Lenzen zijn transparante objecten die zonlicht kunnen breken. Ze zijn voornamelijk gemaakt van glas. De woorden "licht breken" verwijzen naar het vermogen om de voortplantingsrichting van invallende lichtstralen te veranderen. Laten we eens kijken hoe afbeeldingen worden geconstrueerd in een dunne lens.
Historische achtergrond
De eerste lenzen die bij de oude Grieken en Romeinen bekend waren, waren bolvormige glazen vaten gevuld met water. Deze prototypes van moderne optische glazen werden gebruikt om vuurtjes aan te wakkeren.
Pas aan het einde van de 13e eeuw werd de eerste glazen lens in Europa gemaakt. Sindsdien is het fabricageproces niet veel veranderd. De enige innovatie was het gebruik van teer door Isaac Newton in de 17e eeuw om de oppervlakken van optische objecten te polijsten.
Optische glazen verzamelen en verspreiden
Om het gemakkelijker te maken om de constructie van afbeeldingen in een dunne lens te begrijpen, overweeg dande vraag is, wat zijn optische glazen. Over het algemeen zijn er slechts twee soorten lenzen, die verschillen in vorm en vermogen om de lichtstroom te breken. De volgende typen worden onderscheiden:
- Convergerende lenzen. Dit type heeft een dikte van het centrale deel die groter is dan de dikte van de randen. Het resulterende beeld in een convergerende lens wordt gevormd aan de andere kant van het licht dat erop v alt. Dit type heeft de mogelijkheid om licht te verzamelen in een enkel punt (positieve focus).
- Uiteenlopende lenzen. Hun centrale deel is dunner dan de randen. Door hun vorm verstrooien deze optische glazen het licht dat erop v alt, wat leidt tot de vorming van een beeld aan dezelfde kant van de lens als de stralen van een object erop vallen. De gegenereerde afbeelding is veel kleiner dan het werkelijke item. Als de door dit optische glas verstrooide stralen zo worden voortgezet dat hun oorsprong kan worden bepaald, lijkt het alsof ze vanuit een punt ervoor tevoorschijn komen. Dit punt wordt de focus genoemd, wat negatief of denkbeeldig is voor een divergerende lens.
Verschillende vormen van optische glazen
De bestaande twee soorten lenzen kunnen op verschillende manieren worden gemaakt. De volgende 6 vormen worden onderscheiden:
- Biconvex.
- Plano-convex.
- Met een convexe meniscus (concaaf-convex).
- Biconcave.
- Plano-concaaf.
- Met een holle meniscus (convex-concaaf).
Convexe glaselementen
Om de fysica van de lens te begrijpen en in te bouwendunne beeldvormende lenzen, is het noodzakelijk om de basiselementen van dit optische object te kennen. Laten we ze opsommen:
- Het optische centrum (O) is het punt waar licht doorheen gaat zonder te worden gebroken.
- De hoofdas is een rechte lijn die door het punt van het optische centrum en het hoofdfocus gaat.
- Het hoofd- of hoofdfocus (F) is het punt waar lichtstralen of hun verlengingen doorheen gaan als ze op optisch glas vallen evenwijdig aan zijn hoofdas.
- Hulpas - elke rechte lijn die door het optische centrum gaat.
- De kromtestralen zijn de twee stralen, R1 en R2, van de bollen die de lens vormen.
- Krommingscentra - twee middelpunten van bollen, C1 en C2, die de oppervlakken van optisch glas vormen.
- Brandpuntsafstand (f) - de afstand tussen het brandpunt en het optische centrum. Er is een andere definitie van de waarde (f): dit is de afstand van het midden van de optische lens tot het beeld, wat een object geeft dat zich oneindig ver weg bevindt.
Optische eigenschappen
Of het nu gaat om een eenvoudig bol glas of complexe optische systemen, die een verzameling individuele lenzen zijn, hun optische eigenschappen zijn afhankelijk van twee parameters: de brandpuntsafstand en de relatie tussen de brandpuntsafstand en de diameter van de lens.
De brandpuntsafstand wordt op twee manieren gemeten:
- In eenheden van normale afstand, zoals 10cm, 1m, enzovoort.
- In dioptrieën is dit een waarde die omgekeerd evenredig is met de brandpuntsafstand, gemeten in meters.
Een optisch glas met een sterkte van 1 dioptrie heeft bijvoorbeeld een brandpuntsafstand van 1 m, terwijl een lens met een sterkte van 2 dioptrie een brandpuntsafstand van slechts 0,5 m heeft.
De diameter van een lens en zijn relatie tot de brandpuntsafstand bepa alt het vermogen van optisch glas om licht of de lichtopbrengst ervan te verzamelen.
Eigenschappen van stralen die door de lens gaan
Op scholen in groep 8 is het bouwen van afbeeldingen met dunne lenzen een van de belangrijke onderwerpen in de natuurkunde. Om te leren hoe deze afbeeldingen te bouwen, moet men niet alleen de basisconcepten en -elementen kennen, maar ook de eigenschappen van sommige stralen die door een optisch actief object gaan:
- Elke straal die evenwijdig aan de hoofdas gaat, wordt op zo'n manier gebroken dat hij ofwel door het brandpunt gaat (in het geval van een convergerende lens), of dat zijn denkbeeldige voortzetting door het brandpunt gaat (in het geval van een afwijkende).
- De straal die door het brandpunt gaat, wordt gebroken zodat hij zijn beweging evenwijdig aan de hoofdas voortzet. Merk op dat in het geval van een divergerende lens, deze regel geldig is als de voortzetting van de bundel die erop v alt, door het brandpunt gaat dat zich aan de andere kant van het optische object bevindt.
- Elke lichtstraal die door het midden van de lens gaat, ondervindt geen breking en verandert niet van richting.
Kenmerken van het bouwen van afbeeldingen in dunne lenzen
Hoewel het verzamelen en verstrooien optischglazen hebben vergelijkbare eigenschappen, de constructie van afbeeldingen in elk van hen heeft zijn eigen kenmerken.
Bij het construeren van afbeeldingen is de formule voor de dunne lens:
1/f=1/do+1/di, waarbij do en di de afstand is van het optische centrum tot het object en zijn afbeelding.
Merk op dat de brandpuntsafstand (f) positief is voor convergerende lenzen en negatief voor divergerende lenzen.
De toepassing van de bovenstaande eigenschappen van stralen die door een verzamelend optisch glas gaan, leidt tot de volgende resultaten:
- Als het object zich op een afstand van meer dan 2f bevindt, wordt een echt beeld verkregen, dat kleiner is dan het object. We zien het ondersteboven.
- Een object dat op een afstand van 2f van de lens wordt geplaatst, resulteert in een echt omgekeerd beeld van dezelfde grootte als het object zelf.
- Als het object zich op een afstand van meer dan f bevindt, maar minder dan 2f, dan wordt er een reëel omgekeerd en vergroot beeld van verkregen.
- Als het object zich in het brandpunt bevindt, worden de stralen die door het optische glas gaan evenwijdig, wat betekent dat er geen beeld is.
- Als een object dichterbij is dan één brandpuntsafstand, dan zal het beeld denkbeeldig, direct en groter blijken dan het object zelf.
Omdat de eigenschappen van stralen die door een convergerende en divergerende lens gaan vergelijkbaar zijn, wordt de constructie van afbeeldingen gegeven door een dunne lens van dit type uitgevoerd volgens vergelijkbare regels.
Tekeningenbeeldvorming voor verschillende gelegenheden
In de tekeningen wordt een convergerende lens aangegeven door een lijn aan de uiteinden waarvan er pijlen naar buiten wijzen, en een divergerende lens wordt aangegeven door een lijn met pijlen aan de uiteinden die naar binnen zijn gericht, dat wil zeggen, naar elkaar.
Verschillende varianten van de tekeningen voor het construeren van afbeeldingen in dunne lenzen, die in de vorige paragraaf zijn besproken, worden weergegeven in de onderstaande afbeelding.
Zoals te zien is in de figuur, zijn alle afbeeldingen (voor elk type optisch glas en de locatie van het object ten opzichte van hen) gebouwd op twee balken. De ene is evenwijdig aan de hoofdas gericht en de andere gaat door het optische centrum. Het gebruik van deze bundels is handig omdat hun gedrag na het passeren van de lens bekend is. Merk ook op dat de onderste rand van het object (rode pijl in dit geval) zich op de optische hoofdas bevindt, dus het is voldoende om alleen het beeld van het bovenste punt van het object te bouwen. Als het object (rode pijl) zich willekeurig ten opzichte van het optische glas bevindt, is het noodzakelijk om onafhankelijk een afbeelding te maken van zowel het bovenste als het onderste gedeelte.
Twee balken zijn voldoende om afbeeldingen te maken. Als er onzekerheid bestaat over het resultaat, dan kan dit worden gecontroleerd met behulp van de derde straal. Het moet door de focus worden gericht (vóór de convergerende lens en achter de divergerende lens), en na het passeren door het optische glas en de breking erin, zal de straal evenwijdig zijn aan de optische hoofdas. Als het probleem van het bouwen van een afbeelding in een dunne lens is opgelostrechts, dan gaat het door het punt waar de twee hoofdstralen elkaar kruisen.
Het productieproces van optische objecten
De meeste lenzen zijn gemaakt van speciale soorten glas, optische lenzen genoemd. Er zijn geen interne spanningen, luchtbellen en andere onvolkomenheden in dergelijk glas.
Het proces van het maken van lenzen verloopt in verschillende fasen. Eerst wordt een concaaf of convex object met de gewenste vorm uit een blok optisch glas gesneden met behulp van geschikte metalen gereedschappen. Het wordt vervolgens gepolijst met teer. In de laatste fase wordt het optische glas verkleind met schuurgereedschap, zodat het zwaartepunt precies samenv alt met het optische centrum.
Door de ontwikkeling van technologieën voor het verkrijgen en verwerken van verschillende soorten plastic, worden lenzen nu steeds vaker gemaakt van transparante soorten plastic, die goedkoper, lichter en minder kwetsbaar zijn dan hun glazen tegenhangers.
Toepassingsgebieden
Optische brillen worden gebruikt om verschillende zichtproblemen op te lossen. Hiervoor worden zowel plastic contactlenzen als glazen (met bril) gebruikt.
Bovendien worden optische glazen gebruikt in fotocamera's, microscopen, telescopen en andere optische instrumenten. Ze gebruiken een heel systeem van lenzen. In het geval van de eenvoudigste microscoop, bestaande uit twee optische glazen, vormt de eerste bijvoorbeeld een reëel beeld van het object, ende tweede wordt gebruikt om het beeld te vergroten. Daarom bevindt het tweede glas zich op een geschikte afstand van het eerste, volgens de regels voor het construeren van afbeeldingen in een dunne lens.
