ПЕДАГАГІЧНАЯ СКАРБОНКАФизика · 11 класс · § 18
Увидеть. Изменить. Понять.

§ 18. Сферические зеркала

Когда зеркало увеличивает, переворачивает или уменьшает изображение?

Объясняющая модельСхемы и примеры10 вопросов с разбором
Главный вопрос

Когда зеркало увеличивает, переворачивает или уменьшает изображение?

Наблюдаем и объясняем

Положение и характер изображения

Выбери тип элемента, меняй d/F и следи за знаком изображения. Особый случай d = F разобран отдельно.

Схему можно прокрутить вбок. Все значения повторены в расчёте ниже.

20 см
3

Параксиальная модель; 1/F = 1/d + 1/f, Γ = −f/d. Масштаб оси и стрелок подбирается, подписанные значения имеют приоритет; показаны два опорных параксиальных луча и их продолжения. Кривизна зеркала условна; размеры по экрану не измеряют.

01

Вогнутая и выпуклая поверхности

Сферическое зеркало является частью сферы. Полюс — середина рабочей поверхности, центр кривизны — центр сферы. Главная оптическая ось проходит через эти точки. В параксиальном приближении рассматривают лучи близко к оси и под малыми углами.

Вогнутое зеркало собирает параллельный оси узкий пучок в действительном фокусе перед зеркалом. У выпуклого зеркала отражённые лучи расходятся так, как будто вышли из мнимого фокуса за зеркалом. По модулю фокусное расстояние приблизительно равно R/2.

Вогнутая и выпуклая поверхности: сравнение
ЗеркалоФокусЗнак F
ВогнутоеДействительный перед зеркаломПоложительный
ВыпуклоеМнимый за зеркаломОтрицательный

Для параксиальных лучей сферического зеркала модуль F равен R/2.

Почему нельзя без оговорок применять это правило к широкому пучку?

Далёкие от оси лучи сферического зеркала не сходятся строго в той же точке: возникает сферическая аберрация.

02

Формула и знаки

Обозначим d положительное расстояние от действительного предмета до зеркала, f — знаковое расстояние до изображения. Для действительного изображения перед зеркалом f > 0, для мнимого за зеркалом f < 0. Тогда 1/F = 1/d + 1/f.

Отсюда f = Fd/(d − F). Поперечное увеличение Γ = −f/d: отрицательный знак означает перевёрнутое изображение, положительный — прямое. Отношение размеров равно модулю Γ. Знаки нельзя отбрасывать до интерпретации результата.

Положение

f = Fd/(d − F)

Ориентация

Γ = −f/d

Размер

H = модуль Γ · h

Знаковая формула одновременно определяет положение и характер изображения.

Получилось f = −20 см. Ошибка ли это?

Не обязательно: отрицательное f означает мнимое изображение за зеркалом при принятой системе знаков.

Отражения в зеркальных поверхностях

Зеркальная поверхность формирует изображение упорядоченным отражением. Мнимую точку определяют по продолжениям отражённых лучей.

Basile Morin · CC BY-SA 4.0 · Источник. Без изменений.

Большой бинокулярный телескоп

Большой объектив собирает свет и влияет на угловое разрешение. Телескоп полезен не только увеличением, но и возможностью наблюдать слабые объекты.

NASA (Transfered by Quantanew/Original uploaded by Mohamed Osama AlNagdy) · Public domain · Источник. Без изменений.

03

Пять положений предмета

У вогнутого зеркала при d > 2F изображение действительное, перевёрнутое и уменьшенное; при d = 2F оно равно предмету. Между F и 2F изображение увеличенное и действительное. Внутри фокусного расстояния оно прямое, увеличенное и мнимое.

При d = F отражённый параксиальный пучок параллелен: конечного изображения нет, говорят об изображении на бесконечности. Выпуклое зеркало при действительном предмете всегда даёт прямое уменьшенное мнимое изображение.

Пять положений предмета: сравнение
Условие для вогнутогоИзображение
d > 2FМеньше, действительное
d = 2FРавное, действительное
F < d < 2FБольше, действительное
d = FПараллельный пучок
0 < d < FБольше, мнимое

Положение предмета относительно F и 2F определяет свойства изображения в вогнутом зеркале.

Почему возле фокуса результат резко меняется?

В знаменателе f = Fd/(d − F) разность d − F становится очень малой. Изображение удаляется, а при переходе через фокус меняет характер.

04

Модель: ось и увеличение

Модель показывает предмет, сферическое зеркало, два опорных луча и изображение. Луч, параллельный оси, после отражения проходит через действительный фокус или расходится от мнимого. Второй луч отражается от полюса по закону равенства углов. Сплошные линии показывают ход света, пунктир — продолжения для мнимого изображения. Масштаб автоматически подбирается; сравнивай подписанные расстояния. Видимая кривизна зеркала условна, её радиус не измеряют по экрану. В фокусе отдельное сообщение заменяет недопустимое деление на нуль.

При F = 20 см и d = 60 см получаем f = 30 см, Γ = −0,5. Для выпуклого зеркала F = −20 см при том же d получаем f = −15 см, Γ = +0,25. Знак отвечает за характер, модуль — за величину.

Выбрать F со знаком

Вогнутое плюс, выпуклое минус

Подставить d

Все длины в одной единице

Прочитать f и Γ

Положение, ориентация, масштаб

Расчёт изображения требует проверки особого случая d = F.

Можно ли получить мнимое изображение на экране?

Нет: в точке мнимого изображения пересекаются продолжения лучей, а не реальные лучи.

Соберём главное

Шесть выводов

01Для параксиальных лучей сферического зеркала модуль F равен R/2.
02Знаковая формула одновременно определяет положение и характер изображения.
03Положение предмета относительно F и 2F определяет свойства изображения в вогнутом зеркале.
04Расчёт изображения требует проверки особого случая d = F.
05Действительное изображение образуется реальным схождением лучей.
06Значение Γ без знака сообщает только отношение размеров и теряет сведения об ориентации.
Тест · 10 вопросовОдин правильный ответ в каждом вопросе

Сначала изучи модель и конспект. За каждый верный ответ — 0,5 балла, максимум — 5. После проверки откроются пояснения.

1. Для параксиальных лучей модуль фокусного расстояния зеркала…
2. Знак F выпуклого зеркала в принятой системе…
3. Формула зеркала…
4. F = 20 см, d = 60 см. f равно…
5. Увеличение в этом примере Γ…
6. При d = F у вогнутого зеркала…
7. При 0 < d < F изображение вогнутого зеркала…
8. Выпуклое зеркало в параксиальном приближении для действительного предмета даёт…
9. Что означает f < 0 для зеркала?
10. Почему важна оговорка о параксиальных лучах?

Учебный источник и иллюстрации

Основа: предоставленный учебник «Физика, 11 класс», § 18. Тема и содержание сверены с файлом «11 класс. Физика — § 18. Вогнутые и выпуклые сферические зеркала.pdf». Объяснения, расчётные примеры и модели подготовлены для этого конспекта. Дополнительные зависимости в моделях отмечены отдельно.

Изображения загружаются непосредственно из интернета. Авторство и лицензии указаны под каждой иллюстрацией. Размеры и цвета учебных схем условны; ограничения каждой модели указаны рядом.

↑

Загрузка прогресса…