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, рис. 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.
1. Луч, идущий вдоль одной из оптических осей собирающей линзы, при прохождении через нее не меняет своего направления.
2. 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.
Заключение
На данном уроке мы рассмотрели одно из самых важных практических приложений геометрической оптики, а именно ход лучей в тонкой линзе. Все выводы, сделанные о ходе лучей через двояковыпуклую линзу, можно применить и к другим разновидностям линз. Кроме того, мы вывели важное соотношение – формулу тонкой линзы, которая позволяет нам делать выводы об изображениях, даваемых линзой в случаях, если нам известно расстояние от предмета до линзы.
Список литературы
1. Жилко В.В., Маркович Я.Г. Физика. 11 класс. – 2011.
2. Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Чаругин В.М. Физика. 11 класс. Учебник.
1. Касьянов В.А. Физика, 11 класс. – 2004.
Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет
1. Интернет портал «Math Us!» (Источник)
2. Интернет портал «ЗАО "Опто-Технологическая Лаборатория"» (Источник)
3. Интернет портал «ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ ОПТИКА» (Источник)
Домашнее задание
1. С помощью линзы на вертикальном экране получено действительное изображение электрической лампочки. Как изменится изображение, если закрыть верхнюю половину линзы?
2. Постройте изображение предмета, помещенного перед собирающей линзой, в следующих случаях: 1. 
; 2. 
; 3. 
; 4. 
.
