Какие свойства луча используется в очках
Светово́й луч в геометрической оптике — линия, вдоль которой переносится световая энергия. Менее чётко, но более наглядно, можно назвать световым лучом пучок света малого поперечного размера.
Понятие светового луча является краеугольным приближением геометрической оптики. В этом определении подразумевается, что направление потока лучистой энергии (ход светового луча) не зависит от поперечных размеров пучка света. В силу того, что свет представляет собой волновое явление, имеет место дифракция, и в результате узкий пучок света распространяется не в каком-то одном направлении, а имеет конечное угловое распределение.
Однако в тех случаях, когда характерные поперечные размеры пучков света достаточно велики по сравнению с длиной волны, можно пренебречь расходимостью пучка света и считать, что он распространяется в одном единственном направлении: вдоль светового луча.
Эйкональное приближение в волновой оптике[править | править код]
Понятие светового луча можно вывести и из строгой волновой теории света в рамках так называемого эйконального приближения. В этом приближении считается, что все свойства среды, сквозь которую проходит свет, изменяются на расстояниях порядка длины волны света очень слабо. В результате, электромагнитную волну в среде можно локально рассматривать как кусочек фронта плоской волны с некоторым определённым вектором групповой скорости (которая, по определению, и ответственна за перенос энергии). Таким образом, совокупность всех векторов групповой скорости образует некоторое векторное поле. Пространственные кривые, касательные к этому полю в каждой точке, и называют световыми лучами. Поверхности, ортогональные в каждой точке к полю групповых скоростей, называются волновыми поверхностями.
В эйкональном приближении удаётся вместо уравнения для электромагнитной волны получить уравнение для распространения светового потока (то есть, для квадрата амплитуды электромагнитной волны) — уравнение эйконала. Решениями уравнения эйконала как раз и являются световые лучи, выпущенные из заданной точки.
Ход световых лучей[править | править код]
Световые лучи и принцип Ферма[править | править код]
Если свойства среды не зависят от координат (то есть если среда однородна), то световые лучи являются прямыми. Это следует непосредственно из эйконального приближения волновой оптики, однако то же самое удобно сформулировать исключительно в терминах геометрической оптики с помощью принципа Ферма. Стоит, однако, подчеркнуть, что применимость самого принципа Ферма к ходу световых лучей обосновывается только на уровне волновой оптики.
Законы преломления и отражения[править | править код]
Очевидно, что законы геометрической оптики не смогут помочь в случаях, когда одна среда резко, на расстояниях меньше длины волны света, сменяется другой средой. В частности, геометрическая оптика не может ответить на вопрос, почему вообще должно существовать преломление или отражение света. Ответы на эти вопросы даёт волновая оптика, однако результирующие закон преломления света и закон отражения света могут быть сформулированы опять же на языке геометрической оптики.
Гомоцентрические пучки[править | править код]
Набор близких световых лучей может рассматриваться как пучок света. Поперечные размеры пучка света не обязаны оставаться неизменными, поскольку в общем случае разные световые лучи не параллельны друг другу.
Важным случаем пучков света являются гомоцентрические пучки, то есть такие пучки света, все лучи которого пересекаются в какой-либо точке пространства. Такие пучки света могут быть формально получены из точечного источника света или из плоского светового фронта с помощью идеальной линзы. Стандартные задачи на построение изображений в оптических системах используют как раз свойства таких пучков.
Негомоцентрические пучки не сходятся в одну точку пространства. Вместо этого, каждый малый участок такого пучка сходится в свой фокус. Геометрическое место всех таких фокусов негомоцентрических пучков называется каустикой.
См. также[править | править код]
- Световой пучок
Литература[править | править код]
- Борн М., Вольф Э.. Основы оптики. М., 1973.
- Сивухин Д. В. Общий курс физики. Оптика. М., «Наука», 1985.
- Ф. А. Королев, «Теоретическая оптика», М., «Высшая. школа», 1996.
На данном уроке вы узнаете, что такое линза, какие бывают линзы. Познакомитесь с главными точками и линиями линзы. Узнаете, что такое мнимый и действительный фокус линзы.
Определение линзы
Главным применением законов преломления света являются линзы.
Что такое линза?
Само слово «линза» означает «чечевица».
Линзой называют прозрачное тело, ограниченное с двух сторон сферическими поверхностями.
Принцип работы линзы
Рассмотрим, как работает линза на принципе преломления света.
Рис. 1. Двояковыпуклая линза
Линза может быть разбита на несколько отдельных частей, каждая из которых представляет собой стеклянную призму. Верхнюю часть линзы представим в виде трехгранной призмы: падая на нее, свет преломляется и смещается в сторону основания. Все следующие части линзы представим как трапеции, в которых луч света проходит внутрь и снова выходит, смещаясь в направлении (рис. 1).
Виды линз
Виды линз (рис. 2)
Рис. 2. Виды линз
Собирающие линзы
1 – двояковыпуклая линза
2 – плоско-выпуклая линза
3 – выпукло-вогнутая линза
Рассеивающие линзы
4 – двояковогнутая линза
5 – плоско-вогнутая линза
6 – выпукло-вогнутая линза
Обозначение линз
Тонкая линза – это линза, толщина которой много меньше радиусов, ограничивающих ее поверхность (рис. 3).
Рис. 3. Тонкая линза
Видим, что радиус одной сферической поверхности и другой сферической поверхности больше, чем толщина линзы α.
Линза преломляет свет определенным образом. Если линза собирающая, то лучи собираются в одной точке. Если линза рассеивающая, то лучи рассеиваются.
Обозначение линз
Для обозначения различных линз введен специальный рисунок (рис. 4).
Рис. 4. Схематическое изображение линз
1 – схематическое изображение собирающей линзы
2 – схематичное изображение рассеивающей линзы
Точки и линии линзы:
1. Оптический центр линзы
2. Главная оптическая ось линзы (рис. 5)
3. Фокус линзы
4. Оптическая сила линзы
Рис. 5. Главная оптическая ось и оптический центр линзы
Главная оптическая ось – воображаемая линия, которая проходит через центр линзы и перпендикулярна плоскости линзы. Точка О является оптическим центром линзы. Все лучи, проходящие через эту точку, не преломляются.
Другая важная точка линзы – фокус (рис. 6). Он располагается на главной оптической оси линзы. В точке фокуса пересекаются все лучи, которые падают на линзу параллельно главной оптической оси.
Рис. 6. Фокус линзы
Характеристики линз
У каждой линзы два фокуса. Мы будем рассматривать равнофокусную линзу, то есть когда фокусы стоят от линзы на одинаковом расстоянии.
Расстояние между центром линзы и фокусом называется фокусным расстоянием (отрезок на рисунке). Второй фокус расположен с обратной стороны линзы.
Следующая характеристика линзы – это оптическая сила линзы.
Оптическая сила линзы (обозначается ) – это способность линзы преломлять лучи. Оптическая сила линзы – обратное значение фокусного расстояния:
Фокусное расстояние измеряется в единицах длины.
За единицу оптической силы выбрана такая единица измерения, при которой фокусное расстояние равно одному метру. Такая единица оптической силы называется диоптрия.
У собирающих линз впереди оптической силы ставится знак «+», а если линза рассеивающая, то перед оптической силой ставится знак «-».
Единица диоптрия записывается следующим образом:
Действительный и мнимый фокус
Для каждой линзы существует еще одно важное понятие. Это мнимый фокус и действительный фокус.
Действительный фокус – это такой фокус, который образован лучами, преломившимися в линзе.
Мнимый фокус – это фокус, который образуется продолжениями лучей, прошедших через линзу (рис. 7).
Мнимый фокус, как правило, у рассеивающей линзы.
Рис. 7. Мнимый фокус линзы
Вывод
На данном уроке вы узнали, что такое линза, какие бывают линзы. Познакомились с определением тонкой линзы и главными характеристиками линз и узнали, что такое мнимый фокус, действительный фокус, и в чем их различие.
Список литературы
- Генденштейн Л.Э, Кайдалов А.Б., Кожевников В.Б. /Под ред. Орлова В.А., Ройзена И.И. Физика 8. – М.: Мнемозина.
- Перышкин А.В. Физика 8. – М.: Дрофа, 2010.
- Фадеева А.А., Засов А.В., Киселев Д.Ф. Физика 8. – М.: Просвещение.
Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет
- Tak-to-ent.net (Источник).
- Tepka.ru (Источник).
- Megaresheba.ru (Источник).
Домашнее задание
- Задание 1. Определите оптическую силу собирающей линзы с фокусным расстоянием 2 метра.
- Задание 2. Каково фокусное расстояние линзы, оптическая сила которой равна 5 диоптрий?
- Задание 3. Может ли двояковыпуклая линза иметь отрицательную оптическую силу?
Екатерина Шагова
Конспект занятия «Преломление светового луча»
Тема: «Преломление светового луча»
Цель: Развивать познавательною активность детей в процессе экспериментирования; развивать умение выдвигать гипотезы, проверять предположения и формулировать выводы.Словарная работа со словами: выгнутая, вогнутая, отображение, преломляться, черпак.
Задачи:
• Повторить свойства света и светового луча;
• Познакомить детей с помощью опытной деятельности с понятием – преломление светового луча;
• Рассказать где используется эффект преломления светового луча;
• Разобрать виды отображающей поверхности;
• Исследовать формы отображающей поверхности;
• Исследовать зависимость отображения от формы отображающей поверхности.
• Создание проблемной ситуации (показ видео ролика, для активации познавательной активности детей, и желания решать возникающие вопросы при помощи опытно экспериментальной деятельности.
Оборудование:
• Магнитный мольберт;
• Пиктограммы света и светового луча;
• Картинки с изображением очков, фотоаппарата, видеокамеры, зеркала.
• Зеркало на подставке;
• Пустой стакан;
• Стакан наполненный на половину водой;
• Металлическая столовая ложка.
• Телевизор.
Материал:
• фломастер;
• тетрадь пиктограмм;
• Зеркала на подставке;
• Пустой стакан;
• Стакан наполненный на половину водой;
• Металлическая столовая ложка.
Предварительная работа:
Изучение свойств света и светового луча, наблюдение за воздухом и водой,
рассматривание отображений на разных отображающих поверхностях.
Ход работы
I. Подготовительный этап
Воспитатель: Ребята сегодня мы с вами продолжаем изучение свойств света и его использование.
Давайте вспомним свойства светового луча.
Выходит ребёнок и по пиктограммам рассказывает о свойствах света и светового луча: — — Источником света может являться не только солнце но и обычная лампа;
— Луч света прямолинеен;
— Свет расходится одинаково во всех направлениях;
— Луч света проходит через прозрачные предметы.
Воспитатель: продолжая исследовать свойства светового луча я предлагаю вам провести опыт.
Опыт1. «Почему сломалась ложка»
У детей на столе стоит стакан с ложкой и стакан с водой. Предлагаю их внимательно рассмотреть. Стакан с ложкой прозрачный, но не совсем пустой.
— Ребята как вы думаете, чем наполнен стакан?
Дети: воздухом.
Воспитатель: Правильно воздухом. Ложку хорошо видно в стакане?
Дети: хорошо видно потому что стакан и воздух прозрачны.
Воспитатель: Выньте ложку из стакана осмотрите её внимательно, не сломана ли она?
Дети: нет с ложкой все в порядке.
Воспитатель: Положите ложку обратно в стакан с воздухом изменилась ли форма ложки?
Дети: Нет,
Воспитатель: Поставьте стакан с ложкой и возьмите стакан с водой. Посмотрите внимательно часть стакана наполнена водой, а часть воздухом. То место где вода соприкасается с воздухом называется границей воды и воздуха.
Ребята скажите а пройдет ли луч света через воду и воздух?
Дети: да пройдёт, потому что воздух и вода прозрачны, а световой луч проходит через прозрачные предметы.
Воспитатель: Ребята давайте теперь вынем ложку из стакана с воздухом и поставим ложку в стакан с водой. Посмотрите внимательно произошли какие ни будь изменения с ложкой?
Дети: да, с ложкой произошли изменения, ложка кажется сломанной.
Воспитатель: А как вы думаете почему так получилось?
Дети высказывают свои предположения.
Воспитатель: Ложка кажется сломанной потому что луч света ни одинаково проходит сквозь воздух и воду. Луч света преломляется на границе воды и воздуха. Такой эффект называется преломлением светового луча.
Какой мы можем сделать вывод?
Дети:Вывод: Луч света не одинаково проходит через воду и воздух — преломляется на границе.
Такой эффект называется преломлением светового луча.
Воспитатель предлагает детям отобразить это на пиктограммах.
Воспитатель: ребята мы с вами изучили ещё одно свойство светового луча – преломление. Это свойство используется при изготовлении очков, фотоаппаратов, видеокамер и зеркал.
Сегодня мы с вами будем исследовать еще и отражающие поверхности. Но перед этим я хочу, чтобы мы с вами немножко отдохнули перед предстоящими исследованиями.
Физкультминутка.
Воспитатель: Мы с вами немного отдохнули и теперь с новыми силами можем приступать к новым исследованиям.
II Основной этап.
Представьте себе ясный солнечный день, вы стоите на берегу реки и смотрите в неё что вы видите в воде?
Дети: Своё отражение.
Воспитатель: А смогли бы вы увидеть своё отражение если бы не было солнца и была бы полная темнота?
Дети: Нет, потому что не было бы источника света.
Воспитатель: правильно без источника света не будет и отражения.
А где ещё можно увидеть своё отражение?
Дети: в зеркале, металлических предметах, в окне когда на улице темно, а в помещении светло.
Воспитатель: Ребята, а давайте изучим с вами свойства некоторых отражающих поверхностей.
И для начала я предлагаю вам пройти в наш видео зал и посмотреть очень интересный видеоролик.
Дети рассаживаются перед экраном и смотрят отрывок из мультфильма «Ну погоди!» «Комната смеха» (Волк и заяц рассматривают себя в кривых зеркалах).
После просмотра видеоролика воспитатель предлагает детям пройти обратно в экспериментальную лабораторию.
Воспитатель: ребята как вы думаете, почему в разных зеркалах у волка и зайца было разное отражение?
Дети высказывают свои предположения.
Воспитатель: А давайте чтобы проверить ваши догадки мы проведем некоторые опыты.
Опыт2. «Отражение в зеркале»
Воспитатель: Ребята у вас на столах стоят зеркала, возьмите их в руки, осмотрите их, какая поверхность зеркала?
Дети: ровная гладкая.
Воспитатель: а теперь давайте посмотримся в них, что вы видите?
Дети: Мы видим своё отражение.
Воспитатель: Да зеркала отражают ваш образ.
Докоснитесь пальцем до носа, уха, щеки. Что вы видите?
Дети: Мы видим, что отображение повторяет все за нами.
Воспитатель: Правильно, ваше отображение полностью повторяет все ваши движения.
Какой мы можем сделать вывод?
Дети: Отображение в зеркале полностью повторяет все движения.
Воспитатель предлагает отобразить это на пиктограмме.
Воспитатель: Ребята мы с вами рассмотрели отображение в зеркале и выяснили что оно полностью повторяет вши образы и движения.
А о каких еще отражающих поверхностях мы с вами говорили?
Дети: металлических.
Воспитатель: посмотрите на свои столы лежит ли на них что-то металлическое?
Дети: Да, столовая ложка.
Опыт 3. «Сломанная ложка»
Воспитатель: возьмите ложку, рассмотрите. Та часть за которую мы держимся называется ручкой, а та часть ложки, которой зачерпываем пищу – черпаком. Черпак имеет две стороны внешнюю – выгнутую, и внутреннюю – вогнутую сторону.
Давайте с вами посмотримся во внешнюю – выгнутую сторону черпака. Вы видите свое отображение?
Дети: да мы видим своё отображение.
Воспитатель: а давайте помашем себе рукой. Ваше отображение повторяет за вами как отображение в зеркале?
Дети: Да наше отображение повторяет за нами как в зеркале.
Воспитатель: А есть ли какая ни будь разница между отображением которое мы видели в зеркале, и отображением которое мы видим в выгнутой стороне черпака?
Дети: Изображение во внешней стороне черпака уменьшает наше отображение.
Воспитатель: да, из-за не ровной, а выгнутой поверхности черпака ваше отображение уменьшилось.
Давайте теперь посмотримся во внутреннюю – вогнутую сторону черпака, и тоже помашем себе рукой. Повторяет ли ваше отображение за вами?
Дети: Да повторяет.
А изменилось ли что ни будь в вашем отображении по сравнению с отображением во внешней стороне черпака?
Дети: Да, изменилось. Наше отображение не только уменьшилось, но и перевернулось.
Воспитатель: Какой мы из этого можем сделать вывод?
Дети: В зависимости от формы отображающей поверхности меняется отображение, но оно всегда повторяет наши движения.
Воспитатель предлагает запиктографировать полученный результат.
III Заключительный этап.
Воспитатель: Ребята мы с вами проделали опыты с 3 разными видами отображающей поверхности, С ровной, вогнутой и выгнутой. На основании наших исследований мы можем сказать от чего же зависит наше отображение в отражающей поверхности?
Дети: Наше отображение зависит от формы отражающей поверхности.
Теперь мы можем ответить на вопрос от чего у волка и зайца были такие разные отображения в зеркалах?
Дети: Да. У волка и зайца были разные отображения из -за разной формы зеркал.
Подведение итогов:
Воспитатель: Ребята мы сегодня с вами повторяли свойства света и светового луча. Что мы узнали нового о световом луче?
Дети: Световой луч по разному проходит через воду и воздух. На границе воды и воздуха световой луч преломляется. Такой эффект называется преломлением светового луча. Он используется в изготовлении очков, видеокамер, фотоаппаратов и зеркал.
Воспитатель: Что мы узнали о отражающих поверхностях?
Дети: Отражающие поверхности бывают разных видов и форм. Наше отображение повторяет все наши движения и зависит от формы отражающей поверхности.
Благодаря способности хрусталика изменять кривизну своей поверхности, изображение рассматриваемого предмета попадает точно на сетчатку глаза, если глаз здоровый.
Очевидно, что чем дальше находится предмет от глаза, тем меньше его изображение, попадающее на сетчатку. Когда необходимо рассмотреть предмет лучше, мы подносим его ближе к глазам. Но если поднести предмет слишком близко, то точного изображения предмета не получится. Обычно это происходит, если предмет помещён на расстояние меньше (20) см от глаза.
Наименьшее расстояние, на котором глаз человека может ясно видеть предметы без напряжения, называется расстоянием наилучшего зрения.
Для людей с хорошим зрением это расстояние равно (25) см. Это расстояние от книги до глаза при чтении.
Самое близкое и самое дальнее расстояние, на котором глаз может рассмотреть предмет, называется дальнейшей и ближайшей точкой ясного зрения.
Дальнейшая точка ясного видения — это максимальное расстояние, на котором глаз чётко видит предмет.
Для нормального глаза это расстояние составляет (5) метров.
Ближайшая точка ясного видения — это минимальное расстояние для глаза, на котором предмет рассматривается отчётливо.
Здоровый глаз способен рассматривать предмет на расстоянии (10) см.
Рассмотрим с вами самые распространённые дефекты зрения.
Близорукость, или миопия, возникает, если изображение предмета, находящегося на расстоянии (5) метров от глаза, формируется не на сетчатке глаза, а перед ней. Это возникает, если преломляющая способность глаза слишком велика для длины глаза, или наоборот, длина глаза слишком мала для преломляющей способности оптического аппарата глаза. Аккомодация в этом случае не помогает, так как она может только увеличить оптическую силу глаза, а не уменьшить. При близорукости дальнейшая точка ясного видения предмета находится ближе (5) метров, а ближайшая точка ясного виденья меньше (10) см.
Близорукость может возникать из-за увеличенной преломляющей способности хрусталика.
Пациенты с близорукостью жалуются на ослабление зрения вдаль, которое постепенно увеличивается. Часто такие пациенты прищуриваются, так как при этом площадь зрачка уменьшается, уменьшая рассеивание лучей света, и зрение несколько улучшается.
При дальнозоркости, или гиперметропии, изображение предмета формируется позади сетчатки.
При гиперметропии уменьшена длина глазного яблока, обычно более узкий зрачок. Пациент с дальнозоркостью видит нечётко предметы на любых расстояниях, причем при приближении предмета к глазу, зрение ухудшается. Термин «дальнозоркость» объясняется тем, что вдали такой пациент видит всё-таки лучше, чем вблизи.
Часто дальнозоркость связана с возрастными изменениями. Со временем хрусталик становится менее эластичным и выпуклым, становится тоньше, уменьшается его аккомодация.
Обычно поверхность роговой оболочки и поверхность хрусталика являются частями почти идеальной сферы. Если кривизна одной или обеих этих поверхностей оказывается искажённой, то для различных сечений глаза фокусные расстояния оказываются неодинаковыми. При этом изображение получается нечётким. Этот дефект называется астигматизмом.
Коррекция зрения возможна с помощью очков и линз. Линзы имеют ряд преимуществ перед очками. Они не ограничивают поле зрения, обеспечивая хороший обзор при повороте глаза, незаметны для окружающих. Однако при их ношении может развиваться индивидуальная непереносимость. При нарушении правил использования контактных линз могут возникнуть воспалительные заболеваний слизистой оболочки глаз.
Подбор линз производится отдельно для каждого глаза, так как дефекты зрения могут быть выражены в разной степени для левого и правого глаза. При этом для коррекции близорукости используются рассеивающие линзы, а для компенсации дальнозоркости — собирающие.