Формула тонкой линзы
Линза преломляет лучи так, что они снова сходятся в точке, образуя изображение. Где образуется изображение, зависит от того, как далеко предмет от линзы и насколько сильно линза преломляет свет — это её фокусное расстояние. Формула тонкой линзы связывает все три расстояния: зная любые два, можно найти третье.
Формула
1/f = 1/dₒ + 1/dᵢ
- f — фокусное расстояние (m): насколько сильно линза преломляет свет — где сходятся параллельные лучи
- dₒ — расстояние до предмета (m): как далеко предмет от линзы
- dᵢ — расстояние до изображения (m): как далеко от линзы образуется изображение
Решённый пример
У собирающей линзы фокусное расстояние 10 cm. Предмет помещён в 30 cm перед ней. Как далеко от линзы образуется изображение?
- f = 10 cm
- dₒ = 30 cm
- 1/dᵢ = 1/f − 1/dₒ
- 1/dᵢ = 1/10 cm − 1/30 cm = 1/15 cm
dᵢ = 15 cm
Проверьте себя
С той же линзой 10 cm предмет передвинут на 20 cm. Как далеко от линзы образуется изображение?
- 10 cm
- Правильный ответ: 20 cm
- 30 cm
Верно! 1/dᵢ = 1/f − 1/dₒ = 1/10 см − 1/20 см = 1/20 см, значит dᵢ = 20 см.
Для исходного примера (dₒ = 30 см, dᵢ = 15 см) чему равно увеличение и что оно говорит об изображении?
- Правильный ответ: m = −0.5 — перевёрнутое и вдвое меньшее
- m = 0.5 — прямое и вдвое меньшее
- m = −2 — перевёрнутое и вдвое большее
Да — m = −dᵢ/dₒ = −15 см / 30 см = −0.5, значит изображение перевёрнуто и составляет половину высоты предмета.
Где вы это видите
Проектор, бросающий на стену резкую картинку, — это и есть это уравнение, работающее прямо на стене: слишком близко или слишком далеко — и изображение размывается, потому что при заданной линзе и заданном расстоянии до экрана фокусировку даёт только одно расстояние до предмета. Ваш собственный глаз выполняет его без остановки — его хрусталик меняет форму, чтобы изображение всего, на что вы смотрите, оставалось в фокусе на сетчатке.
Частые ошибки
Первая ошибка — считать расстояние до изображения свойством одной лишь линзы — оно движется вместе с предметом: при фокусном расстоянии 10 cm предмет на 30 cm даёт изображение на 15 cm, но сдвиньте его до 20 cm, и изображение перейдёт на 20 cm, согласно 1/dᵢ = 1/f − 1/dₒ. Вторая — небрежное чтение увеличения: m = −dᵢ/dₒ = −15/30 = −0.5 несёт в одном числе два факта — минус говорит, что изображение перевёрнутое, а 0.5 — что оно вдвое меньше.
Как это связано
Линза — это преломление, поставленное на службу: две изогнутые поверхности, каждая из которых изламывает лучи по закону Снелла, и форма подобрана так, чтобы все изломы сходились вместе — и то, где они сойдутся, предсказывает именно это уравнение. Уравнение зеркала, идущее следом, оказывается точно такой же алгеброй, только отражение сидит на месте преломления — одна из приятных неожиданностей модуля.
Попробовать интерактивную симуляцию
- Собирающая линза — действительное изображение
- Фокус — параллельные лучи
- Лупа (предмет внутри f)
- Рассеивающая линза — мнимое изображение
- Две линзы (оборачивающая система)
- Микроскоп (угловое увеличение)
- Фотоувеличитель (две линзы)
- Линза из радиусов (формула линзы)
- Нормальный глаз
- Близорукость (миопия)
- Близорукость с коррекцией
- Дальнозоркость (гиперметропия)
- Дальнозоркость с коррекцией
- Лупа (угловое увеличение)
- Астрономический телескоп
- Микроскоп (угловое увеличение)