Ci sono oggetti che sono in grado di modificare la densità del flusso di radiazione elettromagnetica che cade su di essi, ovvero aumentandola raccogliendola in un punto o diminuendola disperdendola. Questi oggetti sono chiamati lenti in fisica. Diamo un'occhiata più da vicino a questo problema.
Cosa sono le lenti in fisica?
Questo concetto significa assolutamente qualsiasi oggetto in grado di cambiare la direzione di propagazione della radiazione elettromagnetica. Questa è la definizione generale di lenti in fisica, che include occhiali ottici, lenti magnetiche e gravitazionali.
In questo articolo, il focus sarà sui vetri ottici, che sono oggetti realizzati in un materiale trasparente e limitati da due superfici. Una di queste superfici deve necessariamente avere curvatura (cioè far parte di una sfera di raggio finito), altrimenti l'oggetto non avrà la proprietà di cambiare la direzione di propagazione dei raggi luminosi.
Il principio della lente
L'essenza del lavoro di questo sempliceoggetto ottico è il fenomeno della rifrazione dei raggi solari. All'inizio del XVII secolo, il famoso fisico e astronomo olandese Willebrord Snell van Rooyen pubblicò la legge della rifrazione, che attualmente porta il suo cognome. La formulazione di questa legge è la seguente: quando la luce solare passa attraverso l'interfaccia tra due mezzi otticamente trasparenti, allora il prodotto del seno dell'angolo di incidenza tra il raggio e la normale alla superficie e l'indice di rifrazione del mezzo in cui si propaga è un valore costante.
Per chiarire quanto sopra, facciamo un esempio: lascia che la luce cada sulla superficie dell'acqua, mentre l'angolo tra la normale alla superficie e il raggio è θ1. Quindi, il raggio di luce viene rifratto e inizia la sua propagazione nell'acqua già ad un angolo θ2 rispetto alla normale alla superficie. Secondo la legge di Snell, otteniamo: sin(θ1)n1=sin(θ2) n2, dove n1 e n2 sono gli indici di rifrazione per aria e acqua, rispettivamente. Qual è l'indice di rifrazione? Questo è un valore che mostra quante volte la velocità di propagazione delle onde elettromagnetiche nel vuoto è maggiore di quella di un mezzo otticamente trasparente, cioè n=c/v, dove c e v sono le velocità della luce nel vuoto e nel medio, rispettivamente.
La fisica dell'apparenza della rifrazione risiede nell'attuazione del principio di Fermat, secondo il quale la luce si muove in modo tale da superare la distanza da un punto all' altro nello spazio nel minor tempo possibile.
Tipi di lenti
Il tipo di lente ottica in fisica è determinato esclusivamente dalla forma delle superfici che la formano. La direzione di rifrazione del raggio incidente su di essi dipende da questa forma. Quindi, se la curvatura della superficie è positiva (convessa), allora, uscendo dalla lente, il raggio di luce si propagherà più vicino al suo asse ottico (vedi sotto). Viceversa, se la curvatura della superficie è negativa (concava), quindi passando attraverso il vetro ottico, il raggio si allontanerà dal suo asse centrale.
Si noti ancora che una superficie di qualsiasi curvatura rifrange i raggi allo stesso modo (secondo la legge di Stella), ma le normali ad essi hanno una pendenza diversa rispetto all'asse ottico, risultando in un diverso comportamento del raggio rifratto.
Una lente delimitata da due superfici convesse è chiamata lente convergente. A sua volta, se è formato da due superfici con curvatura negativa, allora si chiama scattering. Tutti gli altri tipi di vetri ottici sono associati a una combinazione di queste superfici, a cui viene aggiunto anche un piano. La proprietà che avrà la lente combinata (divergente o convergente) dipende dalla curvatura totale dei raggi delle sue superfici.
Elementi lente e proprietà raggio
Per integrare le lenti nella fisica delle immagini, devi familiarizzare con gli elementi di questo oggetto. Sono elencati di seguito:
- Asse ottico principale e centro. Nel primo caso si intende una retta passante perpendicolare alla lente attraverso il suo centro ottico. Quest'ultimo, a sua volta, è un punto all'interno della lente, attraverso il quale il raggio non subisce rifrazione.
- Lunghezza focale e fuoco - la distanza tra il centro e un punto sull'asse ottico, che raccoglie tutti i raggi incidenti sulla lente parallelamente a questo asse. Questa definizione vale per la raccolta di occhiali da vista. Nel caso di lenti divergenti, non sono i raggi stessi a convergere in un punto, ma la loro continuazione immaginaria. Questo punto è chiamato focus principale.
- Potenza ottica. Questo è il nome del reciproco della lunghezza focale, ovvero D \u003d 1 / f. Si misura in diottrie (diottrie), cioè 1 diottria.=1 m-1.
Le seguenti sono le principali proprietà dei raggi che passano attraverso la lente:
- il raggio che passa attraverso il centro ottico non cambia la sua direzione di movimento;
- i raggi incidenti parallelamente all'asse ottico principale cambiano la loro direzione in modo da passare attraverso il fuoco principale;
- I raggi che cadono sul vetro ottico con qualsiasi angolazione, ma passando attraverso il suo fuoco, cambiano la loro direzione di propagazione in modo tale da diventare paralleli all'asse ottico principale.
Le suddette proprietà dei raggi per lenti sottili in fisica (come vengono chiamate perché non importa quali sfere siano formate e quanto siano spesse, solo le proprietà ottiche dell'oggetto contano) sono usate per costruire immagini al loro interno.
Immagini in vetri ottici: come costruire?
Di seguito è una figura che descrive in dettaglio gli schemi per la costruzione di immagini nelle lenti convesse e concave di un oggetto(freccia rossa) a seconda della sua posizione.
Dall'analisi dei circuiti in figura derivano importanti conclusioni:
- Qualsiasi immagine è costruita su soli 2 raggi (passanti per il centro e paralleli all'asse ottico principale).
- Le lenti convergenti (indicate con frecce alle estremità rivolte verso l'esterno) possono fornire un'immagine sia ingrandita che ridotta, che a sua volta può essere reale (reale) o immaginaria.
- Se l'oggetto è a fuoco, l'obiettivo non forma la sua immagine (vedi il diagramma in basso a sinistra nella figura).
- Gli occhiali ottici a dispersione (indicati da frecce alle loro estremità rivolte verso l'interno) danno sempre un'immagine ridotta e virtuale indipendentemente dalla posizione dell'oggetto.
Trovare la distanza da un'immagine
Per determinare a quale distanza apparirà l'immagine, conoscendo la posizione dell'oggetto stesso, diamo la formula della lente in fisica: 1/f=1/do + 1 /d i, dove do e di sono la distanza dall'oggetto e dalla sua immagine dall'ottica centro, rispettivamente, f è l'obiettivo principale. Se stiamo parlando di un vetro ottico da collezione, il numero f sarà positivo. Al contrario, per una lente divergente, f è negativo.
Usiamo questa formula e risolviamo un semplice problema: lasciamo che l'oggetto sia a una distanza do=2f dal centro del vetro ottico di raccolta. Dove apparirà la sua immagine?
Dalla condizione del problema abbiamo: 1/f=1/(2f)+1/di. Da: 1/di=1/f - 1/(2f)=1/(2f), cioè rei=2 f. Pertanto, l'immagine apparirà a una distanza di due fuochi dall'obiettivo, ma dall' altra parte rispetto all'oggetto stesso (questo è indicato dal segno positivo del valore di).
Una breve storia
È curioso dare l'etimologia della parola "lente". Deriva dalle parole latine lens e lentis, che significa "lenticchia", poiché gli oggetti ottici nella loro forma assomigliano davvero al frutto di questa pianta.
Il potere rifrattivo dei corpi sferici trasparenti era noto agli antichi romani. A tale scopo, utilizzavano vasi di vetro rotondi pieni d'acqua. Le lenti in vetro stesse iniziarono a essere prodotte solo nel XIII secolo in Europa. Erano usati come strumento di lettura (lenti moderne o lente d'ingrandimento).
L'uso attivo degli oggetti ottici nella fabbricazione di telescopi e microscopi risale al XVII secolo (all'inizio di questo secolo Galileo inventò il primo telescopio). Si noti che la formulazione matematica della legge di rifrazione di Stella, all'insaputa della quale è impossibile fabbricare lenti con le proprietà desiderate, fu pubblicata da uno scienziato olandese all'inizio dello stesso XVII secolo.
Altri obiettivi
Come notato sopra, oltre agli oggetti rifrangenti ottici, ci sono anche oggetti magnetici e gravitazionali. Un esempio dei primi sono le lenti magnetiche in un microscopio elettronico, un vivido esempio del secondo è la distorsione della direzione del flusso luminoso,quando passa vicino a enormi corpi spaziali (stelle, pianeti).
