ПЕДАГАГІЧНАЯ СКАРБОНКАФизика · 11 класс · § 21
Увидеть. Изменить. Понять.

§ 21. Тонкие линзы

Как по положению предмета заранее определить изображение?

Объясняющая модельСхемы и примеры10 вопросов с разбором
Главный вопрос

Как по положению предмета заранее определить 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

Линза, ось и фокус

Линза — прозрачное тело с преломляющими поверхностями. В тонкой линзе толщиной пренебрегают по сравнению с расстояниями до предмета и изображения. В обычном стекле в воздухе линза, более толстая в центре, собирает параллельный пучок; более тонкая в центре — рассеивает.

Главные фокусы связаны с лучами, параллельными главной оси. У собирающей линзы фокус действительный, F > 0; у рассеивающей мнимый, F < 0. Оптическая сила D = 1/F при F в метрах измеряется в диоптриях, то есть м⁻¹.

Линза, ось и фокус: сравнение
Линза в воздухеFПараллельный пучок
СобирающаяПоложительноеСходится за линзой
РассеивающаяОтрицательноеРасходится от мнимого фокуса

Знак фокусного расстояния различает собирающую и рассеивающую линзы.

Почему для F = 20 см оптическая сила равна 5 дптр, а не 0,05?

Сначала переводят F в метры: 20 см = 0,20 м. Затем D = 1/0,20 = 5 м⁻¹.

02

Единая формула со знаками

Для действительного предмета d > 0. Изображение на противоположной от предмета стороне имеет f > 0 и является действительным; на стороне предмета f < 0 и является мнимым. Формула тонкой линзы: 1/F = 1/d + 1/f.

Следовательно, f = Fd/(d − F), а поперечное увеличение Γ = −f/d. Отрицательное Γ соответствует перевёрнутому изображению, положительное — прямому. Эти формулы описывают параксиальные лучи; аберрации и толщину здесь не учитывают.

Формула

1/F = 1/d + 1/f

Увеличение

Γ = −f/d

Размеры

Модуль Γ = H/h

Результаты f и Γ нужно читать вместе со знаками.

Почему рассеивающая линза не даёт отрицательный размер предмета?

Знак Γ описывает ориентацию изображения. Физическая высота как длина равна модулю Γ, умноженному на высоту предмета.

Преломление света линзой

Собирающая линза меняет направления лучей. Точное схождение зависит от положения предмета и ограничений параксиальной модели.

白露为霜 at Chinese Wikipedia · Public domain · Источник. Без изменений.

Схематическое строение глаза

Глаз воспринимает направления приходящего света и формирует изображение на сетчатке. Угол зрения и линейный размер внешнего изображения нужно различать.

Rhcastilhos. And Jmarchn. · CC BY-SA 3.0 · Источник. Без изменений.

03

Построение и характер изображения

Для построения собирающей линзы используют луч, параллельный оси: после линзы он проходит через дальний фокус. Луч через оптический центр в приближении тонкой линзы не меняет направления. Пересечение этих лучей или их продолжений определяет изображение.

При d > 2F изображение уменьшенное и действительное; при d = 2F равное; при F < d < 2F увеличенное и действительное. При 0 < d < F изображение увеличенное, прямое и мнимое. При d = F пучок параллелен и конечного изображения нет.

Выбрать два удобных луча

Параллельный оси и через центр

Продолжить после линзы

Преломить по правилам

Найти пересечение

Реальных лучей или их продолжений

Предмет в фокусе собирающей линзы даёт параллельный выходящий пучок.

Что получается у рассеивающей линзы с действительным предметом?

Прямое уменьшенное мнимое изображение между линзой и её ближним фокусом.

04

Модель и численный пример

Модель сопоставляет предмет, линзу и изображение с двумя опорными лучами: параллельным оси до линзы и проходящим через её центр. Пунктир обозначает обратные продолжения для мнимого изображения; сплошные линии — реальный ход света. Чтобы сравнить расстояния в разных режимах, читай числа. В точке d = F формула с нулевым знаменателем заменяется объяснением параллельного пучка.

При F = 10 см и d = 30 см получаем f = 15 см и Γ = −0,5. При том же F и d = 5 см получаем f = −10 см и Γ = +2. Во втором случае экран за линзой не покажет резкого изображения.

Задать знаки

F со знаком, d > 0

Найти f

Проверить d − F

Объяснить Γ

Ориентация и отношение размеров

Фокусное расстояние характеризует линзу, а расстояние до изображения зависит ещё и от предмета.

Почему нельзя подменять F расстоянием до любого изображения?

Изображение в фокальной плоскости получается для очень далёкого предмета; при конечном d положение обычно другое.

Соберём главное

Шесть выводов

01Знак фокусного расстояния различает собирающую и рассеивающую линзы.
02Результаты f и Γ нужно читать вместе со знаками.
03Предмет в фокусе собирающей линзы даёт параллельный выходящий пучок.
04Фокусное расстояние характеризует линзу, а расстояние до изображения зависит ещё и от предмета.
05Для диоптрий фокусное расстояние обязательно выражают в метрах.
06Геометрическое построение и формула должны давать одинаковый характер изображения.
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. Оптическая сила линзы…
2. F = 20 см. D равна…
3. F собирающей линзы имеет знак…
4. При F = 10 см и d = 30 см расстояние f…
5. Изображение в предыдущем случае…
6. При d = F собирающая линза даёт…
7. При F = 10 см и d = 5 см f…
8. Что означает положительное Γ?
9. Рассеивающая линза с действительным предметом даёт…
10. Луч через оптический центр тонкой линзы в модели…

Учебный источник и иллюстрации

Основа: предоставленный учебник «Физика, 11 класс», § 21. Тема и содержание сверены с файлом «11 класс. Физика — § 21. Формула тонкой линзы.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…