Hay objetos que son capaces de cambiar la densidad del flujo de radiación electromagnética que cae sobre ellos, es decir, aumentarla al recogerla en un punto, o disminuirla al dispersarla. Estos objetos se llaman lentes en física. Echemos un vistazo más de cerca a este problema.
¿Qué son las lentes en física?
Este concepto significa absolutamente cualquier objeto que sea capaz de cambiar la dirección de propagación de la radiación electromagnética. Esta es la definición general de lentes en física, que incluye gafas ópticas, lentes magnéticas y gravitacionales.
En este artículo, la atención se centrará en las gafas ópticas, que son objetos hechos de un material transparente y limitados por dos superficies. Una de estas superficies necesariamente debe tener curvatura (es decir, ser parte de una esfera de radio finito), de lo contrario el objeto no tendrá la propiedad de cambiar la dirección de propagación de los rayos de luz.
El principio de la lente
La esencia del trabajo de este sencilloobjeto óptico es el fenómeno de la refracción de los rayos del sol. A principios del siglo XVII, el célebre físico y astrónomo holandés Willebrord Snell van Rooyen publicó la ley de la refracción, que actualmente lleva su apellido. La formulación de esta ley es la siguiente: cuando la luz del sol pasa a través de la interfaz entre dos medios ópticamente transparentes, entonces el producto del seno del ángulo de incidencia entre el haz y la normal a la superficie y el índice de refracción del medio en el que se propaga es un valor constante.
Para aclarar lo anterior, pongamos un ejemplo: dejemos que la luz caiga sobre la superficie del agua, mientras que el ángulo entre la normal a la superficie y el haz es θ1. Luego, el haz de luz se refracta y comienza su propagación en el agua ya en un ángulo θ2 con respecto a la normal a la superficie. Según la ley de Snell, obtenemos: sin(θ1)n1=sin(θ2) n2, donde n1 y n2 son los índices de refracción para el aire y el agua, respectivamente. ¿Qué es el índice de refracción? Este es un valor que muestra cuántas veces la velocidad de propagación de las ondas electromagnéticas en el vacío es mayor que la de un medio ópticamente transparente, es decir, n=c/v, donde c y v son las velocidades de la luz en el vacío y en el medio, respectivamente.
La física de la aparición de la refracción radica en la implementación del principio de Fermat, según el cual la luz se mueve de tal manera que supera la distancia de un punto a otro en el espacio en el menor tiempo posible.
Tipos de lentes
El tipo de lente óptica en física está determinado únicamente por la forma de las superficies que la forman. De esta forma depende la dirección de refracción del haz que incide sobre ellos. Entonces, si la curvatura de la superficie es positiva (convexa), entonces, al salir de la lente, el haz de luz se propagará más cerca de su eje óptico (ver más abajo). Por el contrario, si la curvatura de la superficie es negativa (cóncava), al atravesar el vidrio óptico, el haz se alejará de su eje central.
Tenga en cuenta nuevamente que una superficie de cualquier curvatura refracta los rayos de la misma manera (de acuerdo con la ley de Stella), pero las normales a ellos tienen una pendiente diferente en relación con el eje óptico, lo que resulta en un comportamiento diferente del rayo refractado.
Una lente limitada por dos superficies convexas se llama lente convergente. A su vez, si está formado por dos superficies con curvatura negativa, entonces se llama dispersión. Todos los demás tipos de gafas ópticas están asociados a una combinación de estas superficies, a la que también se le añade un plano. La propiedad que tendrá la lente combinada (divergente o convergente) depende de la curvatura total de los radios de sus superficies.
Elementos de la lente y propiedades de los rayos
Para incorporar lentes en física de imágenes, debe familiarizarse con los elementos de este objeto. Se enumeran a continuación:
- Eje óptico principal y centro. En el primer caso, significan una línea recta que pasa perpendicular a la lente por su centro óptico. Este último, a su vez, es un punto dentro de la lente, atravesado por el cual el haz no experimenta refracción.
- Distancia focal y foco - la distancia entre el centro y un punto en el eje óptico, que recoge todos los rayos incidentes en la lente paralelos a este eje. Esta definición es cierta para coleccionar anteojos ópticos. En el caso de lentes divergentes, no son los rayos mismos los que convergerán en un punto, sino su continuación imaginaria. Este punto se llama foco principal.
- Potencia óptica. Este es el nombre del recíproco de la distancia focal, es decir, D \u003d 1 / f. Se mide en dioptrías (dioptrías), es decir, 1 dioptría.=1 metro-1.
Las siguientes son las principales propiedades de los rayos que atraviesan la lente:
- el rayo que pasa por el centro óptico no cambia su dirección de movimiento;
- los rayos incidentes paralelos al eje óptico principal cambian de dirección para pasar por el foco principal;
- los rayos que caen sobre el vidrio óptico en cualquier ángulo, pero que pasan por su foco, cambian su dirección de propagación de tal manera que se vuelven paralelos al eje óptico principal.
Las propiedades anteriores de los rayos para lentes delgados en física (como se les llama porque no importa qué esferas se formen y qué tan gruesas sean, solo importan las propiedades ópticas del objeto) se usan para construir imágenes en ellos.
Imágenes en lentes ópticos: ¿cómo construir?
Abajo hay una figura que detalla los esquemas para construir imágenes en las lentes convexas y cóncavas de un objeto(flecha roja) según su posición.
Se derivan importantes conclusiones del análisis de los circuitos de la figura:
- Cualquier imagen se construye con solo 2 rayos (que pasan por el centro y son paralelos al eje óptico principal).
- Las lentes convergentes (indicadas con flechas en los extremos que apuntan hacia afuera) pueden dar una imagen tanto ampliada como reducida, que a su vez puede ser real (real) o imaginaria.
- Si el objeto está enfocado, entonces la lente no forma su imagen (vea el diagrama inferior a la izquierda de la figura).
- Los anteojos ópticos de dispersión (indicados por flechas en sus extremos que apuntan hacia adentro) siempre brindan una imagen reducida y virtual independientemente de la posición del objeto.
Encontrar la distancia a una imagen
Para determinar a qué distancia aparecerá la imagen, conociendo la posición del propio objeto, damos la fórmula de la lente en física: 1/f=1/do + 1 /d i, donde do y di son la distancia al objeto y a su imagen desde la óptica centro, respectivamente, f es el foco principal. Si estamos hablando de un vidrio óptico colector, entonces el número f será positivo. Por el contrario, para una lente divergente, f es negativa.
Utilicemos esta fórmula y resolvamos un problema simple: deje que el objeto esté a una distancia do=2f desde el centro del vidrio óptico colector. ¿Dónde aparecerá su imagen?
De la condición del problema tenemos: 1/f=1/(2f)+1/di. De: 1/di=1/f - 1/(2f)=1/(2f), es decir, di=2 F. Así, la imagen aparecerá a una distancia de dos focos de la lente, pero del otro lado del objeto mismo (esto se indica con el signo positivo del valor di).
Una breve historia
Es curioso dar la etimología de la palabra "lente". Proviene de las palabras latinas lens y lentis, que significa "lenteja", ya que los objetos ópticos en su forma realmente se parecen al fruto de esta planta.
El poder de refracción de los cuerpos transparentes esféricos era conocido por los antiguos romanos. Para ello, utilizaban recipientes redondos de vidrio llenos de agua. Las lentes de vidrio comenzaron a fabricarse solo en el siglo XIII en Europa. Se utilizaban como herramienta de lectura (anteojos modernos o una lupa).
El uso activo de objetos ópticos en la fabricación de telescopios y microscopios se remonta al siglo XVII (a principios de este siglo, Galileo inventó el primer telescopio). Tenga en cuenta que la formulación matemática de la ley de refracción de Stella, sin cuyo conocimiento es imposible fabricar lentes con las propiedades deseadas, fue publicada por un científico holandés a principios del mismo siglo XVII.
Otras lentes
Como se señaló anteriormente, además de los objetos refractivos ópticos, también hay objetos magnéticos y gravitacionales. Un ejemplo de lo primero son las lentes magnéticas en un microscopio electrónico, un ejemplo vívido de lo segundo es la distorsión de la dirección del flujo de luz,cuando pasa cerca de cuerpos espaciales masivos (estrellas, planetas).
