Կան առարկաներ, որոնք ունակ են փոխել իրենց վրա ընկնող էլեկտրամագնիսական ճառագայթման հոսքի խտությունը, այսինքն՝ կա՛մ մեծացնել այն մի կետում հավաքելով, կա՛մ նվազեցնել՝ ցրելով։ Այս առարկաները ֆիզիկայում կոչվում են ոսպնյակներ: Եկեք մանրամասն նայենք այս հարցին։
Ի՞նչ են ոսպնյակները ֆիզիկայում:
Այս հասկացությունը նշանակում է բացարձակապես ցանկացած օբյեկտ, որն ունակ է փոխել էլեկտրամագնիսական ճառագայթման տարածման ուղղությունը։ Սա ֆիզիկայի ոսպնյակների ընդհանուր սահմանումն է, որը ներառում է օպտիկական ակնոցներ, մագնիսական և գրավիտացիոն ոսպնյակներ:
Այս հոդվածում ուշադրության կենտրոնում կլինեն օպտիկական ակնոցները, որոնք թափանցիկ նյութից պատրաստված և երկու մակերեսով սահմանափակված առարկաներ են: Այդ մակերևույթներից մեկն անպայման պետք է ունենա կորություն (այսինքն՝ վերջավոր շառավիղով ոլորտի մաս կազմի), հակառակ դեպքում օբյեկտը լույսի ճառագայթների տարածման ուղղությունը փոխելու հատկություն չի ունենա։
Ոսպնյակի սկզբունքը
Այս անբարդույթի աշխատանքի էությունըօպտիկական օբյեկտը արևի ճառագայթների բեկման երևույթն է։ 17-րդ դարի սկզբին հոլանդացի հայտնի ֆիզիկոս և աստղագետ Վիլեբրորդ Սնել վան Ռոյենը հրապարակեց բեկման օրենքը, որը ներկայումս կրում է նրա ազգանունը։ Այս օրենքի ձևակերպումը հետևյալն է. երբ արևի լույսն անցնում է երկու օպտիկական թափանցիկ միջավայրերի միջերեսով, ապա ճառագայթի և մակերեսին նորմալ անկման անկյան սինուսի արտադրյալը և այն միջավայրի բեկման ինդեքսը, որում. այն տարածվում է հաստատուն արժեք:
Վերոնշյալը պարզաբանելու համար բերենք մի օրինակ՝ թող լույսը ընկնի ջրի մակերեսին, մինչդեռ նորմալի և մակերեսի և ճառագայթի միջև անկյունը θ1 է.. Այնուհետև լույսի ճառագայթը բեկվում է և սկսում է տարածվել ջրում արդեն մակերևույթի նկատմամբ նորմալ θ2 անկյան տակ: Սնելի օրենքի համաձայն՝ մենք ստանում ենք՝ sin(θ1)n1=մեղք (θ2) n2, որտեղ n1 և n2 օդի և ջրի բեկման ինդեքսներն են, համապատասխանաբար։ Ի՞նչ է բեկման ինդեքսը: Սա այն արժեքն է, որը ցույց է տալիս, թե քանի անգամ է էլեկտրամագնիսական ալիքների տարածման արագությունը վակուումում ավելի մեծ, քան օպտիկական թափանցիկ միջավայրի համար, այսինքն՝ n=c/v, որտեղ c-ն և v-ն լույսի արագությունն են վակուումում և միջավայրում: միջին, համապատասխանաբար։
Բրակցման արտաքին տեսքի ֆիզիկան կայանում է Ֆերմատի սկզբունքի իրականացման մեջ, ըստ որի լույսն այնպես է շարժվում, որ ամենակարճ ժամանակում հաղթահարում է տարածության մի կետից մյուսը տարածությունը։
։
Ոսպնյակների տեսակներ
Ֆիզիկայի մեջ օպտիկական ոսպնյակի տեսակը որոշվում է բացառապես այն ձևավորող մակերեսների տեսքով: Այս ձևից է կախված նրանց վրա ընկած ճառագայթի բեկման ուղղությունը: Այսպիսով, եթե մակերեսի կորությունը դրական է (ուռուցիկ), ապա ոսպնյակից դուրս գալուց հետո լույսի ճառագայթը կտարածվի ավելի մոտ իր օպտիկական առանցքին (տես ստորև): Եվ հակառակը, եթե մակերեսի կորությունը բացասական է (գոգավոր), ապա անցնելով օպտիկական ապակու միջով, ճառագայթը կհեռանա իր կենտրոնական առանցքից:
Նորից նկատի ունեցեք, որ ցանկացած կորության մակերեսը բեկում է ճառագայթները նույն ձևով (ըստ Ստելլայի օրենքի), բայց դրանց նորմալները օպտիկական առանցքի նկատմամբ ունեն տարբեր թեքություն, ինչը հանգեցնում է բեկված ճառագայթի տարբեր վարքագծին:
Երկու ուռուցիկ մակերևույթներով սահմանափակված ոսպնյակը կոչվում է համընկնող ոսպնյակ: Իր հերթին, եթե այն առաջանում է բացասական կորությամբ երկու մակերեսով, ապա այն կոչվում է ցրում։ Մնացած բոլոր տեսակի օպտիկական ակնոցները կապված են այս մակերեսների համակցության հետ, որին ավելացվում է նաև հարթություն։ Թե ինչ հատկություն կունենա համակցված ոսպնյակը (դիվերգենտ կամ կոնվերգենտ), կախված է դրա մակերեսների շառավիղների ընդհանուր կորությունից:
Ոսպնյակի տարրեր և ճառագայթների հատկություններ
Պատկերների ֆիզիկայում ոսպնյակներ կառուցելու համար անհրաժեշտ է ծանոթանալ այս օբյեկտի տարրերին: Դրանք թվարկված են ստորև՝
- Հիմնական օպտիկական առանցք և կենտրոն. Առաջին դեպքում դրանք նշանակում են ուղիղ գիծ, որն անցնում է ոսպնյակին ուղղահայաց նրա օպտիկական կենտրոնով։Վերջինս իր հերթին ոսպնյակի ներսում գտնվող մի կետ է, որն անցնում է, որով ճառագայթը բեկում չի զգում։
- Կիզակետային երկարություն և ֆոկուս - օպտիկական առանցքի կենտրոնի և կետի միջև հեռավորությունը, որը հավաքում է այս առանցքին զուգահեռ ոսպնյակի վրա ընկած բոլոր ճառագայթները: Այս սահմանումը ճիշտ է օպտիկական ակնոցներ հավաքելու համար: Դիվերգենտ ոսպնյակների դեպքում ոչ թե բուն ճառագայթները կմիավորվեն մի կետի, այլ դրանց երևակայական շարունակությունը: Այս կետը կոչվում է հիմնական ուշադրություն:
- Օպտիկական հզորություն. Սա կիզակետային երկարության փոխադարձության անունն է, այսինքն ՝ D \u003d 1 / f: Այն չափվում է դիոպտրերով (դիոպտրերով), այսինքն՝ 1 դիոպտրով։=1 մ-1.
Հետևյալն են ոսպնյակի միջով անցնող ճառագայթների հիմնական հատկությունները.
- օպտիկական կենտրոնով անցնող ճառագայթը չի փոխում իր շարժման ուղղությունը;
- ճառագայթները, որոնք դիպչում են հիմնական օպտիկական առանցքին զուգահեռ, փոխում են իրենց ուղղությունն այնպես, որ նրանք անցնում են հիմնական կիզակետով;
- ճառագայթները, որոնք ընկնում են օպտիկական ապակու վրա ցանկացած անկյան տակ, բայց անցնելով դրա կիզակետով, փոխում են իրենց տարածման ուղղությունը այնպես, որ դրանք զուգահեռ են դառնում հիմնական օպտիկական առանցքին:
Ճառագայթների վերը նշված հատկությունները բարակ ոսպնյակների համար ֆիզիկայում (ինչպես դրանք կոչվում են, քանի որ անկախ նրանից, թե դրանք ինչ գնդիկներ են ձևավորվում և որքան հաստ են դրանք, դրանցում պատկերներ ստեղծելու համար օգտագործվում են միայն առարկայի օպտիկական հատկությունները):.
Պատկերներ օպտիկական ակնոցներով. ինչպե՞ս կառուցել:
Ստորև ներկայացված է պատկեր, որը մանրամասնում է օբյեկտի ուռուցիկ և գոգավոր ոսպնյակներում պատկերներ կառուցելու սխեմաները:(կարմիր սլաք) կախված իր դիրքից։
Կարևոր եզրակացություններ են բխում նկարի սխեմաների վերլուծությունից.
- Ցանկացած պատկեր կառուցված է միայն 2 ճառագայթների վրա (անցնում է կենտրոնով և զուգահեռ հիմնական օպտիկական առանցքին):
- Կոնվերգացիոն ոսպնյակները (նշված են դեպի դուրս ուղղված սլաքներով) կարող են տալ և՛ մեծացած, և՛ փոքրացված պատկեր, որն իր հերթին կարող է լինել իրական (իրական) կամ երևակայական:
- Եթե օբյեկտը գտնվում է ուշադրության կենտրոնում, ապա ոսպնյակը չի ձևավորում իր պատկերը (տե՛ս նկարի ձախ կողմում գտնվող ստորին գծապատկերը):
- Ցրվող օպտիկական ակնոցները (նշվում են դեպի ներս ուղղված սլաքներով) միշտ տալիս են կրճատված և վիրտուալ պատկեր՝ անկախ օբյեկտի դիրքից:
Գտեք պատկերի հեռավորությունը
Որպեսզի որոշենք, թե ինչ հեռավորության վրա կհայտնվի պատկերը, իմանալով բուն օբյեկտի դիրքը, տալիս ենք ոսպնյակի բանաձևը ֆիզիկայում՝ 1/f=1/do + 1 /d i, որտեղ do և di հեռավորությունն են օբյեկտին և նրա պատկերին օպտիկականից: կենտրոնը, համապատասխանաբար, f-ը հիմնական ուշադրության կենտրոնում է: Եթե մենք խոսում ենք հավաքող օպտիկական ապակու մասին, ապա f-համարը դրական կլինի։ Ընդհակառակը, դիվերգենտ ոսպնյակի համար f-ը բացասական է։
Եկեք օգտագործենք այս բանաձևը և լուծենք մի պարզ խնդիր. թող օբյեկտը գտնվի հավաքող օպտիկական ապակու կենտրոնից do=2f հեռավորության վրա: Որտե՞ղ կհայտնվի նրա կերպարը:
Խնդիրի պայմանից ունենք՝ 1/f=1/(2f)+1/di. Սկսած՝ 1/di=1/f - 1/(2f)=1/(2f), այսինքն՝ di=2 զ. Այսպիսով, պատկերը կհայտնվի ոսպնյակից երկու օջախի հեռավորության վրա, բայց այն մյուս կողմում, քան բուն առարկան (սա նշվում է di արժեքի դրական նշանով)::
Համառոտ պատմություն
Հետաքրքիր է տալ «ոսպնյակ» բառի ստուգաբանությունը։ Այն առաջացել է լատիներեն lens և lentis բառերից, որոնք նշանակում են «ոսպ», քանի որ օպտիկական իրերն իրենց ձևով իսկապես նման են այս բույսի պտուղին։
Գնդաձեւ թափանցիկ մարմինների բեկման ուժը հայտնի էր հին հռոմեացիներին: Այդ նպատակով օգտագործել են ջրով լցված կլոր ապակյա անոթներ։ Ապակե ոսպնյակներն իրենք սկսեցին արտադրվել միայն 13-րդ դարում Եվրոպայում: Դրանք օգտագործվել են որպես ընթերցանության գործիք (ժամանակակից ակնոց կամ խոշորացույց):
Օպտիկական օբյեկտների ակտիվ օգտագործումը աստղադիտակների և մանրադիտակների արտադրության մեջ սկսվում է 17-րդ դարից (այս դարի սկզբին Գալիլեոն հայտնագործեց առաջին աստղադիտակը): Նշենք, որ Ստելլայի բեկման օրենքի մաթեմատիկական ձևակերպումը, առանց որի իմացության անհնար է պատրաստել ցանկալի հատկություններով ոսպնյակներ, հրապարակվել է հոլանդացի գիտնականի կողմից նույն 17-րդ դարի սկզբին:
:
Այլ ոսպնյակներ
Ինչպես նշվեց վերևում, բացի օպտիկական բեկող առարկաներից, կան նաև մագնիսական և գրավիտացիոն առարկաներ: Առաջինի օրինակն են էլեկտրոնային մանրադիտակի մագնիսական ոսպնյակները, երկրորդի վառ օրինակը լույսի հոսքի ուղղության աղավաղումն է,երբ այն անցնում է հսկայական տիեզերական մարմինների մոտ (աստղեր, մոլորակներ):
