Certains objets sont capables de modifier la densité du flux de rayonnement électromagnétique qui leur tombe dessus, c'est-à-dire soit de l'augmenter en le collectant en un point, soit de le diminuer en le diffusant. Ces objets sont appelés lentilles en physique. Examinons ce problème de plus près.
Que sont les lentilles en physique ?
Ce concept signifie absolument tout objet capable de changer la direction de propagation du rayonnement électromagnétique. C'est la définition générale des lentilles en physique, qui comprend les verres optiques, les lentilles magnétiques et gravitationnelles.
Dans cet article, l'accent sera mis sur les verres optiques, qui sont des objets constitués d'un matériau transparent et limités par deux surfaces. L'une de ces surfaces doit nécessairement avoir une courbure (c'est-à-dire faire partie d'une sphère de rayon fini), sinon l'objet n'aura pas la propriété de changer la direction de propagation des rayons lumineux.
Le principe de la lentille
L'essence du travail de ce simpleobjet optique est le phénomène de réfraction des rayons du soleil. Au début du XVIIe siècle, le célèbre physicien et astronome néerlandais Willebrord Snell van Rooyen publia la loi de la réfraction, qui porte actuellement son nom de famille. La formulation de cette loi est la suivante: lorsque la lumière solaire traverse l'interface entre deux milieux optiquement transparents, alors le produit du sinus de l'angle d'incidence entre le faisceau et la normale à la surface et l'indice de réfraction du milieu dans lequel il se propage est une valeur constante.
Pour clarifier ce qui précède, donnons un exemple: laissez la lumière tomber à la surface de l'eau, tandis que l'angle entre la normale à la surface et le faisceau est θ1. Ensuite, le faisceau lumineux est réfracté et commence sa propagation dans l'eau déjà à un angle θ2 par rapport à la normale à la surface. D'après la loi de Snell, on obtient: sin(θ1)n1=sin(θ2) n2, où n1 et n2 sont les indices de réfraction pour l'air et l'eau, respectivement. Qu'est-ce que l'indice de réfraction ? Il s'agit d'une valeur indiquant combien de fois la vitesse de propagation des ondes électromagnétiques dans le vide est supérieure à celle d'un milieu optiquement transparent, c'est-à-dire n=c/v, où c et v sont les vitesses de la lumière dans le vide et dans le moyen, respectivement.
La physique de l'apparition de la réfraction réside dans la mise en œuvre du principe de Fermat, selon lequel la lumière se déplace de manière à surmonter la distance d'un point à un autre dans l'espace dans les plus brefs délais.
Types de lentilles
Le type de lentille optique en physique est déterminé uniquement par la forme des surfaces qui la composent. La direction de réfraction du faisceau incident sur eux dépend de cette forme. Ainsi, si la courbure de la surface est positive (convexe), alors, en sortant de la lentille, le faisceau lumineux se propagera plus près de son axe optique (voir ci-dessous). A l'inverse, si la courbure de la surface est négative (concave), alors en traversant le verre optique, le faisceau s'éloignera de son axe central.
Notez à nouveau qu'une surface de n'importe quelle courbure réfracte les rayons de la même manière (selon la loi de Stella), mais que leurs normales ont une pente différente par rapport à l'axe optique, ce qui entraîne un comportement différent du rayon réfracté.
Une lentille délimitée par deux surfaces convexes est appelée lentille convergente. À son tour, s'il est formé de deux surfaces à courbure négative, on parle alors de diffusion. Tous les autres types de verres optiques sont associés à une combinaison de ces surfaces, auxquelles un plan est également ajouté. La propriété de la lentille combinée (divergente ou convergente) dépend de la courbure totale des rayons de ses surfaces.
Éléments de lentille et propriétés des rayons
Pour intégrer des lentilles dans la physique de l'image, vous devez vous familiariser avec les éléments de cet objet. Ils sont listés ci-dessous:
- Axe optique principal et centre. Dans le premier cas, il s'agit d'une droite passant perpendiculairement à la lentille par son centre optique. Ce dernier, à son tour, est un point à l'intérieur de la lentille, à travers lequel le faisceau ne subit pas de réfraction.
- Distance focale et mise au point - la distance entre le centre et un point sur l'axe optique, qui recueille tous les rayons incidents sur la lentille parallèlement à cet axe. Cette définition vaut pour la collection de verres optiques. Dans le cas des lentilles divergentes, ce ne sont pas les rayons eux-mêmes qui vont converger vers un point, mais leur prolongement imaginaire. Ce point est appelé le foyer principal.
- Puissance optique. C'est le nom de l'inverse de la distance focale, c'est-à-dire D \u003d 1 / f. Il est mesuré en dioptries (dioptries), soit 1 dioptrie.=1 m-1.
Voici les principales propriétés des rayons qui traversent la lentille:
- le faisceau passant par le centre optique ne change pas sa direction de mouvement;
- les rayons incidents parallèlement à l'axe optique principal changent de direction pour passer par le foyer principal;
- les rayons tombant sur le verre optique sous n'importe quel angle, mais passant par son foyer, changent leur direction de propagation de telle manière qu'ils deviennent parallèles à l'axe optique principal.
Les propriétés ci-dessus des rayons pour les lentilles minces en physique (comme on les appelle parce que quelles que soient les sphères qu'elles forment et leur épaisseur, seules les propriétés optiques de l'objet comptent) sont utilisées pour y construire des images.
Images dans les verres optiques: comment construire ?
Ci-dessous est une figure qui détaille les schémas de construction d'images dans les lentilles convexes et concaves d'un objet(flèche rouge) en fonction de sa position.
Des conclusions importantes découlent de l'analyse des circuits de la figure:
- Toute image est construite sur seulement 2 rayons (passant par le centre et parallèles à l'axe optique principal).
- Les lentilles convergentes (indiquées par des flèches aux extrémités pointant vers l'extérieur) peuvent donner à la fois une image agrandie et réduite, qui à son tour peut être réelle (réelle) ou imaginaire.
- Si l'objet est mis au point, l'objectif ne forme pas son image (voir le schéma inférieur à gauche sur la figure).
- Les verres optiques diffusants (indiqués par des flèches à leurs extrémités pointant vers l'intérieur) donnent toujours une image réduite et virtuelle quelle que soit la position de l'objet.
Trouver la distance à une image
Pour déterminer à quelle distance l'image apparaîtra, connaissant la position de l'objet lui-même, nous donnons la formule de la lentille en physique: 1/f=1/do + 1 /d i, où do et di sont la distance à l'objet et à son image depuis l'optique centre, respectivement, f est le foyer principal. Si nous parlons d'un verre optique collecteur, le nombre f sera positif. Inversement, pour une lentille divergente, f est négatif.
Utilisons cette formule et résolvons un problème simple: supposons que l'objet soit à une distance do=2f du centre du verre optique collecteur. Où son image apparaîtra-t-elle ?
D'après la condition du problème, nous avons: 1/f=1/(2f)+1/di. De: 1/di=1/f - 1/(2f)=1/(2f), soit di=2 F. Ainsi, l'image apparaîtra à une distance de deux foyers de l'objectif, mais de l'autre côté de l'objet lui-même (ceci est indiqué par le signe positif de la valeur di).
Un bref historique
Il est curieux de donner l'étymologie du mot "lentille". Il vient des mots latins lens et lentis, qui signifie "lentille", car les objets optiques dans leur forme ressemblent vraiment au fruit de cette plante.
Le pouvoir de réfraction des corps transparents sphériques était connu des anciens Romains. Pour cela, ils utilisaient des récipients ronds en verre remplis d'eau. Les lentilles en verre elles-mêmes n'ont commencé à être fabriquées qu'au XIIIe siècle en Europe. Ils servaient d'outil de lecture (lunettes modernes ou loupe).
L'utilisation active d'objets optiques dans la fabrication de télescopes et de microscopes remonte au XVIIe siècle (au début de ce siècle, Galilée inventa le premier télescope). Notez que la formulation mathématique de la loi de réfraction de Stella, sans la connaissance de laquelle il est impossible de fabriquer des lentilles avec les propriétés souhaitées, a été publiée par un scientifique hollandais au début du même 17ème siècle.
Autres objectifs
Comme indiqué ci-dessus, en plus des objets à réfraction optique, il existe également des objets magnétiques et gravitationnels. Un exemple des premiers sont les lentilles magnétiques dans un microscope électronique, un exemple frappant du second est la distorsion de la direction du flux lumineux,lorsqu'il passe à proximité de corps spatiaux massifs (étoiles, planètes).
