هناك أجسام قادرة على تغيير كثافة تدفق الإشعاع الكهرومغناطيسي الساقط عليها ، أي إما زيادتها عن طريق تجميعها عند نقطة واحدة ، أو تقليلها عن طريق نثرها. تسمى هذه الأشياء بالعدسات في الفيزياء. دعونا نلقي نظرة فاحصة على هذه المسألة.
ما هي العدسات في الفيزياء؟
هذا المفهوم يعني تمامًا أي كائن قادر على تغيير اتجاه انتشار الإشعاع الكهرومغناطيسي. هذا هو التعريف العام للعدسات في الفيزياء والتي تشمل النظارات البصرية والعدسات المغناطيسية وعدسات الجاذبية.
في هذه المقالة ، سيكون التركيز على النظارات البصرية ، وهي كائنات مصنوعة من مادة شفافة ومحدودة بسطحين. يجب أن يحتوي أحد هذه الأسطح بالضرورة على انحناء (أي أن يكون جزءًا من كرة ذات نصف قطر محدود) ، وإلا فلن يكون للكائن خاصية تغيير اتجاه انتشار أشعة الضوء.
مبدأ العدسة
جوهر عمل هذا غير معقدالجسم البصري هو ظاهرة انكسار أشعة الشمس. في بداية القرن السابع عشر ، نشر الفيزيائي والفلكي الهولندي الشهير ويلبرورد سنيل فان روين قانون الانكسار الذي يحمل حاليًا اسمه الأخير. تكون صياغة هذا القانون على النحو التالي: عندما يمر ضوء الشمس عبر السطح البيني بين وسيطين شفافين بصريًا ، فإن ناتج الجيب لزاوية السقوط بين الشعاع والعادي للسطح ومعامل الانكسار للوسط الذي فيه ينتشر هو قيمة ثابتة.
لتوضيح ما سبق ، دعنا نعطي مثالاً: دع الضوء يسقط على سطح الماء ، بينما الزاوية بين العمودي على السطح والشعاع هي θ1. بعد ذلك ، ينكسر شعاع الضوء ويبدأ انتشاره في الماء بالفعل بزاوية θ2على السطح الطبيعي. وفقًا لقانون سنيل ، نحصل على: الخطيئة (θ1 )n1=الخطيئة (θ2 )n2، حيث n1و n2هي مؤشرات الانكسار للهواء والماء ، على التوالى. ما هو معامل الانكسار؟ هذه قيمة توضح عدد المرات التي تكون فيها سرعة انتشار الموجات الكهرومغناطيسية في الفراغ أكبر من تلك الخاصة بوسط شفاف بصريًا ، أي n=c / v ، حيث c و v هما سرعتا الضوء في الفراغ وفي متوسطة على التوالي
فيزياء مظهر الانكسار تكمن في تطبيق مبدأ فيرما Fermat ، والذي بموجبه يتحرك الضوء بطريقة تتغلب على المسافة من نقطة إلى أخرى في الفضاء في أقصر وقت.
أنواع العدسات
يتم تحديد نوع العدسة البصرية في الفيزياء فقط من خلال شكل الأسطح التي تشكلها. يعتمد اتجاه انكسار شعاع الحادث عليها على هذا الشكل. لذلك ، إذا كان انحناء السطح موجبًا (محدب) ، فعند الخروج من العدسة ، ينتشر شعاع الضوء بالقرب من محوره البصري (انظر أدناه). على العكس من ذلك ، إذا كان انحناء السطح سالبًا (مقعرًا) ، ثم يمر عبر الزجاج البصري ، فإن الشعاع سوف يتحرك بعيدًا عن محوره المركزي.
لاحظ مرة أخرى أن سطح أي انحناء يكسر الأشعة بنفس الطريقة (وفقًا لقانون ستيلا) ، لكن الأعراف بالنسبة لهم لها ميل مختلف بالنسبة للمحور البصري ، مما يؤدي إلى سلوك مختلف للأشعة المنكسرة.
العدسة التي يحدها سطحان محدبان تسمى العدسة المتقاربة. في المقابل ، إذا تم تشكيله من سطحين مع انحناء سلبي ، فإنه يسمى نثر. ترتبط جميع الأنواع الأخرى من الزجاج البصري بمزيج من هذه الأسطح ، والتي يُضاف إليها أيضًا مستوى. تعتمد الخاصية التي ستتمتع بها العدسة المدمجة (متباعدة أو متقاربة) على الانحناء الكلي لنصف أقطار أسطحها.
عناصر العدسة وخصائص الأشعة
لبناء العدسات في فيزياء الصور ، تحتاج إلى التعرف على عناصر هذا الكائن. تم سردها أدناه:
- المحور البصري الرئيسي والمركز. في الحالة الأولى ، تعني وجود خط مستقيم يمر عموديًا على العدسة عبر مركزها البصري.الأخير ، بدوره ، هو نقطة داخل العدسة ، يمر من خلالها الشعاع لا يتعرض للانكسار.
- البعد البؤري والتركيز - المسافة بين المركز ونقطة على المحور البصري ، والتي تجمع كل الأشعة الساقطة على العدسة الموازية لهذا المحور. هذا التعريف صحيح لتجميع النظارات البصرية. في حالة العدسات المتباينة ، لن تتقارب الأشعة نفسها إلى نقطة ما ، بل استمرارها الوهمي. تسمى هذه النقطة بؤرة التركيز الرئيسية.
- القوة البصرية. هذا هو اسم مقلوب الطول البؤري ، أي D \u003d 1 / f. يقاس بالديوبتر (الديوبتر) ، أي 1 ديوبتر.=1 م-1.
فيما يلي الخصائص الرئيسية للأشعة التي تمر عبر العدسة:
- شعاع يمر عبر المركز البصري لا يغير اتجاه حركته ؛
- أشعة ساقطة موازية للمحور البصري الرئيسي تغير اتجاهها بحيث تمر عبر البؤرة الرئيسية ؛
- أشعة تسقط على الزجاج البصري في أي زاوية ، ولكنها تمر من خلال تركيزها ، وتغير اتجاه انتشارها بحيث تصبح موازية للمحور البصري الرئيسي.
الخصائص المذكورة أعلاه للأشعة للعدسات الرقيقة في الفيزياء (كما يطلق عليها لأنه بغض النظر عن المجالات التي تتكون منها ومدى سُمكها ، يتم استخدام الخصائص البصرية فقط للمادة الكائن) لبناء الصور فيها
الصور في النظارات البصرية: كيف تصنع
يوجد أدناه شكل يوضح تفاصيل مخططات إنشاء الصور في العدسات المحدبة والمقعرة لكائن ما(السهم الأحمر) حسب موقعه
استنتاجات مهمة تتبع من تحليل الدوائر في الشكل:
- أي صورة مبنية على شعاعين فقط (تمر عبر المركز وبالتوازي مع المحور البصري الرئيسي).
- يمكن أن تعطي العدسات المتقاربة (المشار إليها بأسهم في النهايات تشير إلى الخارج) صورة مكبرة ومختصرة ، والتي بدورها يمكن أن تكون حقيقية (حقيقية) أو خيالية.
- إذا كان الكائن في بؤرة التركيز ، فإن العدسة لا تشكل صورتها (انظر الرسم البياني السفلي على اليسار في الشكل).
- تناثر النظارات البصرية (يُشار إليها بأسهم في نهاياتها تشير إلى الداخل) دائمًا ما تعطي صورة مصغرة وافتراضية بغض النظر عن موضع الكائن.
إيجاد المسافة إلى صورة
لتحديد المسافة التي ستظهر بها الصورة ، ومعرفة موضع الكائن نفسه ، نعطي صيغة العدسة في الفيزياء: 1 / f=1 / do+ 1 / di، حيث doو diهي المسافة إلى الكائن وإلى صورته من البصري المركز ، على التوالي ، هو التركيز الرئيسي. إذا كنا نتحدث عن تجميع زجاج بصري ، فسيكون الرقم f موجبًا. على العكس من ذلك ، بالنسبة للعدسة المتباينة ، تكون f سالبة.
دعونا نستخدم هذه الصيغة ونحل مشكلة بسيطة: دع الكائن يكون على مسافة do=2f من مركز الزجاج البصري المجمع. أين ستظهر صورته؟
من حالة المشكلة لدينا: 1 / f=1 / (2f) + 1 / di. من: 1 / di=1 / f - 1 / (2f)=1 / (2f) ، أي di=2 F. وبالتالي ، ستظهر الصورة على مسافة بؤرتين من العدسة ، ولكن على الجانب الآخر من الكائن نفسه (يشار إلى ذلك بالعلامة الإيجابية للقيمة di).
تاريخ موجز
من الغريب إعطاء أصل كلمة "عدسة". إنها تأتي من الكلمة اللاتينية lentis و lentis والتي تعني العدس ، لأن الأجسام البصرية في شكلها تبدو فعلاً مثل ثمرة هذا النبات.
كانت القوة الانكسارية للأجسام الكروية الشفافة معروفة لدى الرومان القدماء. لهذا الغرض ، استخدموا أوعية زجاجية مستديرة مملوءة بالماء. بدأت العدسات الزجاجية نفسها في صنعها فقط في القرن الثالث عشر في أوروبا. تم استخدامها كأداة قراءة (نظارات حديثة أو عدسة مكبرة).
يعود الاستخدام النشط للأجسام البصرية في صناعة التلسكوبات والمجاهر إلى القرن السابع عشر (في بداية هذا القرن ، اخترع جاليليو أول تلسكوب). لاحظ أن الصيغة الرياضية لقانون ستيلا للانكسار ، بدون معرفة أنه من المستحيل تصنيع العدسات بالخصائص المرغوبة ، قد نشرها عالم هولندي في بداية القرن السابع عشر نفسه.
عدسات أخرى
كما هو مذكور أعلاه ، بالإضافة إلى الأجسام الانكسارية الضوئية ، هناك أيضًا أجسام مغناطيسية وجاذبية. مثال على الأول هو العدسات المغناطيسية في مجهر إلكتروني ، ومثال حي على الأخير هو تشويه اتجاه تدفق الضوء ،عندما يمر بالقرب من أجسام فضائية ضخمة (نجوم ، كواكب)
