Ada benda yang mampu mengubah kerapatan fluks radiasi elektromagnetik yang menimpanya, yaitu meningkatkannya dengan mengumpulkannya di satu titik, atau menguranginya dengan menyebarkannya. Benda-benda ini disebut lensa dalam fisika. Mari kita lihat lebih dekat masalah ini.
Apa itu lensa dalam fisika?
Konsep ini benar-benar berarti benda apa pun yang mampu mengubah arah rambat radiasi elektromagnetik. Ini adalah definisi umum lensa dalam fisika, yang meliputi kacamata optik, lensa magnetik dan gravitasi.
Dalam artikel ini, fokusnya adalah pada kacamata optik, yaitu objek yang terbuat dari bahan transparan dan dibatasi oleh dua permukaan. Salah satu permukaan ini harus memiliki kelengkungan (yaitu, menjadi bagian dari bola berjari-jari terbatas), jika tidak, objek tidak akan memiliki sifat mengubah arah rambat sinar cahaya.
Prinsip lensa
Inti dari pekerjaan ini tidak rumitobjek optik adalah fenomena pembiasan sinar matahari. Pada awal abad ke-17, fisikawan dan astronom Belanda terkenal Willebrord Snell van Rooyen menerbitkan hukum pembiasan, yang saat ini menyandang nama belakangnya. Rumusan hukum ini adalah sebagai berikut: ketika sinar matahari melewati antarmuka antara dua media optik transparan, maka produk sinus sudut datang antara sinar dan normal ke permukaan dan indeks bias medium di mana itu menyebar adalah nilai konstan.
Untuk memperjelas hal di atas, mari kita beri contoh: biarkan cahaya jatuh di permukaan air, sedangkan sudut antara normal ke permukaan dan sinar adalah 1. Kemudian, berkas cahaya dibiaskan dan mulai merambat di dalam air yang sudah membentuk sudut 2 terhadap normal ke permukaan. Menurut hukum Snell, kita mendapatkan: sin(θ1)n1=sin(θ2) n2, di mana n1 dan n2 adalah indeks bias udara dan air, masing-masing. Apa itu indeks bias? Ini adalah nilai yang menunjukkan berapa kali kecepatan rambat gelombang elektromagnetik dalam ruang hampa lebih besar daripada untuk media transparan optik, yaitu, n=c/v, di mana c dan v adalah kecepatan cahaya dalam ruang hampa dan dalam ruang menengah, masing-masing.
Fisika penampakan pembiasan terletak pada penerapan prinsip Fermat, yang menyatakan bahwa cahaya bergerak sedemikian rupa untuk mengatasi jarak dari satu titik ke titik lain dalam ruang dalam waktu singkat.
Jenis lensa
Jenis lensa optik dalam fisika hanya ditentukan oleh bentuk permukaan yang membentuknya. Arah pembiasan sinar datang pada mereka tergantung pada bentuk ini. Jadi, jika kelengkungan permukaan positif (cembung), maka, saat keluar dari lensa, berkas cahaya akan merambat lebih dekat ke sumbu optiknya (lihat di bawah). Sebaliknya, jika kelengkungan permukaan negatif (cekung), maka melewati kaca optik, sinar akan menjauh dari sumbu pusatnya.
Perhatikan lagi bahwa permukaan kelengkungan apa pun membiaskan sinar dengan cara yang sama (menurut hukum Stella), tetapi garis normalnya memiliki kemiringan yang berbeda relatif terhadap sumbu optik, menghasilkan perilaku sinar bias yang berbeda.
Lensa yang dibatasi oleh dua permukaan cembung disebut lensa cembung. Sebaliknya, jika dibentuk oleh dua permukaan dengan kelengkungan negatif, maka itu disebut hamburan. Semua jenis kacamata optik lainnya dikaitkan dengan kombinasi permukaan ini, yang juga ditambahkan bidang. Sifat apa yang dimiliki lensa gabungan (divergen atau konvergen) bergantung pada kelengkungan total jari-jari permukaannya.
Elemen lensa dan sifat sinar
Untuk membangun lensa dalam fisika gambar, Anda perlu mengenal elemen-elemen objek ini. Mereka tercantum di bawah ini:
- Sumbu dan pusat optik utama. Dalam kasus pertama, mereka berarti garis lurus yang melewati tegak lurus lensa melalui pusat optiknya. Yang terakhir, pada gilirannya, adalah titik di dalam lensa, yang melaluinya sinar tidak mengalami pembiasan.
- Panjang fokus dan fokus - jarak antara pusat dan titik pada sumbu optik, yang mengumpulkan semua sinar yang datang pada lensa yang sejajar dengan sumbu ini. Definisi ini berlaku untuk mengoleksi kacamata optik. Dalam kasus lensa divergen, bukan sinar itu sendiri yang akan menyatu ke suatu titik, tetapi kelanjutan imajinernya. Titik ini disebut fokus utama.
- Daya optik. Ini adalah nama kebalikan dari panjang fokus, yaitu D \u003d 1 / f. Itu diukur dalam dioptri (dioptri), yaitu 1 dioptri.=1 m-1.
Berikut adalah sifat-sifat utama sinar yang melewati lensa:
- berkas yang melewati pusat optik tidak mengubah arah geraknya;
- sinar datang sejajar sumbu optik utama berubah arah sehingga melewati fokus utama;
- sinar yang jatuh pada kaca optik pada sudut mana pun, tetapi melewati fokusnya, mengubah arah rambatnya sedemikian rupa sehingga menjadi sejajar dengan sumbu optik utama.
Sifat-sifat di atas sinar untuk lensa tipis dalam fisika (disebut demikian karena tidak peduli apa bola yang mereka bentuk dan seberapa tebalnya, hanya sifat optik dari materi objek) yang digunakan untuk membangun gambar di dalamnya.
Gambar dalam kacamata optik: bagaimana cara membuatnya?
Di bawah ini adalah gambar yang merinci skema pembuatan bayangan pada lensa cembung dan cekung suatu benda(panah merah) tergantung posisinya.
Kesimpulan penting mengikuti analisis rangkaian pada gambar:
- Setiap gambar dibangun hanya pada 2 sinar (melewati pusat dan sejajar dengan sumbu optik utama).
- Lensa konvergen (dilambangkan dengan panah di ujungnya mengarah ke luar) dapat memberikan gambar yang diperbesar dan diperkecil, yang pada gilirannya dapat menjadi nyata (nyata) atau imajiner.
- Jika benda berada dalam fokus, maka lensa tidak membentuk bayangannya (lihat diagram bawah di sebelah kiri gambar).
- Kacamata optik hamburan (dilambangkan dengan panah di ujungnya mengarah ke dalam) selalu memberikan bayangan maya dan diperkecil terlepas dari posisi benda.
Mencari jarak ke gambar
Untuk menentukan pada jarak berapa bayangan akan muncul, mengetahui posisi benda itu sendiri, kita memberikan rumus lensa dalam fisika: 1/f=1/do + 1 /d i, di mana do dan di adalah jarak ke objek dan bayangannya dari optik pusat, masing-masing, f adalah fokus utama. Jika kita berbicara tentang kaca optik pengumpul, maka f-number akan positif. Sebaliknya, untuk lensa divergen, f negatif.
Mari gunakan rumus ini dan selesaikan masalah sederhana: biarkan objek berada pada jarak do=2f dari pusat kaca optik pengumpul. Di mana gambarnya akan muncul?
Dari kondisi masalah yang kita miliki: 1/f=1/(2f)+1/di. Dari: 1/di=1/f - 1/(2f)=1/(2f), yaitu di=2 f. Dengan demikian, bayangan akan muncul pada jarak dua fokus dari lensa, tetapi di sisi lain dari objek itu sendiri (ini ditunjukkan oleh tanda positif dari nilai di).
Sejarah Singkat
Sangat penasaran untuk memberikan etimologi dari kata "lensa". Itu berasal dari kata Latin lens dan lentis, yang berarti "lentil", karena objek optik dalam bentuknya benar-benar terlihat seperti buah dari tanaman ini.
Kekuatan bias benda transparan berbentuk bola diketahui oleh orang Romawi kuno. Untuk tujuan ini, mereka menggunakan bejana kaca bundar yang diisi dengan air. Lensa kaca sendiri baru mulai dibuat pada abad ke-13 di Eropa. Digunakan sebagai alat baca (kacamata modern atau kaca pembesar).
Penggunaan aktif objek optik dalam pembuatan teleskop dan mikroskop dimulai pada abad ke-17 (pada awal abad ini, Galileo menemukan teleskop pertama). Perhatikan bahwa rumusan matematis hukum pembiasan Stella, tanpa pengetahuan yang tidak mungkin membuat lensa dengan sifat yang diinginkan, diterbitkan oleh seorang ilmuwan Belanda pada awal abad ke-17 yang sama.
Lensa lain
Seperti disebutkan di atas, selain benda bias optik, ada juga benda magnet dan gravitasi. Contoh yang pertama adalah lensa magnetik dalam mikroskop elektron, contoh nyata dari yang terakhir adalah distorsi arah fluks cahaya,ketika melintas di dekat benda angkasa yang masif (bintang, planet).
