Собирающая линза: как построить изображение и понять, нужен ли экран

Два характерных луча, действительное и мнимое изображение, пример с фокусным расстоянием 20 см и проверка оптической силы без путаницы в единицах.

К чтению
Содержание
  1. От одной точки — два луча
  2. Численный пример: предмет в двойном фокусе
  3. Что изменится при приближении предмета
  4. Оптическая сила: сначала метры

Собирающая линза не всегда даёт увеличенное изображение. Результат зависит от положения предмета относительно фокуса. Сначала полезно проследить два луча от одной точки предмета: тогда слова «перевёрнутое» и «мнимое» получат видимую причину.

Рассмотрим тонкую собирающую линзу в воздухе и лучи вблизи главной оптической оси. Толщиной линзы и искажениями пренебрегаем. Правила такого построения и границы модели разобраны в OpenStax: образование изображений линзами.

От одной точки — два луча

Нарисуйте главную ось, линзу и её оптический центр O. Отметьте фокусы F на одинаковых расстояниях с обеих сторон. Предмет изобразите стрелкой, основание которой лежит на оси.

Из вершины стрелки проведите:

  1. Луч параллельно оси. После линзы он проходит через дальний фокус.
  2. Луч через оптический центр. В нашей модели он сохраняет направление.

Пересечение лучей задаёт изображение вершины. Не соединяйте луч от вершины с лучом от основания: они относятся к разным точкам и не обязаны пересекаться в изображении одной точки.

Три построения для одной собирающей линзы: предмет в двойном фокусе, между фокусом и двойным фокусом, ближе фокуса. Сплошные линии обозначают световые лучи, пунктир — их мысленные продолжения.

Численный пример: предмет в двойном фокусе

Пусть фокусное расстояние линзы равно 20 см. Разместим небольшой предмет в 40 см слева от линзы: это положение 2F. Построение даёт изображение в 40 см справа. Оно перевёрнутое и равно предмету по высоте.

Здесь важно не спутать три расстояния: фокусное — 20 см; от предмета до линзы — 40 см; от предмета до изображения — 80 см. Последнее получается сложением двух отрезков по разные стороны линзы.

В точке изображения можно поставить экран. Но экран не создаёт пересечение лучей: он позволяет увидеть уже сформированное действительное изображение. Если сдвинуть экран ближе к линзе, изображение на нём потеряет резкость; фокусное расстояние самой линзы от этого не изменится.

Что изменится при приближении предмета

В интерактиве с линзой сравните три положения. Перед переключением попробуйте предсказать, на какой стороне встретятся лучи или их продолжения.

Где предмет Что показывает построение
Дальше 2F Между F и 2F с другой стороны: действительное, перевёрнутое, уменьшенное изображение
Между F и 2F Дальше 2F с другой стороны: действительное, перевёрнутое, увеличенное
Между линзой и F Со стороны предмета: мнимое, прямое, увеличенное

В последнем случае выходящие лучи расходятся. Пересекаются их мысленные продолжения назад. Пунктир на схеме не означает, что свет после линзы повернул обратно. Поставив экран в найденную мнимую точку, такое изображение на нём не получить.

Отдельное положение — предмет в фокальной плоскости. Лучи от каждой его точки выходят параллельным пучком, поэтому конечного резкого изображения на экране эта идеальная модель не даёт. Это не превращение собирающей линзы в рассеивающую.

Оптическая сила: сначала метры

Для нашей линзы D=1/FD=1/F. Переведём 20 см в 0,20 м: D=1/0,20=5D=1/0{,}20=5 дптр. Ответ 0,05 дптр возник бы при подстановке числа сантиметров вместо метров.

Проверьте себя: другая собирающая линза имеет фокусное расстояние 10 см. Её сила равна 10 дптр, то есть вдвое больше. Однако это не обещает вдвое большее изображение при любом положении предмета: размер изображения зависит и от расстояния до предмета.

При проверке рисунка задайте три вопроса: оба луча вышли из одной точки; параллельный луч после линзы идёт через нужный фокус; пунктир отличён от реального хода света? Такая проверка помогает исправить построение ещё до вычислений.

Материал подготовлен с помощью ИИ. Примеры учебные и не являются официальными заданиями экзамена. Источники указаны в статье. Как устроены материалы Курсика . Сообщить о неточности.

Обновлено . Статью можно сохранить и вернуться к ней во время подготовки.