Message sur les lentilles. Qu'est-ce qu'une lentille ? Puissance de l'objectif

Objectifs simples Il en existe deux types différents : positifs et négatifs. Ces deux types sont également appelés convergents et divergents car les lentilles positives collectent la lumière et forment une image de la source, tandis que les lentilles négatives diffusent la lumière.

Caractéristiques des lentilles simples

Selon les formulaires, il existe collecte(positif) et diffusion lentilles (négatives). Le groupe des lentilles collectrices comprend généralement des lentilles dont le milieu est plus épais que leurs bords, et le groupe des lentilles divergentes comprend des lentilles dont les bords sont plus épais que le milieu. Il convient de noter que cela n'est vrai que si l'indice de réfraction du matériau de la lentille est supérieur à celui du milieu environnant. Si l’indice de réfraction de la lentille est inférieur, la situation sera inversée. Par exemple, une bulle d’air dans l’eau est une lentille divergente biconvexe.

Les lentilles sont généralement caractérisées par leur puissance optique (mesurée en dioptries) ou leur distance focale.

Pour construire des dispositifs optiques avec une aberration optique corrigée (principalement chromatique, causée par la dispersion de la lumière - achromates et apochromates), d'autres propriétés des lentilles et de leurs matériaux sont également importantes, par exemple l'indice de réfraction, le coefficient de dispersion, la transmission du matériau dans l'optique sélectionnée. gamme.

Parfois, les lentilles/systèmes optiques à lentilles (réfracteurs) sont spécialement conçus pour être utilisés dans des environnements avec un indice de réfraction relativement élevé (voir microscope à immersion, liquides d'immersion).

Types de lentilles : Collecte: 1 - biconvexe 2 - plan-convexe 3 - concave-convexe (ménisque positif (convexe)) Diffusion: 4 - biconcave 5 - plat-concave 6 - convexe-concave (ménisque négatif (concave))

Utiliser une lentille pour modifier la forme du front d’onde. Ici, un front d'onde plan devient sphérique lorsqu'il traverse la lentille

Une lentille convexe-concave est appelée ménisque et peut être collectif (s'épaissit vers le milieu), diffus (s'épaissit vers les bords) ou télescopique (la focale est l'infini). Ainsi, par exemple, les verres des lunettes pour la myopie sont généralement des ménisques négatifs.

Contrairement à une idée reçue, la puissance optique d'un ménisque à rayons égaux n'est pas nulle, mais positive, et dépend de l'indice de réfraction du verre et de l'épaisseur de la lentille. Un ménisque dont les centres de courbure des surfaces sont situés en un point est appelé lentille concentrique (la puissance optique est toujours négative).

Une propriété distinctive d'une lentille collectrice est la capacité de collecter les rayons incidents sur sa surface en un point situé de l'autre côté de la lentille.

Les principaux éléments de la lentille : NN - axe optique - une ligne droite passant par les centres des surfaces sphériques délimitant la lentille ; O - centre optique - le point qui, pour les lentilles biconvexes ou biconcaves (avec les mêmes rayons de surface), est situé sur l'axe optique à l'intérieur de la lentille (en son centre). Note. Le trajet des rayons est représenté comme dans une lentille idéalisée (mince), sans indiquer la réfraction à l'interface réelle entre les milieux. De plus, une image quelque peu exagérée d'une lentille biconvexe est affichée

Si un point lumineux S est placé à une certaine distance devant la lentille collectrice, alors un rayon de lumière dirigé le long de l'axe traversera la lentille sans être réfracté, et les rayons ne passant pas par le centre seront réfractés vers l'axe optique. et se croisent dessus en un point F, qui et sera l'image du point S. Ce point est appelé le foyer conjugué, ou simplement se concentrer.

Si la lumière tombe sur la lentille à partir d'une source très éloignée, dont les rayons peuvent être représentés comme venant dans un faisceau parallèle, alors en sortant, les rayons se réfracteront selon un angle plus grand et le point F se déplacera sur l'axe optique plus près du lentille. Dans ces conditions, le point d'intersection des rayons sortant de la lentille est appelé se concentrer F’, et la distance entre le centre de l’objectif et le foyer est la distance focale.

Les rayons incidents sur une lentille divergente seront réfractés vers les bords de la lentille à sa sortie, c'est-à-dire diffusés. Si ces rayons se poursuivent dans la direction opposée comme le montre la figure en pointillé, alors ils convergeront en un point F, qui sera se concentrer cet objectif. Cette astuce va imaginaire.

Foyer imaginaire d'une lentille divergente

Ce qui a été dit à propos de la focalisation sur l'axe optique s'applique également aux cas où l'image d'un point se trouve sur une ligne inclinée passant par le centre de la lentille selon un angle par rapport à l'axe optique. Le plan perpendiculaire à l'axe optique, situé au foyer de la lentille, est appelé plan focal.

Les lentilles collectives peuvent être dirigées vers un objet de chaque côté, ce qui permet de collecter les rayons traversant la lentille à la fois d'un côté et de l'autre. Ainsi, l'objectif a deux foyers - devant Et arrière. Ils sont situés sur l'axe optique des deux côtés de la lentille à la distance focale des points principaux de la lentille.

a) Types de lentilles.

Les lentilles optiques plus épaisses au milieu qu’au bord sont appelées lentilles convergentes ; au contraire, si le bord est plus épais que le milieu, alors les lentilles agissent comme

diffusion. Par forme coupe transversale distinguer : lentilles collectrices biconvexes, plano-convexes, concaves-convexes ; Lentilles divergentes biconcave, plate-concave, convexe-concave.

Les lentilles minces, en première approximation, peuvent être considérées comme deux prismes minces pliés (Fig. 217, 218). Le parcours des rayons peut être retracé sur la rondelle Hartl.

Lentille convergente concentre les rayons parallèles en un point derrière la lentille, au foyer (Fig. 219)

lentille divergente transforme un faisceau de rayons parallèle en un faisceau divergent qui semble devenir flou (Fig. 220).

Il existe des objets capables de modifier la densité du flux tombant sur eux rayonnement électromagnétique, c'est-à-dire soit l'augmenter en le collectant en un point, soit le réduire en le dispersant. Ces objets sont appelés lentilles en physique. Examinons cette question de plus près.

Que sont les lentilles en physique ?

Ce concept désigne absolument tout objet capable de changer la direction de propagation du rayonnement électromagnétique. Ce définition générale lentilles en physique, qui comprennent les lunettes optiques, les lentilles magnétiques et gravitationnelles.

Dans cet article, l’attention principale sera portée aux lunettes optiques, qui sont des objets constitués d’un matériau transparent et limités à deux surfaces. L'une de ces surfaces doit nécessairement avoir une courbure (c'est-à-dire faire partie d'une sphère de rayon fini), en sinon l'objet n'aura pas la propriété de changer la direction de propagation des rayons lumineux.

Principe de fonctionnement de l'objectif

L'essence du fonctionnement de cet objet optique simple réside dans le phénomène de réfraction rayons du soleil. Au début du XVIIe siècle, le célèbre physicien et astronome néerlandais Willebrord Snell van Rooyen publia la loi de la réfraction, qui porte aujourd'hui son nom. Le libellé de cette loi est le suivant : lorsque soleil traverse l'interface entre deux milieux optiquement transparents, alors le produit du sinus entre le faisceau et la normale à la surface et l'indice de réfraction du milieu dans lequel il se propage est une valeur constante.

Pour expliquer ce qui précède, donnons un exemple : laissez la lumière tomber sur la surface de l’eau, et l’angle entre la normale à la surface et le faisceau est égal à θ 1. Ensuite, le faisceau lumineux est réfracté et commence sa propagation dans l'eau selon un angle θ 2 par rapport à la normale à la surface. D'après la loi de Snell, on obtient : sin(θ 1)*n 1 = sin(θ 2)*n 2, ici n 1 et n 2 sont les indices de réfraction de l'air et de l'eau, respectivement. Qu'est-ce que l'indice de réfraction ? Il s'agit d'une valeur indiquant combien de fois la vitesse de propagation des ondes électromagnétiques dans le vide est supérieure à celle des ondes optiques. environnement transparent, c'est-à-dire n = c/v, où c et v sont respectivement la vitesse de la lumière dans le vide et dans un milieu.

La physique de la réfraction réside dans la réalisation du principe de Fermat selon lequel la lumière se déplace de telle manière que le moins de temps surmonter la distance d'un point à un autre dans l'espace.

L'apparence d'une lentille optique en physique est déterminée uniquement par la forme des surfaces qui la forment. De cette forme dépend la direction de réfraction du faisceau incident. Ainsi, si la courbure de la surface est positive (convexe), alors à la sortie de la lentille, le faisceau lumineux se propagera plus près de son axe optique (voir ci-dessous). Au contraire, si la courbure de la surface est négative (concave), alors après avoir traversé le verre optique, le faisceau commencera à s'éloigner de son axe central.

Notons encore une fois qu'une surface de n'importe quelle courbure réfracte les rayons de manière égale (selon la loi de Stell), mais leurs normales ont des inclinaisons différentes par rapport à l'axe optique, le résultat est comportement différent rayon réfracté.

Une lentille délimitée par deux surfaces convexes est appelée lentille convergente. À son tour, s’il est formé de deux surfaces à courbure négative, on parle alors de diffusion. Tous les autres types sont associés à une combinaison des surfaces spécifiées, à laquelle un plan est également ajouté. La propriété qu'aura la lentille combinée (divergente ou convergente) dépend de la courbure totale des rayons de ses surfaces.

Éléments de lentille et propriétés des rayons

Pour construire des images dans des lentilles en physique, il faut se familiariser avec les éléments de cet objet. Ils sont donnés ci-dessous :

• Axe optique principal et centre. Dans le premier cas, il s'agit d'une droite passant perpendiculairement à la lentille par son centre optique. Ce dernier, à son tour, est un point à l’intérieur de la lentille, traversé par lequel le faisceau ne subit pas de réfraction.
• Distance focale et mise au point - la distance entre le centre et le point sur l'axe optique dans lequel sont collectés tous les rayons incidents sur la lentille parallèlement à cet axe. Cette définition est vraie pour la collection de lunettes optiques. Dans le cas de lentilles divergentes, ce ne sont pas les rayons eux-mêmes qui seront rassemblés en un point, mais leur prolongement imaginaire. Ce point est appelé le focus principal.
• Puissance optique. C'est le nom de l'inverse de la distance focale, c'est-à-dire D = 1/f. Elle se mesure en dioptries (doptères), soit 1 dioptrie. = 1 m -1 .

Voici les principales propriétés des rayons qui traversent une lentille :

• le faisceau traversant le centre optique ne change pas la direction de son mouvement ;
• les rayons incidents parallèlement à l'axe optique principal changent de direction pour traverser le foyer principal ;
• Les rayons incidents sur le verre optique sous n'importe quel angle, mais passant par son foyer, changent de direction de propagation de telle manière qu'ils deviennent parallèles à l'axe optique principal.

Les propriétés ci-dessus des rayons pour lentilles fines en physique (c'est ainsi qu'on les appelle car peu importe de quelles sphères elles sont formées ou leur épaisseur, seules les propriétés optiques de la matière de l'objet) sont utilisées pour y construire des images.

Images dans des lunettes optiques : comment construire ?

Vous trouverez ci-dessous une figure qui montre en détail les schémas de construction d'images dans les lentilles convexes et concaves d'un objet (flèche rouge) en fonction de sa position.

De l’analyse des circuits de la figure, des conclusions importantes découlent :

• Toute image est construite sur seulement 2 rayons (passant par le centre et parallèles à l'axe optique principal).
• Les lentilles convergentes (indiquées par des flèches aux extrémités pointant vers l'extérieur) peuvent produire une image agrandie ou réduite, qui à son tour peut être réelle (réelle) ou virtuelle.
• Si un objet est mis au point, alors l'objectif ne forme pas son image (voir le schéma inférieur à gauche sur la figure).
• Les lunettes optiques diffusantes (indiquées par des flèches à leurs extrémités dirigées vers l'intérieur) donnent toujours une image réduite et virtuelle, quelle que soit la position de l'objet.

Trouver la distance à une image

Pour déterminer à quelle distance l'image apparaîtra, connaissant la position de l'objet lui-même, nous présentons la formule de la lentille en physique : 1/f = 1/d o + 1/d i, où d o et d i sont la distance à l'objet et à son image depuis le centre optique, respectivement, f - foyer principal. Si nous parlons de concernant la collecte de verre optique, alors le nombre f sera positif. Au contraire, pour une lentille divergente, f est négatif.

Utilisons cette formule et résolvons tâche simple: que l'objet soit à une distance d o = 2*f du centre du verre optique collecteur. Où apparaîtra son image ?

À partir des conditions du problème, nous avons : 1/f = 1/(2*f)+1/d i . De : 1/d i = 1/f - 1/(2*f) = 1/(2*f), c'est-à-dire d i = 2*f. Ainsi, l'image apparaîtra à une distance de deux foyers de l'objectif, mais de l'autre côté que l'objet lui-même (ceci est indiqué par signe positif valeurs d i).

Bref historique

Il est intéressant de donner l’étymologie du mot « lentille ». Il provient de Mots latins lens et lentis, qui signifie « lentilles » parce que objets optiques par leur forme, ils ressemblent vraiment au fruit de cette plante.

La capacité de réfraction des corps transparents sphériques était connue des anciens Romains. Pour cela, ils utilisaient des récipients ronds en verre remplis d’eau. Eux-mêmes lentilles en verre Ils n'ont commencé à être fabriqués qu'au XIIIe siècle en Europe. Ils ont été utilisés comme outil de lecture ( lunettes modernes ou loupe).

L'utilisation active d'objets optiques dans la fabrication de télescopes et de microscopes remonte au XVIIe siècle (Galilée a inventé le premier télescope au début de ce siècle). A noter que la formulation mathématique de la loi de réfraction de Stell, sans la connaissance de laquelle il est impossible de produire des lentilles ayant des propriétés données, a été publiée par un scientifique néerlandais au début du même XVIIe siècle.

Autres types de lentilles

Comme indiqué ci-dessus, en plus des objets optiques réfringents, il existe également des objets magnétiques et gravitationnels. Un exemple des premiers sont les lentilles magnétiques dans microscope électronique, exemple brillant La seconde consiste à fausser la direction du flux lumineux lorsqu'il passe à proximité de corps cosmiques massifs (étoiles, planètes).

Lentilles. Instruments optiques

Lentille appelé corps transparent délimité par deux surfaces courbes.

L'objectif s'appelle mince, si son épaisseur est nettement inférieure aux rayons de courbure de ses surfaces.

La ligne droite passant par les centres de courbure des surfaces des lentilles est appelée ligne principale. axe optique lentilles. Si l'une des surfaces de la lentille est un plan, alors l'axe optique lui est perpendiculaire (Fig. 1).

Figure 1.

Le point d'une lentille mince à travers lequel les rayons passent sans changer de direction s'appelle centre optique lentilles. L'axe optique principal passe par le centre optique.

Toute autre ligne droite passant par le centre optique de la lentille est appelée axe secondaire lentilles. Le point auquel convergent les rayons lumineux se propageant parallèlement à l’axe optique principal est appelé se concentrer.

Le plan passant par le foyer perpendiculaire à l'axe optique principal est appelé plan focal.

Formule de lentille fine (Fig. 2) :

Dans la formule (1) les quantités un 1 , un 2 , r 1 et r 2 sont considérés comme positifs si leurs directions de comptage à partir du centre optique de la lentille coïncident avec la direction de propagation de la lumière ; sinon, ces valeurs sont considérées comme négatives.

Les lentilles sont l'élément principal de nombreux appareils optiques.

L’œil, par exemple, est un appareil optique dans lequel la cornée et le cristallin agissent comme des lentilles et l’image d’un objet est obtenue sur la rétine.

Angle de vision appelé l'angle formé par les rayons qui passent de points extrêmes un objet ou son image à travers le centre optique du cristallin.

Beaucoup instruments optiques conçu pour obtenir des images d'objets sur des écrans, sur des films photosensibles ou dans l'œil.

Grossissement apparent du dispositif optique :

La lentille d'un instrument optique qui fait face à l'objet (objet) est appelée lentille d'objectif ; la lentille faisant face à l’œil s’appelle l’oculaire. Dans les instruments techniques, la lentille et l'oculaire sont constitués de plusieurs lentilles. Cela élimine partiellement les erreurs dans les images.

Loupe (Fig. 3) :

L’inverse de la distance focale s’appelle puissance optique lentilles : DANS = 1/f. L'unité de puissance optique d'une lentille est la dioptrie ( D), égale à la puissance optique d'un objectif de distance focale de 1 m.

La puissance optique de deux lentilles minces placées ensemble est égale à la somme de leurs puissances optiques.

Nous savons que la lumière, passant d'un milieu transparent à un autre, est réfractée - ceci phénomène de réfraction de la lumière. De plus, l’angle de réfraction est inférieur à l’angle d’incidence lorsque la lumière pénètre dans un milieu optique plus dense. Qu’est-ce que cela signifie et comment peut-il être utilisé ?

Si nous prenons par exemple un morceau de verre aux bords parallèles, verre à vitre, on obtient alors un léger décalage dans l'image visible à travers la fenêtre. C'est-à-dire qu'en entrant dans le verre, les rayons de lumière seront réfractés et, en entrant à nouveau dans l'air, ils se réfracteront à nouveau aux valeurs précédentes de l'angle d'incidence, mais en même temps ils se déplaceront légèrement, et l'ampleur du déplacement dépendra de l'épaisseur du verre.

Évidemment, d'un tel phénomène avantage pratique Un peu. Mais si nous prenons du verre dont les plans sont inclinés les uns par rapport aux autres, par exemple un prisme, alors l'effet sera complètement différent. Les rayons traversant un prisme sont toujours réfractés vers sa base. C'est facile à vérifier.

Pour ce faire, dessinez un triangle et tracez un rayon entrant dans l'un de ses côtés. En utilisant la loi de la réfraction de la lumière, nous traçons chemin supplémentaire faisceau. Après avoir effectué cette procédure plusieurs fois sous différentes significations angle d'incidence, nous découvrirons que quel que soit l'angle sous lequel le faisceau entre dans le prisme, compte tenu de la double réfraction en sortie, il s'écartera toujours vers la base du prisme.

Lentille et ses propriétés

Cette propriété du prisme est utilisée très appareil simple, vous permettant de contrôler la direction des flux lumineux - la lentille. Une lentille est un corps transparent délimité des deux côtés par des surfaces incurvées du corps. Ils examinent la structure et le principe de fonctionnement des lentilles dans un cours de physique de huitième année.

En fait, une section transversale d’une lentille peut être représentée par deux prismes placés l’un sur l’autre. L'effet optique de la lentille dépend des parties de ces prismes qui sont situées les unes par rapport aux autres.

Types de lentilles en physique

Malgré l'énorme diversité, il n'existe que deux types de lentilles en physique : respectivement convexes et concaves, ou convergentes et divergentes.

Une lentille convexe, c’est-à-dire une lentille convergente, a des bords beaucoup plus fins que le milieu. Une lentille convergente en section est constituée de deux prismes reliés par des bases, de sorte que tous les rayons qui la traversent convergent vers le centre de la lentille.

U lentille concave les bords, au contraire, sont toujours plus épais que le milieu. Une lentille divergente peut être représentée par deux prismes reliés par leurs sommets et, par conséquent, les rayons traversant une telle lentille divergent du centre.

Les gens ont découvert les propriétés similaires des lentilles il y a longtemps. L'utilisation de lentilles a permis à l'homme de concevoir une grande variété d'instruments et de dispositifs optiques qui facilitent la vie et facilitent la vie quotidienne et la production.