Existem objetos que são capazes de alterar a densidade do fluxo de radiação eletromagnética que incide sobre eles, ou seja, aumentando-o coletando-o em um ponto, ou diminuindo-o espalhando-o. Esses objetos são chamados de lentes em física. Vamos dar uma olhada mais de perto nesta questão.
O que são lentes na física?
Este conceito significa absolutamente qualquer objeto que seja capaz de mudar a direção de propagação da radiação eletromagnética. Esta é a definição geral de lentes na física, que inclui óculos ópticos, lentes magnéticas e gravitacionais.
Neste artigo, o foco será nos vidros ópticos, que são objetos feitos de um material transparente e limitados por duas superfícies. Uma dessas superfícies deve necessariamente ter curvatura (ou seja, fazer parte de uma esfera de raio finito), caso contrário o objeto não terá a propriedade de alterar a direção de propagação dos raios de luz.
O princípio da lente
A essência do trabalho deste descomplicadoobjeto óptico é o fenômeno de refração dos raios do sol. No início do século XVII, o famoso físico e astrônomo holandês Willebrord Snell van Rooyen publicou a lei da refração, que atualmente leva seu sobrenome. A formulação desta lei é a seguinte: quando a luz solar passa pela interface entre dois meios opticamente transparentes, então o produto do seno do ângulo de incidência entre o feixe e a normal à superfície e o índice de refração do meio em que ele se propaga é um valor constante.
Para esclarecer o acima, vamos dar um exemplo: deixe a luz cair na superfície da água, enquanto o ângulo entre a normal à superfície e o feixe é θ1. Em seguida, o feixe de luz é refratado e inicia sua propagação na água já em um ângulo θ2 com a normal à superfície. De acordo com a lei de Snell, temos: sin(θ1)n1=sin(θ2) n2, onde n1 e n2 são os índices de refração para ar e água, respectivamente. Qual é o índice de refração? Este é um valor que mostra quantas vezes a velocidade de propagação das ondas eletromagnéticas no vácuo é maior do que para um meio opticamente transparente, ou seja, n=c/v, onde c e v são as velocidades da luz no vácuo e no médio, respectivamente.
A física do aparecimento da refração está na implementação do princípio de Fermat, segundo o qual a luz se move de forma a superar a distância de um ponto a outro no espaço no menor tempo.
Tipos de lentes
O tipo de lente óptica na física é determinado unicamente pela forma das superfícies que a formam. A direção de refração do feixe incidente sobre eles depende dessa forma. Assim, se a curvatura da superfície for positiva (convexa), ao sair da lente, o feixe de luz se propagará mais próximo de seu eixo óptico (veja abaixo). Por outro lado, se a curvatura da superfície for negativa (côncava), passando pelo vidro óptico, o feixe se afastará de seu eixo central.
Observe novamente que uma superfície de qualquer curvatura refrata os raios da mesma maneira (de acordo com a lei de Stella), mas as normais a elas têm uma inclinação diferente em relação ao eixo óptico, resultando em um comportamento diferente do raio refratado.
Uma lente limitada por duas superfícies convexas é chamada de lente convergente. Por sua vez, se for formado por duas superfícies com curvatura negativa, é chamado de espalhamento. Todos os outros tipos de vidros ópticos estão associados a uma combinação dessas superfícies, às quais também é adicionado um plano. Qual propriedade a lente combinada terá (divergente ou convergente) depende da curvatura total dos raios de suas superfícies.
Elementos da lente e propriedades do raio
Para construir lentes na física da imagem, você precisa se familiarizar com os elementos desse objeto. Eles estão listados abaixo:
- Eixo óptico principal e centro. No primeiro caso, eles significam uma linha reta que passa perpendicularmente à lente através de seu centro óptico. Este último, por sua vez, é um ponto dentro da lente, passando pelo qual o feixe não sofre refração.
- Distância focal e foco - a distância entre o centro e um ponto no eixo óptico, que recolhe todos os raios incidentes na lente paralelamente a este eixo. Esta definição é verdadeira para a coleta de vidros ópticos. No caso de lentes divergentes, não são os próprios raios que irão convergir para um ponto, mas sua continuação imaginária. Este ponto é chamado de foco principal.
- Potência óptica. Este é o nome do recíproco da distância focal, ou seja, D \u003d 1 / f. É medido em dioptrias (dioptrias), ou seja, 1 dioptria.=1 m-1.
As seguintes são as principais propriedades dos raios que passam pela lente:
- feixe passando pelo centro óptico não muda sua direção de movimento;
- raios incidentes paralelos ao eixo óptico principal mudam sua direção para que passem pelo foco principal;
- raios incidindo sobre o vidro óptico em qualquer ângulo, mas passando pelo seu foco, mudam sua direção de propagação de tal forma que se tornam paralelos ao eixo óptico principal.
As propriedades acima dos raios para lentes finas em física (como são chamadas porque não importa quais esferas são formadas e quão espessas elas são, apenas as propriedades ópticas da matéria do objeto) são usadas para construir imagens nelas.
Imagens em óculos óticos: como construir?
Abaixo está uma figura que detalha os esquemas de construção de imagens nas lentes convexas e côncavas de um objeto(seta vermelha) dependendo de sua posição.
Conclusões importantes seguem da análise dos circuitos na figura:
- Qualquer imagem é construída em apenas 2 raios (passando pelo centro e paralelo ao eixo óptico principal).
- As lentes convergentes (indicadas com setas nas extremidades apontando para fora) podem fornecer uma imagem ampliada e reduzida, que por sua vez pode ser real (real) ou imaginária.
- Se o objeto estiver em foco, então a lente não forma sua imagem (veja o diagrama inferior à esquerda na figura).
- Os vidros ópticos de dispersão (indicados por setas em suas extremidades apontando para dentro) sempre fornecem uma imagem reduzida e virtual, independentemente da posição do objeto.
Como encontrar a distância de uma imagem
Para determinar a que distância a imagem aparecerá, sabendo a posição do próprio objeto, damos a fórmula da lente na física: 1/f=1/do + 1 /d i, onde do e di são a distância até o objeto e sua imagem da óptica centro, respectivamente, f é o foco principal. Se estivermos falando de um vidro óptico coletor, o número f será positivo. Por outro lado, para uma lente divergente, f é negativo.
Vamos usar esta fórmula e resolver um problema simples: deixe o objeto estar a uma distância do=2f do centro do vidro óptico coletor. Onde a imagem dele aparecerá?
Da condição do problema temos: 1/f=1/(2f)+1/di. De: 1/di=1/f - 1/(2f)=1/(2f), ou seja, di=2 f. Assim, a imagem aparecerá a uma distância de dois focos da lente, mas do outro lado que o próprio objeto (isso é indicado pelo sinal positivo do valor di).
Uma Breve História
É curioso dar a etimologia da palavra "lente". Vem das palavras latinas lens e lentis, que significa "lentilha", já que os objetos ópticos em sua forma realmente se parecem com o fruto desta planta.
O poder de refração dos corpos esféricos transparentes era conhecido pelos antigos romanos. Para isso, usaram recipientes redondos de vidro cheios de água. As próprias lentes de vidro começaram a ser feitas apenas no século 13 na Europa. Eles foram usados como ferramenta de leitura (óculos modernos ou uma lupa).
O uso ativo de objetos ópticos na fabricação de telescópios e microscópios remonta ao século XVII (no início deste século, Galileu inventou o primeiro telescópio). Observe que a formulação matemática da lei de refração de Stella, sem o conhecimento da qual é impossível fabricar lentes com as propriedades desejadas, foi publicada por um cientista holandês no início do mesmo século XVII.
Outras lentes
Como mencionado acima, além dos objetos refrativos ópticos, também existem objetos magnéticos e gravitacionais. Um exemplo do primeiro são as lentes magnéticas em um microscópio eletrônico, um exemplo vívido do último é a distorção da direção do fluxo de luz,quando passa perto de corpos espaciais massivos (estrelas, planetas).
