Jaka jest rola zwierciadeł i soczewek?

Można za ich pomocą tworzyć obrazy – pomniejszone, powiększone albo na ekranach. Zapewne wielu z Was próbowało (być może z sukcesem) podpalić coś za pomocą szkła powiększającego (soczewki). To samo można osiągnąć za pomocą wklęsłego lusterka. Jak to się dzieje? Energia światła musi być zebrana z większej powierzchni i skoncentrowana, skupiona. To skupianie wiązki świetlnej zapewniają soczewki tzw. skupiające i zwierciadła wklęsłe (takie, jakich używają czasem panie przy robieniu makijażu). Przyjrzyj się, jak soczewki skupiające wyglądają w przekroju.

Czym jest ognisko soczewki?

Jeśli przepuścimy równoległą wiązkę światła przez soczewkę, tak jak to widzimy na rysunku, wiązka skupi się w punkcie, który nazwiemy ogniskiem soczewki. Odległość od ogniska do soczewki zwykle oznacza się literą f i nazywa ogniskową soczewki. Prostą AB nazywamy osią optyczną soczewki.

Są soczewki i zwierciadła, które nie skupiają światła – wręcz przeciwnie – rozpraszają je. Są to zwierciadła wypukłe i soczewki rozpraszające.

Czym jest ognisko pozorne?

Jeśli przez taką soczewkę przejdzie równoległa wiązka światła, to nie skupi się w punkcie. Drogi promieni świetlnych rozejdą się. Gdybyśmy te rozproszone promienie przedłużyli, przedłużenia te skupiłyby się w jednym punkcie, tak jak to pokazano na rysunku poniżej.

Punkt skupienia przedłużeń promieni świetlnych nazwiemy ogniskiem pozornym.

Jak tworzy się obraz w soczewce?

Wiecie, że soczewki i zwierciadła (kuliste) mogą powiększać lub pomniejszać przedmioty. Oczywiście nie zmieniają one samych przedmiotów, tylko tworzą ich powiększone lub pomniejszone obrazy. Jak to robią? Już wiecie, że promienie świetlne lub ich przedłużenia mogą być przez soczewkę skupione. Przedmiot (a właściwie każdy jego punkt) emituje promienie świetlne we wszystkie strony. Część z nich pada na soczewkę. Po przejściu przez nią znów skupia się (promienie lub ich przedłużenia) w punktach, tworząc w ten sposób obraz przedmiotu. W sytuacji pokazanej na rysunku powstał obraz powiększony i „do góry nogami”, czyli odwrócony.

Do skonstruowania obrazu jakiegoś punktu przedmiotu wystarczą dwa promienie. Przecięcie tylko dwóch promieni już wyznacza położenie obrazu. Tylko których dwóch? Dowolnych. Musimy jednak je umieć narysować. Do tego celu przydadzą się:

  • Promień biegnący równolegle do osi optycznej – po przejściu przez soczewkę przetnie oś optyczną ogniska.
  • Promień, który przechodzi przez ognisko – po załamaniu w soczewce będzie biegł równolegle do osi optycznej.

Czasami może się przydać jeszcze trzeci promień:

  • Promień padający na środek soczewki – nie zmienia kierunku ruchu, nie załamuje się.

Wiedząc to, postarajmy się skonstruować obraz przedmiotu-strzałki, widocznej na rysunku poniżej.

Czy zawsze powstaje obraz powiększony i odwrócony? Czy zawsze powstaje dzięki przecięciu się samych promieni świetlnych? Czy też może powstać dzięki przecięciu się ich przedłużeń?

Wasze doświadczenie pozwala na pierwsze z tych pytań odpowiedzieć – nie, przecież czasami obrazy są pomniejszone, zdarzają się też obrazy, które nie są odwrócone. Odpowiedź na drugie pytanie jest trudniejsza. Najlepiej będzie, jeśli pytanie drugie i trzecie zastąpimy jednym: jaki rodzaj obrazu powstaje w zależności od tego, gdzie umieścimy (w stosunku do soczewki) przedmiot? Na pytanie to odpowiada się, konstruując obrazy przedmiotów położonych w różnych odległościach od soczewki.

Okazuje się, że są trzy rodzaje obrazów tworzonych przez soczewki skupiające i tylko jeden w przypadku soczewek rozpraszających.
Zbierzmy te przypadki w tabeli. Oznaczmy przez x odległość przedmiotu od soczewki, a f niech będzie jej ogniskową.

Są jeszcze dwa szczególne przypadki dla soczewki skupiającej:

Czym jest obraz rzeczywisty i pozorny?

Obraz rzeczywisty to taki, który można obejrzeć na ekranie. Powstaje on dzięki przecięciu się rzeczywistych promieni świetlnych.

Obraz pozorny powstaje tam, gdzie przecinają się przedłużenia rzeczywistych promieni, natomiast one same się nie przecinają. Nie można takiego obrazu obejrzeć na ekranie, ale można go zobaczyć gołym okiem. Odbicie w zwykłym lustrze jest właśnie obrazem pozornym.

Spójrzcie na rysunek: w ten sposób powstaje obraz w soczewce rozpraszającej.