Формула зеркала

Найдем связь между оптической характеристикой и расстояниями, определяющими положение предмета и его изображения.

Пусть предметом служит некоторая точка А, располагающаяся на оптической оси. Используя законы отражения света, построим изображение этой точки (рис. 2.13).

Рис.2.13

Обозначим расстояние от предмета до полюса зеркала (АО), а от полюса до изображения(ОА).

Рассмотрим треугольник АРС, получаем, что

Из треугольника АРА, получаем, что. Исключим из этих выражений угол, так как единственный который не опирается на ОР.

,или

(2.3)

Углы ,,опираются на ОР. Пусть рассматриваемые пучки параксиальны, тогда эти углы малы и, следовательно, их значения в радианной мере равно тангенсу этих углов:

;;, гдеR=OC, является радиусом кривизны зеркала.

Подставим полученные выражения в уравнение (2.3)

Так как мы ранее выяснили, что фокусное расстояние связано с радиусом кривизны зеркала, то

(2.4)

Выражение (2.4) называется формулой зеркала, которая используется лишь с правилом знаков:

Расстояния ,,считаются положительными, если они отсчитываются по ходу луча, и отрицательными – в противном случае.

Выпуклое зеркало.

Рассмотрим несколько примеров на построение изображений в выпуклых зеркалах.

Рис. 2.14

1) Предмет расположен на расстоянии большем радиуса кривизны. Строим изображение концевых точек предмета А и В. Используем лучи: 1) параллельный главной оптической оси; 2) луч, проходящий через оптический центр зеркала. Получим изображение мнимое, уменьшенное, прямое.(рис.2.14)

Рис. 2.15.

2) Предмет расположен на расстоянии равном радиусу кривизны. Изображение мнимое, уменьшенное, прямое (рис.2.15)

Фокус выпуклого зеркала мнимый. Формула выпуклого зеркала

.

Правило знаков для d и f остается таким же, как и для вогнутого зеркала.

Линейное увеличение предмета определяется отношением высоты изображения к высоте самого предмета

. (2.5)

Таким образом, независимо от расположения предмета относительно выпуклого зеркала изображение оказывается всегда мнимым, прямым, уменьшенным и расположенным за зеркалом. В то время как изображения в вогнутом зеркале более разнообразны, зависят от расположения предмета относительно зеркала. Поэтому вогнутые зеркала применяются чаще.

Рассмотрев принципы построения изображений в различных зеркалах, мы подошли к пониманию действия столь различных приборов, как астрономические телескопы и увеличивающие зеркала в косметических приборах и медицинской практике, мы способны сами спроектировать некоторые приборы.

Зеркальное отражение, диффузное отражение

Плоское зеркало.

Простейшей оптической системой является плоское зеркало. Если параллельный пучок лучей, падающий на плоскую поверхность раздела двух сред, после отражения остается параллельным, то отражение называется зеркальным, а сама поверхность называется плоским зеркалом (рис. 2.16).

Рис.2.16

Изображения в плоских зеркалах строятся на основании закона отражения света. Точечный источник S (рис.2.17) дает расходящийся пучок света, построим отраженный пучок. Восстановим перпендикуляр в каждую точку падения и отраженный луч изображаем из условияÐa=Ðb(Ða₁=Ðb_1, Ða₂=b₂и т.д.) Получаем расходящийся пучок отраженных лучей, продолжаем эти лучи до пересечения, точка их пересечения S^¢ является изображением точки S, это изображение будет мнимым.

Рис. 2.17

Изображение прямой линии AB можно построить, соединяя прямой изображения двух концевых точек А¢и В¢. Измерения показывают, что это изображение находится на таком же расстоянии за зеркалом, на каком предмет находится перед зеркалом, и, что размеры его изображения такие же, как и размеры предмета. Изображение, обра­зующееся в плоском зеркале, обращенное и мнимое (см. рис.2.18).

Рис.2.18

Если отражающая поверхность шероховата, то отражение неправильное и свет рассеивается, или диффузно отражается (рис.2.19)

Рис. 2.19

Диффузное отражение гораздо более приятно для глаза, чем отражение гладкими поверхностями, называемое правильным отражением.

Линзы.

Линзы, также как и зеркала являются оптическими системами, т.е. способны изменять ход светового луча. Линзы по форме могут быть различными: сферическими, цилиндрическими. Мы остановимся только на сферических линзах.

Прозрачное тело, ограниченное двумя сферическими поверхностями, называется линзой.

Рис.2.20

Прямую линию, на которой лежат центры сферических поверхностей, называют главной оптической осью линзы. Главная оптическая ось линзы пересекает сферические поверхности в точках М и N – это вершины линзы. Если расстоянием MN можно пренебречь по сравнению с R₁ и R₂, то линза называется тонкой. В этом случае (×)М совпадает с (×)N и тогда (×)М будет называться оптическим центром линзы. Все прямые, проходящие через оптический центр линзы, кроме главной оптической оси называются побочными оптическими осями (рис.2.20).

Собирающие линзы. Фокусомсобирающей линзы называется точка, в которой пересекаются параллельные оптической оси лучи после преломления в линзе. Фокус собирающей линзы – действительный. Фокус, лежащий на главной оптической оси, называется главным фокусом. Любая линза имеет два главных фокуса: передний (со стороны падающих лучей) и задний (со стороны преломленных лучей). Плоскость, в которой лежат фокусы, называется фокальной плоскостью. Фокальная плоскость всегда перпендикулярна главной оптической оси и проходит через главный фокус. Расстояние от центра линзы до главного фокуса называется главным фокусным расстоянием F (рис.2.21).

Рис.2.21

Для построения изображений какой- либо светящейся точки следует проследить ход любых двух лучей, падающих на линзу и преломленных в ней до их пересечения (или пересечения их продолжения). Изображение протяженных светящихся предметов представляет собой совокупность изображений отдельных его точек. Наиболее удобными лучами, используемыми при построении изображений в линзах, являются следующие характерные лучи:

Рис.2.22

1) луч, падающий на линзу параллельно какой-либо оптической оси, после преломления пройдет через фокус, лежащий на этой оптической оси

Рис.2.23

Рис.6

2) луч, идущий вдоль оптической оси, не меняет своего направления

Рис. 2.24

3) луч, проходящий через передний фокус, после преломления в линзе пойдет параллельно главной оптической оси;

На рисунке 2.25 продемонстрировано построение изображения точки А предмета АВ.

Рис.2.25

Кроме перечисленных лучей при построении изображений в тонких линзах используют лучи, параллельные какой-либо побочной оптической оси. Следует иметь в виду, что лучи, падающие на собирающую линзу пучком, параллельным побочной оптической оси, пересекают заднюю фокальную поверхность в той же точке, что и побочная ось.

Формула тонкой линзы:

, (2.6)

где F - фокусное расстояние линзы; D - оптическая сила линзы; d - расстояние от предмета до центра линзы; f - расстояние от центра линзы до изображения. Правило знаков будет таким же, как и для зеркала: все расстояния до действительных точек считаются положительными, все расстояния до мнимых точек считаются отрицательными.

Линейное увеличение, даваемое линзой,

, (2.7)

где H - высота изображения; h - высота предмета.

Рассеивающие линзы. Лучи, падающие на рассеивающую линзу параллельным пучком, расходятся так, что их продолжения пересекаются в точке, называемоймнимым фокусом.

Правила хода лучей в рассеивающей линзе:

Рис.2.26

1) лучи, падающие на линзу параллельно какой-нибудь оптической оси, после преломления пойдут так, что их продолжения пройдут через фокус, лежащий на оптической оси (рис. 2.26):

2)луч, идущий вдоль оптической оси, не меняет своего направления.

Формула рассеивающей линзы:

(правило знаков остается прежним).

На рисунке 2.27 приведен пример построения изображений в рассеивающих линзах.

Рис.2.27