มีวัตถุที่สามารถเปลี่ยนความหนาแน่นของฟลักซ์การแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าที่ตกลงมาบนพวกมันได้ นั่นคือ เพิ่มขึ้นโดยรวบรวมไว้ที่จุดหนึ่ง หรือลดลงโดยการกระเจิง วัตถุเหล่านี้เรียกว่าเลนส์ในวิชาฟิสิกส์ มาดูปัญหานี้กันดีกว่า
เลนส์ในฟิสิกส์คืออะไร
แนวคิดนี้หมายถึงวัตถุใดๆ ก็ตามที่สามารถเปลี่ยนทิศทางการแพร่กระจายของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าได้อย่างแน่นอน นี่คือคำจำกัดความทั่วไปของเลนส์ในวิชาฟิสิกส์ ซึ่งรวมถึงแว่นสายตา เลนส์แม่เหล็ก และเลนส์โน้มถ่วง
ในบทความนี้ จะเน้นที่แว่นสายตา ซึ่งเป็นวัตถุที่ทำจากวัสดุโปร่งใสและถูกจำกัดด้วยสองพื้นผิว หนึ่งในพื้นผิวเหล่านี้จำเป็นต้องมีความโค้ง (นั่นคือเป็นส่วนหนึ่งของทรงกลมรัศมี จำกัด) มิฉะนั้นวัตถุจะไม่มีคุณสมบัติในการเปลี่ยนทิศทางการแพร่กระจายของแสง
หลักการของเลนส์
สาระสำคัญของงานที่ไม่ซับซ้อนนี้วัตถุทางแสงเป็นปรากฏการณ์การหักเหของแสงดวงอาทิตย์ ในตอนต้นของศตวรรษที่ 17 นักฟิสิกส์และนักดาราศาสตร์ชาวดัตช์ชื่อดัง Willebrord Snell van Rooyen ได้ตีพิมพ์กฎการหักเหของแสง ซึ่งปัจจุบันใช้นามสกุลของเขา การกำหนดกฎข้อนี้มีดังนี้ เมื่อแสงแดดส่องผ่านส่วนต่อประสานระหว่างตัวกลางโปร่งแสงสองตัว จากนั้นผลคูณของไซน์ของมุมตกกระทบระหว่างลำแสงกับค่าปกติกับพื้นผิวและดัชนีการหักเหของแสงของตัวกลาง มันแพร่กระจายเป็นค่าคงที่
เพื่ออธิบายข้างต้น ให้ยกตัวอย่าง: ให้แสงตกบนผิวน้ำ ในขณะที่มุมระหว่างเส้นตั้งฉากกับพื้นผิวกับลำแสงคือ θ1. จากนั้นลำแสงจะหักเหและเริ่มแพร่กระจายไปในน้ำที่ทำมุมแล้ว θ2 กับพื้นผิวปกติ ตามกฎของสเนลล์ เราได้: บาป(θ1)n1=บาป(θ2) n2 โดยที่ n1 และ n2 เป็นดัชนีการหักเหของแสงสำหรับอากาศและน้ำ ตามลำดับ ดัชนีการหักเหของแสงคืออะไร? นี่เป็นค่าที่แสดงว่าความเร็วของการแพร่กระจายของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในสุญญากาศนั้นมากกว่าความเร็วของตัวกลางที่โปร่งใสทางแสงเป็นจำนวนเท่าใด นั่นคือ n=c/v โดยที่ c และ v คือความเร็วของแสงในสุญญากาศและใน ปานกลาง ตามลำดับ
ฟิสิกส์ของการปรากฎการหักเหของแสงอยู่ที่การนำหลักการของแฟร์มาต์ไปปฏิบัติ โดยแสงจะเคลื่อนที่ในลักษณะที่จะเอาชนะระยะห่างจากจุดหนึ่งไปยังอีกจุดหนึ่งในอวกาศได้ในเวลาอันสั้น
ประเภทของเลนส์
เลนส์ประเภทหนึ่งในฟิสิกส์ถูกกำหนดโดยรูปร่างของพื้นผิวที่สร้างมันเท่านั้น ทิศทางการหักเหของแสงที่ตกกระทบกับลำแสงนั้นขึ้นอยู่กับรูปร่างนี้ ดังนั้น หากความโค้งของพื้นผิวเป็นบวก (นูน) เมื่อออกจากเลนส์ ลำแสงจะแพร่กระจายเข้าใกล้แกนแสงมากขึ้น (ดูด้านล่าง) ในทางกลับกัน หากความโค้งของพื้นผิวเป็นลบ (เว้า) จากนั้นผ่านกระจกออปติคัล ลำแสงจะเคลื่อนออกจากแกนกลาง
หมายเหตุอีกครั้งว่าพื้นผิวของความโค้งใดๆ หักเหรังสีในลักษณะเดียวกัน (ตามกฎของสเตลล่า) แต่เส้นปกติของพวกมันมีความชันต่างกันเมื่อเทียบกับแกนแสง ส่งผลให้พฤติกรรมของรังสีหักเหต่างกัน
เลนส์ที่ล้อมรอบด้วยพื้นผิวนูนสองด้านเรียกว่าเลนส์บรรจบกัน ในทางกลับกัน ถ้ามันเกิดจากสองพื้นผิวที่มีความโค้งเป็นลบ มันก็จะเรียกว่ากระเจิง แว่นสายตาประเภทอื่น ๆ ทั้งหมดเกี่ยวข้องกับการรวมกันของพื้นผิวเหล่านี้ซึ่งมีการเพิ่มระนาบด้วย คุณสมบัติใดที่เลนส์รวมจะมี (แตกต่างหรือบรรจบกัน) ขึ้นอยู่กับความโค้งทั้งหมดของรัศมีของพื้นผิว
ชิ้นเลนส์และคุณสมบัติของรังสี
ในการสร้างเลนส์ในฟิสิกส์ของภาพ คุณต้องทำความคุ้นเคยกับองค์ประกอบของวัตถุนี้ รายชื่อดังต่อไปนี้:
- แกนแสงหลักและศูนย์กลาง. ในกรณีแรก หมายถึงเส้นตรงที่ลากผ่านจุดศูนย์กลางแสงในแนวตั้งฉากกับเลนส์ในทางกลับกันเป็นจุดภายในเลนส์ซึ่งลำแสงจะไม่มีการหักเหของแสง
- ทางยาวโฟกัสและโฟกัส - ระยะห่างระหว่างจุดศูนย์กลางกับจุดบนแกนออปติคัล ซึ่งรวบรวมรังสีทั้งหมดที่ตกกระทบบนเลนส์ขนานกับแกนนี้ คำจำกัดความนี้เป็นจริงสำหรับการรวบรวมแว่นสายตา ในกรณีของเลนส์ที่แตกต่างกัน รังสีจะไม่มาบรรจบกันที่จุดใดจุดหนึ่ง แต่จะเป็นการต่อเนื่องสมมติของพวกมัน จุดนี้เรียกว่าโฟกัสหลัก
- พลังแสง. นี่คือชื่อของส่วนกลับของความยาวโฟกัสนั่นคือ D \u003d 1 / f มันถูกวัดในไดออปเตอร์ (ไดออปเตอร์) นั่นคือ 1 ไดออปเตอร์=1 ม-1.
คุณสมบัติหลักของรังสีที่ผ่านเลนส์มีดังนี้
- ลำแสงที่ลอดผ่านจุดศูนย์กลางแสงไม่เปลี่ยนทิศทางการเคลื่อนที่
- รังสีตกกระทบขนานกับแกนแสงหลักเปลี่ยนทิศทางเพื่อให้ผ่านจุดโฟกัสหลัก
- รังสีตกลงบนกระจกออปติคัลที่มุมใดก็ได้ แต่ผ่านการโฟกัสจะเปลี่ยนทิศทางของการแพร่กระจายในลักษณะที่ขนานกับแกนแสงหลัก
คุณสมบัติข้างต้นของรังสีสำหรับเลนส์บางในวิชาฟิสิกส์ (ตามที่เรียกกันเพราะไม่ว่าพวกมันจะเกิดเป็นทรงกลมอะไรและหนาแค่ไหน เฉพาะคุณสมบัติทางแสงของวัตถุเท่านั้น) เพื่อสร้างภาพ.
รูปภาพในแว่นสายตา: สร้างยังไง
ด้านล่างเป็นรูปที่มีรายละเอียดโครงร่างสำหรับการสร้างภาพในเลนส์นูนและเลนส์เว้าของวัตถุ(ลูกศรสีแดง) ขึ้นอยู่กับตำแหน่ง
ข้อสรุปที่สำคัญตามมาจากการวิเคราะห์วงจรในรูป:
- ภาพใด ๆ ถูกสร้างขึ้นบนรังสี 2 เท่านั้น (ผ่านจุดศูนย์กลางและขนานกับแกนลำแสงหลัก)
- เลนส์บรรจบกัน (แสดงด้วยลูกศรที่ปลายด้านชี้ออกไปด้านนอก) สามารถให้ทั้งภาพขยายและย่อ ซึ่งในทางกลับกันอาจเป็นของจริง (ของจริง) หรือจินตภาพ
- หากวัตถุอยู่ในโฟกัส เลนส์จะไม่สร้างภาพ (ดูแผนภาพด้านล่างทางด้านซ้ายของภาพ)
- แว่นสายตาที่กระจัดกระจาย (แสดงด้วยลูกศรที่ปลายด้านที่ชี้เข้าด้านใน) จะให้ภาพเสมือนจริงที่ลดขนาดลงเสมอโดยไม่คำนึงถึงตำแหน่งของวัตถุ
การหาระยะทางของภาพ
เพื่อกำหนดว่าภาพจะปรากฏในระยะใด โดยรู้ตำแหน่งของวัตถุนั้น เราให้สูตรเลนส์ในวิชาฟิสิกส์: 1/f=1/do + 1 /d i โดยที่ do และ di คือระยะห่างจากวัตถุและไปยังภาพของวัตถุจากแสง ศูนย์กลางตามลำดับ f คือจุดสนใจหลัก หากเรากำลังพูดถึงการสะสมแก้วออปติคอล ค่า f จะเป็นค่าบวก ในทางกลับกัน สำหรับเลนส์ที่แตกต่างกัน f เป็นลบ
ลองใช้สูตรนี้และแก้ปัญหาง่ายๆ กัน: ให้วัตถุอยู่ในระยะ do=2f จากศูนย์กลางของแก้วเก็บแสง ภาพลักษณ์ของเขาจะปรากฏที่ใด
จากสภาพปัญหาเรามี: 1/f=1/(2f)+1/di. จาก: 1/di=1/f - 1/(2f)=1/(2f), เช่น di=2 ฉ. ดังนั้น ภาพจะปรากฏที่ระยะโฟกัสสองจุดจากเลนส์ แต่อยู่อีกด้านหนึ่งที่ไม่ใช่ตัววัตถุ (ซึ่งระบุด้วยเครื่องหมายบวกของค่า di)
ประวัติโดยย่อ
อยากรู้ที่มาของคำว่าเลนส์ มันมาจากคำภาษาละติน lens และ lentis ซึ่งแปลว่า "lentil" เนื่องจากวัตถุที่มองเห็นในรูปทรงของมันดูเหมือนผลไม้ของพืชชนิดนี้จริงๆ
พลังหักเหของวัตถุทรงกลมโปร่งใสเป็นที่รู้จักในหมู่ชาวโรมันโบราณ เพื่อจุดประสงค์นี้ พวกเขาใช้ภาชนะแก้วทรงกลมที่เติมน้ำ เลนส์แก้วเริ่มผลิตเฉพาะในศตวรรษที่ 13 ในยุโรปเท่านั้น ใช้เป็นเครื่องมือในการอ่านหนังสือ (แว่นสมัยใหม่หรือแว่นขยาย)
การใช้วัตถุเชิงแสงในการผลิตกล้องโทรทรรศน์และกล้องจุลทรรศน์อย่างแข็งขันมีขึ้นตั้งแต่ศตวรรษที่ 17 (ในตอนต้นของศตวรรษนี้ กาลิเลโอได้ประดิษฐ์กล้องโทรทรรศน์ขึ้นเป็นครั้งแรก) โปรดทราบว่าสูตรทางคณิตศาสตร์ของกฎการหักเหของแสงของสเตลล่า โดยไม่รู้ว่าเป็นไปไม่ได้ที่จะผลิตเลนส์ที่มีคุณสมบัติตามต้องการ เผยแพร่โดยนักวิทยาศาสตร์ชาวดัตช์เมื่อต้นศตวรรษที่ 17
เลนส์อื่นๆ
ตามที่ระบุไว้ข้างต้น นอกจากวัตถุหักเหแสงแล้ว ยังมีวัตถุแม่เหล็กและความโน้มถ่วงอีกด้วย ตัวอย่างของอดีตคือเลนส์แม่เหล็กในกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน ตัวอย่างที่ชัดเจนของเลนส์หลังคือการบิดเบือนทิศทางของฟลักซ์แสงเมื่อมันผ่านเข้าไปใกล้วัตถุอวกาศขนาดใหญ่ (ดาว, ดาวเคราะห์)
