Có những vật thể có khả năng thay đổi mật độ của thông lượng bức xạ điện từ rơi vào chúng, nghĩa là tăng nó bằng cách thu thập nó tại một điểm, hoặc giảm nó bằng cách tán xạ nó. Những vật thể này được gọi là thấu kính trong vật lý. Chúng ta hãy xem xét kỹ hơn vấn đề này.
Thấu kính trong vật lý là gì?
Khái niệm này hoàn toàn có nghĩa là bất kỳ vật thể nào có khả năng thay đổi hướng truyền của bức xạ điện từ. Đây là định nghĩa chung về thấu kính trong vật lý, bao gồm kính quang học, thấu kính từ trường và hấp dẫn.
Trong bài này, trọng tâm sẽ là kính quang học, là vật được làm bằng vật liệu trong suốt và được giới hạn bởi hai bề mặt. Một trong những bề mặt này nhất thiết phải có độ cong (nghĩa là, là một phần của hình cầu có bán kính hữu hạn), nếu không vật thể sẽ không có đặc tính thay đổi hướng truyền của tia sáng.
Nguyên lý của thấu kính
Bản chất của công việc không phức tạp nàyquang vật là hiện tượng khúc xạ tia nắng mặt trời. Vào đầu thế kỷ 17, nhà vật lý và thiên văn học nổi tiếng người Hà Lan Willebrord Snell van Rooyen đã công bố định luật khúc xạ, hiện mang họ của ông. Công thức của định luật này như sau: khi ánh sáng mặt trời đi qua mặt phân cách giữa hai môi trường trong suốt về mặt quang học thì tích sin của góc tới giữa chùm sáng và pháp tuyến đối với bề mặt và chiết suất của môi trường trong đó nó truyền là một giá trị không đổi.
Để làm rõ điều trên, chúng ta hãy lấy một ví dụ: cho ánh sáng rơi trên mặt nước, trong khi góc giữa pháp tuyến đến bề mặt và chùm tia là θ1. Sau đó, chùm sáng bị khúc xạ và bắt đầu truyền trong nước ở góc θ2so với pháp tuyến so với bề mặt. Theo định luật Snell, chúng ta nhận được: sin (θ1)n1=sin (θ2)n2, trong đó n1và n2là chiết suất đối với không khí và nước, tương ứng. Chiết suất là gì? Đây là giá trị cho biết tốc độ lan truyền của sóng điện từ trong chân không lớn hơn bao nhiêu lần đối với môi trường quang học trong suốt, tức là, n=c / v, trong đó c và v là tốc độ của ánh sáng trong chân không và trong trung bình, tương ứng.
Vật lý của sự xuất hiện của hiện tượng khúc xạ nằm trong việc thực hiện nguyên lý Fermat, theo đó ánh sáng di chuyển theo cách để vượt qua khoảng cách từ điểm này đến điểm khác trong không gian trong thời gian ngắn nhất.
Các loại thấu kính
Loại thấu kính quang học trong vật lý chỉ được xác định bởi hình dạng của các bề mặt tạo nên nó. Hướng khúc xạ của chùm tia tới đối với chúng phụ thuộc vào hình dạng này. Vì vậy, nếu độ cong của bề mặt là dương (lồi), thì khi ra khỏi thấu kính, chùm sáng sẽ truyền gần trục quang học của nó hơn (xem bên dưới). Ngược lại, nếu độ cong của bề mặt là âm (lõm) thì khi đi qua kính quang học, chùm tia sẽ di chuyển ra khỏi trục trung tâm của nó.
Lưu ý lại rằng một bề mặt của bất kỳ độ cong nào cũng khúc xạ các tia theo cùng một cách (theo định luật Stella), nhưng các đường chuẩn của chúng có độ dốc khác so với trục quang học, dẫn đến hành vi khác nhau của tia khúc xạ.
Thấu kính được giới hạn bởi hai mặt lồi được gọi là thấu kính hội tụ. Ngược lại, nếu nó được tạo thành bởi hai bề mặt có độ cong âm, thì nó được gọi là sự tán xạ. Tất cả các loại kính quang học khác được liên kết với sự kết hợp của các bề mặt này, mà một mặt phẳng cũng được thêm vào. Thấu kính kết hợp sẽ có tính chất gì (phân kỳ hoặc hội tụ) phụ thuộc vào tổng độ cong của bán kính bề mặt của nó.
Các thành phần thấu kính và đặc tính tia
Để xây dựng thấu kính trong vật lý ảnh, bạn cần làm quen với các yếu tố của vật thể này. Chúng được liệt kê bên dưới:
- Trục quang chính và tâm. Trong trường hợp đầu tiên, chúng có nghĩa là một đường thẳng đi vuông góc với thấu kính qua quang tâm của nó. Đến lượt mình, điểm sau là một điểm bên trong thấu kính, đi qua đó chùm tia không bị khúc xạ.
- Tiêu cự và tiêu điểm - khoảng cách giữa tâm và một điểm trên trục quang học, thu thập tất cả các tia tới trên thấu kính song song với trục này. Định nghĩa này đúng đối với kính quang học thu thập. Trong trường hợp thấu kính phân kỳ, bản thân các tia sẽ không hội tụ tại một điểm mà là sự tiếp tục trong tưởng tượng của chúng. Điểm này được gọi là tiêu điểm chính.
- Điện quang. Đây là tên nghịch đảo của tiêu cự, nghĩa là, D \u003d 1 / f. Nó được đo bằng diop (đi-ốp), tức là 1 đi-ốp.=1 m-1.
Sau đây là các tính chất chính của tia đi qua thấu kính:
- chùm tia đi qua quang tâm không thay đổi hướng chuyển động của nó;
- tia tới song song với trục chính đổi hướng sao cho đi qua tiêu điểm chính;
- Các tia rơi trên kính quang học ở bất kỳ góc nào, nhưng đi qua tiêu điểm của nó, sẽ thay đổi hướng truyền của chúng sao cho chúng trở nên song song với trục quang học chính.
Các tính chất trên của tia đối với thấu kính mỏng trong vật lý (như chúng được gọi là bởi vì bất kể chúng được hình thành từ mặt cầu nào và độ dày của chúng như thế nào, chỉ có các tính chất quang học của vật chất) được sử dụng để xây dựng hình ảnh trong đó..
Hình ảnh trong kính quang học: cách xây dựng?
Dưới đây là hình mô tả chi tiết các sơ đồ tạo ảnh trong thấu kính lồi và thấu kính lõm của một vật(mũi tên đỏ) tùy thuộc vào vị trí của nó.
Các kết luận quan trọng theo sau khi phân tích các mạch trong hình:
- Bất kỳ hình ảnh nào cũng chỉ được xây dựng trên 2 tia (đi qua tâm và song song với trục chính).
- Thấu kính hội tụ (biểu thị bằng mũi tên ở hai đầu hướng ra ngoài) có thể cho hình ảnh phóng to và thu nhỏ, do đó có thể là hình ảnh thực (thực) hoặc hình ảnh ảo.
- Nếu đối tượng được lấy nét, thì thấu kính sẽ không tạo ra ảnh của nó (xem sơ đồ phía dưới bên trái trong hình).
- Kính quang học tán xạ (kí hiệu là mũi tên ở hai đầu hướng vào trong) luôn cho ảnh giảm và ảo không phụ thuộc vào vị trí của vật.
Tìm khoảng cách đến một hình ảnh
Để xác định ảnh sẽ xuất hiện ở khoảng cách nào, biết vị trí của vật, ta đưa ra công thức thấu kính trong vật lý: 1 / f=1 / do+ 1 / di, trong đó dovà dilà khoảng cách đến vật thể và đến hình ảnh của nó từ quang học trung tâm lần lượt có f là tiêu điểm chính. Nếu chúng ta đang nói về một kính quang học thu thập, thì số f sẽ là số dương. Ngược lại, đối với thấu kính phân kỳ, f là âm.
Hãy sử dụng công thức này và giải một bài toán đơn giản: cho vật thể ở cách tâm kính quang học một khoảng do=2f. Hình ảnh của anh ấy sẽ xuất hiện ở đâu?
Từ điều kiện của bài toán ta có: 1 / f=1 / (2f) + 1 / di. Từ: 1 / di=1 / f - 1 / (2f)=1 / (2f), tức là di=2f. Do đó, hình ảnh sẽ xuất hiện ở khoảng cách hai tiêu điểm so với ống kính, nhưng ở phía khác so với bản thân vật thể (điều này được biểu thị bằng dấu dương của giá trị di).
Lược sử
Thật là tò mò khi đưa ra từ nguyên của từ "thấu kính". Nó xuất phát từ từ tiếng Latinh lens và lentis, có nghĩa là "đậu lăng", vì các vật thể quang học có hình dạng thực sự trông giống như quả của loài cây này.
Năng suất khúc xạ của các vật thể trong suốt hình cầu được người La Mã cổ đại biết đến. Với mục đích này, họ đã sử dụng các bình thủy tinh tròn chứa đầy nước. Bản thân thấu kính thủy tinh chỉ bắt đầu được sản xuất vào thế kỷ 13 ở Châu Âu. Chúng được sử dụng như một công cụ đọc (kính hiện đại hoặc kính lúp).
Việc sử dụng tích cực các vật thể quang học trong sản xuất kính thiên văn và kính hiển vi có từ thế kỷ 17 (vào đầu thế kỷ này, Galileo đã phát minh ra kính thiên văn đầu tiên). Lưu ý rằng công thức toán học của định luật khúc xạ Stella, nếu không có kiến thức về nó thì không thể tạo ra thấu kính với các đặc tính mong muốn, đã được một nhà khoa học Hà Lan công bố vào đầu cùng thế kỷ 17.
Ống kính khác
Như đã nói ở trên, ngoài các vật khúc xạ quang học, còn có các vật thể nhiễm từ và hấp dẫn. Một ví dụ về cái trước là thấu kính từ tính trong kính hiển vi điện tử, một ví dụ sống động về cái sau là sự biến dạng hướng của thông lượng ánh sáng,khi nó đi qua gần các thiên thể không gian khổng lồ (sao, hành tinh).
