Линза. Виды линз
Как вы уже знаете, законы преломления и отражения определяют поведение луча при его падении на границу раздела двух прозрачных сред. При этом граница раздела считалась плоской. Однако в жизни нам чаще приходится сталкиваться с криволинейными поверхностями. Одним из представителей таких границ является сфера.
Такой поверхностью, даже двумя, обладает линза. Она представляет собой один из самых важных оптических приборов.
Линзу можно представить как фигуру, образованную пересечением двух сфер. У некоторых линз одна из боковых поверхностей плоская. Эту поверхность можно представить как сферу с бесконечно большим радиусом. Конечно же, две сферы могут пересекаться различным способом (рис. 1).
Рис. 1. Способы пересечения двух сфер.
Пересекая две сферы, можно вывести все виды линз (рис. 2).
Рис. 2. Виды линз. Собирающие: 1. Двояковыпуклая; 2. Плоско-выпуклая; 3. Вогнуто-выпуклая. Рассеивающие: 4. Двояковогнутая; 5. Плоско-вогнутая; 6. Выпукло-вогнутая.
Двояковыпуклая линза
Для первоначального изучения особенности прохождения света через линзы нам будет достаточно рассмотреть первый тип. Рассмотрим двояковыпуклую линзу, ограниченную двумя сферическими преломляющими поверхностями. Эти поверхности обозначим, как 
и 
. Центр первой сферы лежит в точке 
, второй – в точке 
(рис. 3).
На рисунке для ясности изображена линза с видимой толщиной. В действительности мы будем предполагать, что все рассматриваемые линзы очень тонкие.
Рис. 3-4. Двояковыпуклая линза
В таком случае точки 
и 
можно считать практически совпадающими и обозначить одной точкой 
. Точка называется оптическим центром линзы. Всякая прямая, проходящая через оптический центр линзы, называется оптической осью линзы. Та из осей, которая проходит через центры обеих преломляющих поверхностей, называется главной оптической осью. Все остальные – побочные оптические оси.
Луч, идущий по какой-либо из оптических осей, проходя через линзу, практически не меняет своего направления. Действительно, для лучей, идущих вдоль оптической оси, участки обеих поверхностей линзы можно считать параллельными, ведь толщину линзы мы считаем малой (рис. 5).
Рис. 5. Элементы линзы
Преломления светового луча
При прохождении луча через плоскопараллельную пластинку световой луч претерпевает лишь параллельное смещение. Но смещением луча в очень тонкой пластинке можно пренебречь.
Если на линзу падает луч, не совпадающий ни с одной оптической осью, то он испытывает двойное преломление. Сначала на первой поверхности, ограничивающей линзу, а затем на второй, при этом луч отклоняется от своего первоначального направления.
Если через линзу пропустить пучок лучей, параллельных главной оптической оси и находящихся от нее на малом расстоянии, то после преломления все лучи пучка соберутся в одной точке, ее называют главным фокусом линзы (рис. 6).
Рис. 6. Главный фокус линзы
Благодаря описанному свойству двояковыпуклую линзу, если она изготовлена из материала с относительным показателем преломления большим единицы, называют собирающей.
Таким образом, мы можем выделить два утверждения касательно собирающей линзы.
- Луч, идущий вдоль одной из оптических осей собирающей линзы, при прохождении через нее не меняет своего направления.
- Луч, который идет параллельно главной оптической оси и на небольшом расстоянии от нее, после преломления проходит через главный фокус линзы.
Теперь сделанные утверждения нужно дополнить выводом о том, как будет вести себя луч, который не проходит через оптический центр и не параллелен главной оптической оси. Для этого введем следующее определение.
Фокальная плоскость линзы: побочные фокусы линзы
Фокальной плоскостью линзы называется плоскость, которая проходит через главный фокус и перпендикулярна главной оптической оси линзы. Все точки этой плоскости, за исключением главного фокуса, называют побочными фокусами линзы.
Для чего нам нужна данная плоскость? Оказывается, если на линзу падает пучок света параллельный побочной оси, то после преломления в линзе этот лучок соберется в одном из побочных фокусов линзы.
Фокусы линзы, фокусные расстояния линзы, его зависимость от свойств линзы, формула шлифовщика
Тогда возникает вопрос: как же найти побочный фокус, в котором соберется этот пучок (рис. 7)?
Рис. 7. Нахождение побочного фокуса
На рисунке показан этот побочный фокус, он является пересечением побочной оптической оси, параллельной лучам пучка, с фокальной плоскостью. Попробуем обосновать, почему именно таким способом лучи преломляются в линзе (конкретно в двояковыпуклой).
Данную линзу можно представить как совокупность призм, склеенных в одно целое. Мы знаем, что всякая прима, относительный показатель преломления которой больше единицы, отклоняет луч в сторону своего основания. Поскольку мы имеем дело с набором линз, преломляющие углы которых монотонно уменьшаются при удалении от главной оптической оси, то и углы, на которые эти призмы преломляют лучи параллельного пучка, будут различными.
Чем дальше луч расположен от главной оптической оси, тем больше угол его отклонения. В конечном итоге все лучи попадают в фокус (рис. 8).
Рис. 8. Преломление пучка света
Мы предполагали, что пучок лучей падает на линзу слева направо, но ничего не изменится, если на линзу направить идентичный пучок лучей справа налево. Этот пучок лучей, направленный параллельно главной оптической оси, вновь соберется в одной точке 
во втором фокусе линзы, на некотором расстоянии от ее оптического центра.
Фокус обычно называют передним фокусом, а 
– задним фокусом линзы. Соответственно, расстояние до называют передним фокусным расстоянием, а до – задним фокусным расстоянием.
Рассмотрим, от чего может зависеть фокусное расстояние линзы. Совершенно ясно, что если любой луч, идущий параллельно главной оптической оси, попадает в главный фокус, то фокусное расстояние не зависит от параметров луча. Более общим утверждением будет такое: фокусное расстояние вообще не зависит от параметров источника света, но с той оговоркой, что мы рассматриваем лучи, близкие к главной оптической оси. От чего же тогда может зависеть фокусное расстояние? Во-первых, от материала, из которого изготовлена линза, во-вторых, оно зависит от кривизны поверхностей, ограничивающих линзу. Выражение, определяющее такую зависимость, называется формулой шлифовщика:
– относительный показатель преломления
, 
– радиусы боковых поверхностей линзы
Еще одной важной характеристикой линзы является ее оптическая сила 
.
= дптр = 
Понятно, что чем больше фокусное расстояние, тем оптическая сила меньше.
Построение изображения, даваемого двояковыпуклой линзой
Теперь рассмотрим вопрос практического использования линзы. В первую очередь, для этого нам нужно изобрести алгоритмы, которые позволяют нам строить изображения, даваемые двояковыпуклой линзой.
Для начала введем обозначения, тонкую двояко-выпуклую линзу будем изображать отрезком со стрелочками, главная оптическая ось перпендикулярна линзе и проходит через ее оптический центр 
, главные фокусы линзы находятся на одинаковом расстоянии от оптического центра, по обе стороны. Фокусное расстояние, как и саму точку фокуса, обозначим . Предмет, изображение которого нам нужно получить, обозначим стрелочкой. (Пока рассмотрим случай, когда предмет расположен перпендикулярно главной оптической оси.)
Для получения изображения предмета нам достаточно построить изображения концов отрезка, более того, если один из концов отрезка лежит на главной оптической оси, то достаточно построить лишь изображение второго конца отрезка, который не принадлежит оси, затем опустить перпендикуляр на главную оптическую ось и получить изображение всего предмета.
Для этого, как уже говорилось, проведем два луча из верхнего конца предмета, найдем точку пересечения этих лучей после преломления в линзе. В качестве первого луча возьмем тот, что проходит через оптический центр, он не преломляется, а в качестве второго – луч, идущий параллельно главной оптической оси. Второй луч после преломления идет в фокус.
Получаем изображение точки, опускаем перпендикуляр на ось, соединяем полученные точки и получаем изображение предмета (рис. 9).
Рис. 9. Построение изображения предмета
Формула тонкой линзы
Обозначим через 
расстояние от предмета до линзы и 
от изображения до линзы. Отношение высоты изображения (
) к высоте предмета (
), назовем увеличением линзы и обозначим через 
гамма. Тогда можно вывести такую формулу:
Предмет обозначим 
, изображение – 
. Рассмотрим две пары подобных треугольников 
(рис. 10), и из этого можно вывести еще одну формулу:
Рис. 10. Геометрическая задача по нахождению изображения
Также из подобия треугольников 
и 
следует, что:
Теперь мы можем приравнять полученные равенства, производим несложные арифметические вычисления и получаем конечную формулу:
Двояковогнутая линза
Двояковогнутую линзу, изготовленную из материала с коэффициентом преломления большим 1, называют рассеивающей. Такое название обусловлено тем, что лучи, идущие до преломления в линзе параллельно ее главной оптической оси, после преломления отклоняются от своего направлению в сторону от главной оптической оси, в отличие от собирающей линзы. Все утверждения о ходе лучей в рассевающей линзе являются аналогами для соответствующих утверждений в собирательной линзе с той лишь разницей, что теперь говорить стоит не о ходе самих лучей, а об их продолжениях (рис. 11).
Рис. 11.
1. Луч, проходящий через оптический центр, не преломляется
2. Луч, параллельный главной оптической оси, после преломления идет так, что его продолжение проходит через главный фокус
Луч, параллельный побочной оптической оси, после преломления идет так, что его продолжение проходит через побочный фокус, который является точкой пересечения побочной оптической оси параллельной лучу с фокальной плоскостью (рис. 12).
Рис. 12. Преломление луча, идущего параллельно побочной оси
Формула тонкой рассевающей линзы будет иметь вид:
Полученная формула является формулой тонкой линзы, как мы видим, она связывает три величины: расстояние от предмета до линзы, расстояние от изображения до линзы и фокусное расстояние линзы. Зная два из выше приведенных параметров, мы с легкостью можем найти третий.
Важно отметить, что в задачах лишь два из этих параметров могут менять свое значение, а именно расстояние от предмета до линзы и расстояние до изображения.
Пример решения задачи
Задача № 1: определить увеличение, даваемое линзой, фокусное расстояние которой равно 0,26 м, если предмет отстоит от нее на расстоянии 30 см.
Решение: используем выведенные формулы.
, 
, 
Таким образом, нам не хватает лишь расстояния до предмета. Воспользовавшись формулой тонкой линзы, найдем это расстояние:
Ответ: 6,5.
Фокусное расстояние линзы, как мы знаем, не зависит от положения предмета и от положения изображения, а определяется только лишь параметрами самой линзы. Об этом мы уже говорили, когда ознакомились с формулой шлифовщика.
Также важно отметить, что в формулу не входит размер предмета и размер изображения. И тут важно сделать еще один вывод: вышеприведенная картинка не изменится, если изображение и предмет поменять местами. Это обусловлено принципом обратимости световых лучей, о котором говорилось на прошлых уроках.
Опыт Ньютона
До второй половины XVII века не было полной ясности, что же такое цвет. Некоторые ученые говорили, что это свойство самого тела, некоторые заявляли, что это различные сочетания светлого и темного, тем самым путая понятия цвета и освещенности. Такой цветовой хаос царил до того времени, пока Исаак Ньютон не провел опыт по пропусканию света сквозь призму (рис. 1).
Рис. 1. Ход лучей в призме (Источник)
Вспомним, что луч, проходящий через призму, терпит преломление при переходе из воздуха в стекло и потом еще одно преломление – из стекла в воздух. Траектория луча описывается законом преломления, а степень отклонения характеризуется показателем преломления. Формулы, описывающие эти явления:
= n; 
; 
= 
Рис. 2. Опыт Ньютона (Источник)
В темной комнате сквозь ставни проникает узкий пучок солнечного света, на его пути Ньютон разместил стеклянную трехгранную призму. Пучок света, проходя через призму, преломлялся в ней, и на экране, стоявшем за призмой, появлялась разноцветная полоса, которую Ньютон назвал спектром (от латинского «spectrum» – «видение»). Белый цвет превратился сразу во все цвета (рис. 2). Какие же выводы сделал Ньютон?
- Свет имеет сложную структуру (говоря современным языком – белый свет содержит электромагнитные волны разных частот).
- Свет различного цвета отличается степенью преломляемости (характеризуется разными показателями преломления в данной среде).
- Скорость света зависит от среды.
Эти выводы Ньютон изложил в своем знаменитом трактате «Оптика». Какова же причина такого разложения света в спектр?
Дисперсия света
Как показывал опыт Ньютона, слабее всего преломлялся красный цвет, а сильнее всего – фиолетовый. Вспомним, что степень преломления световых лучей характеризует показатель преломления n. Красный цвет от фиолетового отличается частотой, у красного частота меньше, чем у фиолетового. Раз показатель преломления становится все больше при переходе от красного конца спектра к фиолетовому, можно сделать вывод: показатель преломления стекла увеличивается с возрастанием частоты света. В этом и состоит суть явления дисперсии.
Вспомним, как показатель преломления связан со скоростью света:
n = 
=> n ~ 
n ~ ν; V ~ 
=> ν =
n – показатель преломления
С – скорость света в вакууме
V – скорость света в среде
ν – частота света
Значит, чем больше частота света, тем с меньшей скоростью свет распространяется в стекле, таким образом, наибольшую скорость внутри стеклянной призмы имеет красный цвет, а наименьшую скорость – фиолетовый.
Различие скоростей света для разных цветов осуществляется только при наличии среды, естественно, в вакууме любой луч света любого цвета распространяется с одной и той же скоростью 
м/с. Таким образом мы выяснили, что причиной разложения белого цвета в спектр является явление дисперсии.
Дисперсия – зависимость скорости распространения света в среде от его частоты.
Открытое и исследованное Ньютоном явление дисперсии ждало своего объяснения более 200 лет, лишь в XIX веке голландским ученым Лоренсом была предложена классическая теория дисперсии.
Причина этого явления – во взаимодействии внешнего электромагнитного излучения, то есть света со средой: чем больше частота этого излучения, тем сильнее взаимодействие, а значит, тем сильнее будет отклоняться луч.
Дисперсия, о которой мы говорили, называется нормальной, то есть показатель частоты растет, если частота электромагнитного излучения растет.
В некоторых редко встречающихся средах возможна аномальная дисперсия, то есть показатель преломления среды растет, если частота падает.
Цвет
Мы увидели, что каждому цвету соответствует определенная длина волны и частота. Волна, соответствующая одному и тому же цвету, в разных средах имеет одну и ту же частоту, но разные длины волн. Чаще всего, говоря о длине волны, соответствующей определенному цвету, имеют в виду длину волны в вакууме или воздухе. Свет, соответствующий каждому цвету, является монохроматическим. «Моно» – один, «хромос» – цвет.
Рис. 3. Расположение цветов в спектре по длинам волн в воздухе (Источник)
Самый длинноволновый – это красный цвет (длина волны – от 620 до 760 нм), самый коротковолновый – фиолетовый (от 380 до 450 нм) и соответствующие частоты (рис. 3). Как видите, белого цвета в таблице нет, белый цвет – это совокупность всех цветов, этому цвету не соответствует какая-то строго определенная длина волны.
Чем же объясняются цвета тел, которые нас окружают? Объясняются они способностью тела отражать, то есть рассеивать падающее на него излучение. Например, на какое-то тело падает белый цвет, который является совокупностью всех цветов, но это тело лучше всего отражает красный цвет, а остальные цвета поглощает, то оно нам будет казаться именно красного цвета. Тело, которое лучше всего отражает синий цвет, будет казаться синего цвета и так далее. Если же тело отражает все цвета, оно в итоге будет казаться белым.
Именно дисперсией света, то есть зависимостью показателя преломления от частоты волны, объясняется прекрасное явление природы – радуга (рис. 4).
Рис. 4. Явление радуги (Источник)
Радуга возникает из-за того, что солнечный свет преломляется и отражается капельками воды, дождя или тумана, парящими в атмосфере. Эти капельки по-разному отклоняют свет разных цветов, в результате белый цвет разлагается в спектр, то есть происходит дисперсия, наблюдатель, который стоит спиной к источнику света, видит разноцветное свечение, которое исходит из пространства по концентрическим дугам.
Также дисперсией объясняется и замечательная игра цвета на гранях драгоценных камней.
Итоги
- Явление дисперсии – это разложение света в спектр, обусловленное зависимостью показателя преломления от частоты электромагнитного излучения, то есть частоты света.
- Цвет тела определяется способностью тела отражать или рассеивать ту или иную частоту электромагнитного излучения.
