Soczewka w fizyce. Charakterystyka i zastosowanie
Soczewka jest prostym urządzeniem optycznym, które składa się z jednego lub kilku sklejonych ze sobą bloków przezroczystego materiału (zazwyczaj szkła, ale także tworzyw sztucznych, minerałów, żeli, parafiny). Najczęściej występuje w kształcie wycinka walca, w miejscu podstaw zaś jest ograniczona powierzchniami kulistymi. Jakie są rodzaje soczewek? Jakie jest ich zastosowanie?
1. Czym jest soczewka?
Soczewka najczęściej jest zbudowana ze szkła, choć nie zawsze. Jest przezroczysta, materiał z którego jest zrobiona posiada inny współczynnik złamania światła, niż ośrodek, w którym się znajduje. Mówiąc dokładniej, chodzi tutaj o to, aby fala, będąca przed soczewką, po wejściu w nią zmieniła swój kierunek.
Mówiąc o soczewce, nie mamy tylko do czynienia ze światłem, dlatego też powinniśmy używać uniwersalnie pojecia załamania fali, a nie światła; mogą występować również soczewki akustyczne, mające za zadanie załamywać fale dźwiękowe.
Zwykle podczas naszej edukacji uczymy się o soczewkach szklanych, mogą być one zbudowane jednak z ciał stałych, ciekłych lub gazowych.
2. Rodzaje soczewek
Soczewki dzielimy ze względu na ich zdolność skupiającą. Według tego kryterium możemy wyróżnić soczewki:
- skupiające;
- rozpraszające.
Innym kryterium podziału soczewek jest ich konstrukcja. W tym podziale wyróżniamy soczewki:
- pojedyncze (np. szkło w okularach);
- złożone (np. soczewka Fresnela wykorzystywana w latarniach morskich).
Najpowszechniejszym podziałem soczewek jest jednak podział ze względu na ich kształt. Według tego kryterium wyróżniamy soczewki:
- dwuwklęsłe;
- dwuwypukłe;
- płasko - wypukłe;
- płasko - wklęsłe;
- wklęsło - wypukłe.
3. Własności soczewki
Każda soczewka posiada punkt nazywany ogniskową oraz oś optyczną. Jest ograniczona przez powierzchnie kuliste, które są wycinkami kul, środki kul zaś wyznaczają prostą będącą osią optyczną soczewki.
Ogniskową soczewki oznaczamy literą F, jest to punkt leżący na osi optycznej soczewki, w którym przecinają się kierunki fal bądź ich przedłużenia.
Matematyczny opis soczewki cienkiej zapisujemy wzorem:
1f=1x+1y=(n2n1−1)(1r1+1r2)
Uwzględniając, że kąt pomiędzy osią soczewki a promieniami fal nie jest duży, a także że:
- f to odległość ogniskowej od soczewki;
- n1 jest współczynnikiem załamania ośrodka, w którym znajduje się soczewka;
- n2 to współczynnik załamania soczewki;
- r1 i r2 to promienie powierzchni kulistych soczewki;
- x jest odległością przedmiotu od soczewki;
- y jest odległością obrazu od soczewki.
Dla promieni r powierzchni kulistych przyjmujemy znak ujemny dla powierzchni wklęsłych i dodatni dla powierzchni wypukłych. Dla płaskich r = ∞ co dla 1r=1∞=0.
Odległość ogniskowej od soczewki jest ujemna dla soczewek rozpraszających i dodatnia na skupiających.
Warto mieć na uwadze, że matematyczny opis przedstawia soczewkę cienką, która w uproszczeniu odwzorowuje rzeczywistość.
4. Zastosowanie soczewek
Soczewki znajdują zastosowanie w wielu przyrządach optycznych służących do kształtowania wiązki światła lub do tworzenia obrazu. Umieszczane są w:
- kamerach filmowych;
- aparatach fotograficznych;
- lunetach;
- mikroskopach;
- lornetkach;
- lupach;
- okularach leczniczych;
- soczewkach kontaktowych do oczu;
- spektrofotometrach;
- druku soczewkowym;
- świetlnych semaforach kolejowych.
