Изображения, даваемые линзой

На прошлом уроке мы познакомились с линзами и с некоторыми их характеристиками. Сегодня мы рассмотрим, какие изображения получаются с помощью различных линз и как строить такие изображения.

Начнём с выпуклой линзы. Как мы помним, у каждой линзы есть оптический центр и фокусное расстояние. Заметим, что мы рассматриваем так называемую, двояковыпуклую линзу. То есть, она выпуклая с обеих сторон. А это значит, что нет разницы. С какой стороны идёт свет: хоть справа, хоть слева, он всё равно будет преломляться одинаковым образом. Поэтому, у такой линзы два фокуса — по обе стороны от линзы. Эта линза равнофокусная, то есть фокусное расстояние справа и слева одинаковое.

Не трудно догадаться, что если линза симметричная относительно своего оптического центра, то она будет равнофокусной. И ещё, для построения изображения, нам нужны точки двойного фокуса. То есть, точки на оптической оси, находящиеся на удвоенном фокусном расстоянии от оптического центра. Для начала, поставим наш предмет далеко за двойным фокусом. К примеру, возьмём карандаш. Изображение формируется только тогда, когда лучи света, проходящие через линзу, пересекаются. Поэтому нам нужно, по меньшей мере, два луча, исходящих из каждой точки. Конечно, удобнее пользоваться теми лучами, ход которых мы хорошо изучили. Первый луч будет направлен параллельно оптической оси. Мы знаем, что при преломлении любой такой луч пересечет оптическую ось в фокусной точке. Второй луч будет проходить через оптический центр, поэтому преломления не произойдёт. На пересечении этих двух лучей и образуется изображение исходной точки. Точно таким же способом получим вторую точку. Опять направляем на линзу луч, параллельный оптической оси. Он преломляется и проходит через точку фокуса. Второй луч, пропускаем через оптический центр, он не преломляется, как мы помним. И на пересечении у нас искомая точка.

Обратите внимание, что у исходного изображения точка A находится на заточенном конце карандаша, то есть выше оптической оси. А вот изображение точки A, находится ниже оптической оси. Значит, изображение будет перевёрнутым. Ну и, как видно из рисунка, это изображение уменьшенное. Также, нужно отметить, что изображение действительное, то есть формируется преломлёнными лучами. Обратите внимание, что изображение в таком случае всегда будет находиться между фокусом и двойным фокусом.

Заметим одну интересную особенность: если предмет находится на очень большом расстоянии от линзы, то его изображение будет формироваться точно в фокусе линзы. Почему так происходит? Потому что если объект очень далеко от линзы, то он становится почти как точечный источник света. Мы строим изображение, как и в первом случае. Просто из-за слишком большого расстояния, лучи, проходящие через оптический центр, будут почти параллельны оптической оси. Поэтому они пересекутся в фокусной точке. Именно это и используют в телескопах, чтобы наблюдать за звездами, которые, конечно же, находятся на огромном расстоянии от нас.

Давайте рассмотрим другой случай: какое изображение мы получим, если мы поместим карандаш между фокусом и двойным фокусом линзы. Строим изображение абсолютно таким же способом, что и раньше.

Изображение снова действительное, потому что образованно лучами, которые прошли через линзу. Также как и в предыдущий раз оно перевёрнуто. Но здесь есть отличия: во-первых, изображение увеличенное, а во-вторых, оно расположено за двойным фокусом. Наверное, все уже догадались из построения, что чем ближе мы будем располагать предмет к фокусу, тем больше будет его изображение. А что же будет, если мы поставим карандаш точно в фокус линзы?

Тогда изображения мы не получим, и вот почему: луч, проходящий через оптический центр, будет параллельным преломленному лучу. Как мы уже говорили в начале урока, изображение формируется на пересечении этих лучей, но параллельные лучи не пересекаются. Поэтому, никакого изображения мы не получим. Мы получим только размытые очертания.

Нам осталось рассмотреть последний случай: если карандаш будет между фокусом и линзой.

Обратите внимание, что в этом случае верхние точки предмета и изображения лежат по одну сторону от оптической оси. Поэтому изображение не будет перевернутым. Такие изображения называются прямыми. Как видно из чертежа, полученное изображение увеличенное, и мнимое. Оно мнимое, поскольку образовано не самими лучами, а их продолжениями.

Напомним, что помимо выпуклых линз, существуют ещё и вогнутые линзы. Давайте посмотрим, какие изображения можно получить с помощью вогнутых линз. У таких линз тоже есть фокусы, но они мнимые. Несмотря на это, мы снова используем тот же способ, что и раньше.