler için ışınların yukarıdaki özellikleri (bunlar hangi kürelerden oluşurlarsa oluşturulsunlar ve ne kadar kalın olurlarsa olsunlar, yalnızca nesne maddesinin optik özellikleri nedeniyle bu adla anılırlar) içlerinde görüntü oluşturmak için kullanılır..
Optik gözlüklerdeki görüntüler: nasıl yapılır?
Aşağıda, bir nesnenin dışbükey ve içbükey merceklerinde görüntü oluşturmaya yönelik şemaları ayrıntılandıran bir şekil verilmiştir.(kırmızı ok) konumuna bağlıdır.
Şekildeki devrelerin analizinden önemli sonuçlar çıkar:
- Herhangi bir görüntü sadece 2 ışın üzerine kuruludur (merkezden geçen ve ana optik eksene paralel).
- Yakınlaşan mercekler (uçlarda dışa bakan oklarla gösterilir) hem büyütülmüş hem de küçültülmüş bir görüntü verebilir, bu da gerçek (gerçek) veya hayali olabilir.
- Nesne odaktaysa, lens görüntüsünü oluşturmaz (şekilde soldaki alt şemaya bakın).
- Saçılma yapan optik gözlükler (uçları içe dönük oklarla gösterilir) nesnenin konumundan bağımsız olarak her zaman küçültülmüş ve sanal bir görüntü verir.
Görüntüye olan uzaklığı bulma
Görüntünün hangi mesafede görüneceğini belirlemek için, nesnenin kendisinin konumunu bilerek, fizikteki lens formülünü veriyoruz: 1/f=1/do + 1 /d i, burada do ve di nesneye ve optikten görüntüsüne olan mesafedir sırasıyla merkez, f ana odak noktasıdır. Toplama optik camdan bahsediyorsak, f-sayısı pozitif olacaktır. Tersine, ıraksak bir mercek için f negatiftir.
Bu formülü kullanalım ve basit bir problemi çözelim: nesnenin optik camın merkezinden do=2f uzaklıkta olmasına izin verin. Resmi nerede görünecek?
Sahip olduğumuz problemin durumuna göre: 1/f=1/(2f)+1/di. Gönderen: 1/di=1/f - 1/(2f)=1/(2f), yani di=2 f. Bu nedenle, görüntü mercekten iki odak mesafesinde, ancak nesnenin kendisinden diğer tarafta görünecektir (bu, di değerinin pozitif işaretiyle gösterilir).
Kısa Bir Tarihçe
"Mercek" kelimesinin etimolojisini vermek ilginç. Latince "mercimek" anlamına gelen lens ve lentis kelimelerinden türetilmiştir, çünkü optik nesneler şekilleri gerçekten bu bitkinin meyvesine benzemektedir.
Küresel şeffaf cisimlerin kırma gücü eski Romalılar tarafından biliniyordu. Bu amaçla içi su dolu yuvarlak cam kaplar kullandılar. Cam merceklerin kendileri sadece 13. yüzyılda Avrupa'da yapılmaya başlandı. Okuma aracı olarak kullanıldılar (modern gözlük veya büyüteç).
Optik nesnelerin teleskop ve mikroskop üretiminde aktif kullanımı 17. yüzyıla kadar uzanır (bu yüzyılın başında Galileo ilk teleskopu icat etti). Stella'nın kırılma yasasının, bilgisi olmadan istenilen özelliklere sahip lensler üretmenin imkansız olduğu matematiksel formülasyonunun, aynı 17. yüzyılın başında Hollandalı bir bilim adamı tarafından yayınlandığını unutmayın.
Diğer lensler
Yukarıda belirtildiği gibi, optik kırılma nesnelerine ek olarak manyetik ve yerçekimi nesneleri de vardır. İlkinin bir örneği, bir elektron mikroskobundaki manyetik merceklerdir, ikincisinin canlı bir örneği, ışık akısının yönünün bozulmasıdır,büyük uzay cisimlerinin (yıldızlar, gezegenler) yanından geçtiğinde.
