Les corps transparents comportant au moins une surface incurvée sont appelés lentilles. Le plus souvent, il existe des lentilles symétriques par rapport à l'axe optique. Caractéristiques optiques les lentilles dépendent du rayon et du type de courbure.
Lentilles convergentes
Les lentilles convexes ou convexes ont un centre plus épais que les bords. Un faisceau de lumière parallèle, tel qu’un rayon de soleil, tombe sur une lentille convexe. La lentille collecte un faisceau de lumière au niveau d'un foyer F. La distance entre le plan médian et le foyer est appelée distance focale de la lentille f. Plus il est court, plus la puissance optique de l'objectif est grande. Cette puissance se mesure en dioptries.
Prenons un objectif d'une distance focale de 0,5 mètre. Alors la puissance optique de l'objectif est égale à un divisé par la distance focale : 1/0,5 m = 2 dioptries. 
lentille divergente
Les lentilles concaves ou divergentes sont les lentilles dont les bords sont plus épais que l'épaisseur moyenne.
Dans ce cas, le faisceau lumineux parallèle sera diffusé. Dans ce cas, il semblera que le faisceau lumineux sorte d'un point, appelé foyer imaginaire. Distance focale en dans ce cas sera négative et, par conséquent, la puissance optique de la lentille divergente sera également négative.
Prenons un objectif d'une focale de -0,25 mètres. Alors la puissance optique sera égale à : 1/-0,25 = -4 dioptries. 
Le principe de construction d'une image à l'aide d'une lentille convergente
Une lentille convergente produit une image réelle. Seulement, il sera bouleversé. 
Si nous voulons obtenir une image plus précise, alors connaissant la distance focale, nous pouvons construire cette image. Pour cela, nous avons besoin de trois rayons.
Un rayon se propageant parallèlement à l'axe optique, réfracté dans une lentille et passant par le foyer est appelé rayon parallèle. 
Le rayon passant par le centre de la lentille est appelé rayon principal. Cela ne se réfracte pas. 
Le rayon qui passe devant la lentille à travers le foyer puis se propage parallèlement à l'axe optique est appelé rayon focal. Au point d'intersection des trois rayons, l'image la plus claire sera. 
Si la distance entre l'objet et la lentille est très grande, alors la distance entre l'image de cet objet et la lentille sera beaucoup plus petite, c'est-à-dire la taille de l'image sera réduite.
Si la distance de l'objet est deux fois plus grande distance focale, alors l'image aura la même taille que l'objet lui-même et elle sera située au double de la distance focale derrière l'objectif. 
Si l’on rapproche un objet du foyer, on obtient une image agrandie située à une grande distance de l’autre côté de l’objectif. 
Si l’objet est directement mis au point ou encore plus proche de l’objectif, nous obtiendrons une image floue. 
Nous savons que la lumière, tombant d'un milieu transparent à un autre, est réfractée - c'est le phénomène de réfraction de la lumière. De plus, l’angle de réfraction est inférieur à l’angle d’incidence lorsque la lumière pénètre dans un milieu optique plus dense. Qu’est-ce que cela signifie et comment peut-il être utilisé ?
Si nous prenons un morceau de verre aux bords parallèles, comme une vitre, nous obtiendrons un léger décalage dans l’image vue à travers la fenêtre. C'est-à-dire qu'en entrant dans le verre, les rayons de lumière seront réfractés et, en entrant à nouveau dans l'air, ils se réfracteront à nouveau aux valeurs précédentes de l'angle d'incidence, mais en même temps ils se déplaceront légèrement, et l'ampleur du déplacement dépendra de l'épaisseur du verre.
Évidemment, d'un tel phénomène avantage pratique Un peu. Mais si nous prenons du verre dont les plans sont inclinés les uns par rapport aux autres, par exemple un prisme, alors l'effet sera complètement différent. Les rayons traversant un prisme sont toujours réfractés vers sa base. C'est facile à vérifier.
Pour ce faire, dessinez un triangle et tracez un rayon entrant dans l'un de ses côtés. En utilisant la loi de la réfraction de la lumière, nous traçons chemin supplémentaire rayon. Après avoir effectué cette procédure plusieurs fois sous différentes significations angle d'incidence, nous découvrirons que quel que soit l'angle sous lequel le faisceau entre dans le prisme, compte tenu de la double réfraction en sortie, il s'écartera toujours vers la base du prisme.
Lentille et ses propriétés
Cette propriété d'un prisme est utilisée dans un appareil très simple qui permet de contrôler la direction des flux lumineux - une lentille. Une lentille est un corps transparent délimité des deux côtés par des surfaces incurvées du corps. Ils examinent la structure et le principe de fonctionnement des lentilles dans un cours de physique de huitième année.
En fait, une section transversale d’une lentille peut être représentée par deux prismes placés l’un sur l’autre. L'effet optique de la lentille dépend des parties de ces prismes qui sont situées les unes par rapport aux autres.
Types de lentilles en physique
Malgré l'énorme diversité, il n'existe que deux types de lentilles en physique : respectivement convexes et concaves, ou convergentes et divergentes.
Une lentille convexe, c’est-à-dire une lentille convergente, a des bords beaucoup plus fins que le milieu. Une lentille convergente en section est constituée de deux prismes reliés par des bases, de sorte que tous les rayons qui la traversent convergent vers le centre de la lentille.
Au contraire, les bords d’une lentille concave sont toujours plus épais que le milieu. Une lentille divergente peut être représentée par deux prismes reliés par leurs sommets et, par conséquent, les rayons traversant une telle lentille divergent du centre.
Les gens ont découvert les propriétés similaires des lentilles il y a longtemps. L'utilisation de lentilles a permis à l'homme de concevoir une grande variété d'instruments et de dispositifs optiques qui facilitent la vie et facilitent la vie quotidienne et la production.
Il existe des objets capables de modifier la densité du flux tombant sur eux un rayonnement électromagnétique, c'est-à-dire soit l'augmenter en le collectant en un point, soit le réduire en le dispersant. Ces objets sont appelés lentilles en physique. Examinons cette question de plus près.
Que sont les lentilles en physique ?
Ce concept désigne absolument tout objet capable de changer la direction de propagation du rayonnement électromagnétique. Ce définition générale lentilles en physique, qui comprennent les lunettes optiques, les lentilles magnétiques et gravitationnelles.
Dans cet article, l’attention principale sera portée aux lunettes optiques, qui sont des objets constitués d’un matériau transparent et limités à 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.
Principe de fonctionnement de l'objectif
L'essence du fonctionnement de cet objet optique simple réside dans le phénomène de réfraction rayons de soleil. Au début du XVIIe siècle, le célèbre physicien et astronome néerlandais Willebrord Snell van Rooyen publia la loi de la réfraction, qui porte aujourd'hui son nom. La formulation de cette loi est la suivante : lorsque la lumière solaire traverse l'interface entre deux milieux optiquement transparents, le produit du sinus entre le faisceau et la normale à la surface et l'indice de réfraction du milieu dans lequel elle se propage est une valeur constante. .
Pour expliquer ce qui précède, donnons un exemple : laissez la lumière tomber sur la surface de l’eau, et l’angle entre la normale à la surface et le rayon est égal à θ 1. Ensuite, le faisceau lumineux est réfracté et commence sa propagation dans l'eau selon un angle θ 2 par rapport à la normale à la surface. D'après la loi de Snell, on obtient : sin(θ 1)*n 1 = sin(θ 2)*n 2, ici n 1 et n 2 sont les indices de réfraction de l'air et de 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 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 respectivement la vitesse de la lumière dans le vide et dans un milieu.
La physique de la réfraction réside dans la réalisation du principe de Fermat selon lequel la lumière se déplace de telle manière que le moins de temps surmonter la distance d'un point à un autre dans l'espace.
L'apparence d'une lentille optique en physique est déterminée uniquement par la forme des surfaces qui la forment. De cette forme dépend la direction de réfraction du faisceau incident. Ainsi, si la courbure de la surface est positive (convexe), alors à la sortie de la lentille, le faisceau lumineux se propagera plus près de son axe optique (voir ci-dessous). Au contraire, si la courbure de la surface est négative (concave), alors après avoir traversé le verre optique, le faisceau commencera à s'éloigner de son axe central.
Notons encore une fois qu'une surface de n'importe quelle courbure réfracte les rayons de manière égale (selon la loi de Stell), mais leurs normales ont des inclinaisons différentes par rapport à l'axe optique, le résultat est comportement différent 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 sont associés à une combinaison des surfaces spécifiées, à laquelle un plan est également ajouté. La propriété qu'aura la lentille combinée (divergente ou convergente) dépend de la courbure totale des rayons de ses surfaces.
Éléments de lentille et propriétés des rayons
Pour construire des images dans des lentilles en physique, il faut se familiariser avec les éléments de cet objet. Ils sont donnés 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, traversé par lequel le faisceau ne subit pas de réfraction.
- Distance focale et mise au point - la distance entre le centre et le point sur l'axe optique dans lequel sont collectés tous les rayons incidents sur la lentille parallèlement à cet axe. Cette définition est vraie pour la collection de lunettes optiques. Dans le cas de lentilles divergentes, ce ne sont pas les rayons eux-mêmes qui seront rassemblés en un point, mais leur prolongement imaginaire. Ce point est appelé le focus principal.
- Puissance optique. C'est le nom de l'inverse de la distance focale, c'est-à-dire D = 1/f. Elle se mesure en dioptries (doptères), soit 1 dioptrie. = 1 m -1 .
Voici les principales propriétés des rayons qui traversent une lentille :
- le faisceau traversant le centre optique ne change pas la direction de son mouvement ;
- les rayons incidents parallèlement à l'axe optique principal changent de direction pour traverser le foyer principal ;
- Les rayons incidents sur le verre optique sous n'importe quel angle, mais passant par son foyer, changent de direction de propagation de telle manière qu'ils deviennent parallèles à l'axe optique principal.
Les propriétés ci-dessus des rayons pour lentilles minces en physique (on les appelle ainsi parce que peu importe de quelles sphères elles sont formées ou leur épaisseur, seules les propriétés optiques de la matière de l'objet) sont utilisées pour y construire des images.
Images dans des lunettes optiques : comment construire ?
Vous trouverez ci-dessous une figure qui montre en détail les schémas de construction d'images dans les lentilles convexes et concaves d'un objet (flèche rouge) en fonction de sa position.
De l’analyse des circuits de la figure, des conclusions importantes découlent :
- 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 produire une image agrandie ou réduite, qui à son tour peut être réelle (réelle) ou virtuelle.
- Si un objet est mis au point, alors 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 dirigées vers l'intérieur) donnent toujours une lumière réduite et image virtuelle.
Trouver la distance à une image
Pour déterminer à quelle distance l'image apparaîtra, connaissant la position de l'objet lui-même, nous présentons la formule de la lentille en physique : 1/f = 1/d o + 1/d i, où d o et d i sont la distance à l'objet et à son image depuis le centre optique, respectivement, f - foyer principal. Si nous parlons de concernant la collecte de verre optique, alors le nombre f sera positif. Au contraire, pour une lentille divergente, f est négatif.
Utilisons cette formule et résolvons tâche simple: que l'objet soit à une distance d o = 2*f du centre du verre optique collecteur. Où apparaîtra son image ?
À partir des conditions du problème, nous avons : 1/f = 1/(2*f)+1/d i . De : 1/d i = 1/f - 1/(2*f) = 1/(2*f), c'est-à-dire d i = 2*f. Ainsi, l'image apparaîtra à une distance de deux foyers de l'objectif, mais de l'autre côté que l'objet lui-même (ceci est indiqué par le signe positif de la valeur d i).
Histoire courte
Il est intéressant de donner l’étymologie du mot « lentille ». Il vient des mots latins lens et lentis, qui signifient « lentille », car les objets optiques dans leur forme ressemblent beaucoup au fruit de cette plante.
La capacité de réfraction des corps transparents sphériques était connue des anciens Romains. Pour cela, ils utilisaient des récipients ronds en verre remplis d’eau. Eux-mêmes lentilles en verre Ils n'ont commencé à être fabriqués 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 (Galilée a inventé le premier télescope au début de ce siècle). A noter que la formulation mathématique de la loi de réfraction de Stell, sans la connaissance de laquelle il est impossible de produire des lentilles ayant des propriétés données, a été publiée par un scientifique néerlandais au début du même XVIIe siècle.
Autres types de lentilles
Comme indiqué ci-dessus, en plus des objets optiques réfringents, il existe également des objets magnétiques et gravitationnels. Un exemple des premiers sont les lentilles magnétiques dans microscope électronique, un exemple frappant de cette dernière est la distorsion de la direction du flux lumineux lorsqu'il passe à proximité de corps cosmiques massifs (étoiles, planètes).
Lentille appelé corps transparent délimité par deux surfaces courbes (le plus souvent sphériques) ou courbes et planes. Les lentilles sont divisées en convexes et concaves.
Les lentilles dont le milieu est plus épais que les bords sont dites convexes. Les lentilles dont le milieu est plus fin que les bords sont dites concaves.
Si l'indice de réfraction de la lentille est supérieur à l'indice de réfraction environnement, puis dans une lentille convexe un faisceau parallèle de rayons après réfraction se transforme en un faisceau convergent. De telles lentilles sont appelées collecte(Fig. 89, a). Si un faisceau parallèle dans une lentille est converti en un faisceau divergent, alors ces lentilles sont appelés diffusion(Fig. 89, b). Verres concaves, lequel environnement externe sert de l'air, sont dissipatifs.
O 1, O 2 - centres géométriques des surfaces sphériques limitant la lentille. Droit O 1 O 2 reliant les centres de ces surfaces sphériques est appelé axe optique principal. On considère habituellement des lentilles minces dont l'épaisseur est faible par rapport aux rayons de courbure de ses surfaces, donc les points C 1 et C 2 (sommets des segments) sont proches l'un de l'autre et peuvent être remplacés par un point O, appelé optique ; centre de la lentille (voir Fig. 89a). Toute ligne droite passant par le centre optique d'une lentille selon un angle par rapport à l'axe optique principal est appelée axe optique secondaire(A 1 A 2 B 1 B 2).
Si un faisceau de rayons parallèle à l'axe optique principal tombe sur une lentille collectrice, alors après réfraction dans la lentille, ils sont collectés en un point F, appelé foyer principal de l'objectif(Fig. 90, a).
Au foyer de la lentille divergente se croisent des suites de rayons qui, avant la réfraction, étaient parallèles à son axe optique principal (Fig. 90, b). Le foyer d’une lentille divergente est imaginaire. Il y a deux axes principaux : ils sont situés sur l'axe optique principal à la même distance du centre optique de la lentille sur les côtés opposés.
L'inverse de la distance focale de l'objectif est appelé son puissance optique. Puissance optique de l'objectif - D.
L'unité SI de puissance optique d'un objectif est la dioptrie. La dioptrie est la puissance optique d'un objectif dont la distance focale est de 1 m.
La puissance optique d’une lentille convergente est positive, tandis que celle d’une lentille divergente est négative.
Le plan passant par le foyer principal de la lentille perpendiculaire à l'axe optique principal est appelé focal(Fig. 91). Un faisceau de rayons incident sur la lentille parallèlement à un axe optique secondaire est collecté au point d'intersection de cet axe avec le plan focal.
Construire une image d'un point et d'un objet dans une lentille convergente.
Pour construire une image dans une lentille, il suffit de prélever deux rayons en chaque point de l'objet et de trouver leur point d'intersection après réfraction dans la lentille. Il est pratique d'utiliser des rayons dont le trajet après réfraction dans la lentille est connu. Ainsi, un rayon incident sur une lentille parallèle à l'axe optique principal, après réfraction dans la lentille, traverse le foyer principal ; le faisceau passant par le centre optique de la lentille n'est pas réfracté ; le rayon traversant le foyer principal de la lentille, après réfraction, est parallèle à l'axe optique principal ; un rayon incident sur la lentille parallèlement à l'axe optique secondaire, après réfraction dans la lentille, passe par le point d'intersection de l'axe avec le plan focal.
Laissez le point lumineux S se situer sur l'axe optique principal.
Nous choisissons un faisceau au hasard et traçons un axe optique secondaire parallèle à celui-ci (Fig. 92). Le rayon sélectionné passera par le point d'intersection de l'axe optique secondaire avec le plan focal après réfraction dans la lentille. Le point d'intersection de ce rayon avec l'axe optique principal (le deuxième rayon) donnera une image valide du point S - S`.
Considérons la construction d'une image d'un objet dans une lentille convexe.
Laissez le point se situer en dehors de l’axe optique principal, alors l’image S` peut être construite en utilisant deux rayons quelconques montrés sur la Fig. 93.
Si l'objet est situé à l'infini, alors les rayons se croiseront au foyer (Fig. 94).
Si l'objet est situé derrière le double foyer, alors l'image sera réelle, inversée, réduite (caméra, œil) (Fig. 95).
La plupart application importante La réfraction de la lumière consiste à utiliser des lentilles, généralement en verre. Sur l’image, vous pouvez voir des coupes transversales de différentes lentilles. Lentille appelé corps transparent délimité par des surfaces sphériques ou plates-sphériques. Toute lentille plus fine au milieu que sur les bords sera lentille divergente. Et vice versa : toute lentille plus épaisse au milieu que sur les bords sera lentille collectrice.
Pour plus de précisions, veuillez vous référer aux dessins. À gauche, on montre que les rayons se déplacent parallèlement à l’axe optique principal de la lentille collectrice, après quoi ils « convergent » en passant par le point F – valide objectif principal lentille collectrice. A droite est représenté le passage des rayons lumineux à travers une lentille divergente parallèle à son axe optique principal. Les rayons situés après la lentille « divergent » et semblent émaner du point F’, appelé imaginaire objectif principal lentille divergente. Elle n'est pas réelle, mais imaginaire car les rayons de lumière ne la traversent pas : seules leurs suites imaginaires (imaginaires) s'y croisent.
En physique scolaire, seul ce qu'on appelle lentilles fines, qui, quelle que soit leur symétrie « en section » ont toujours deux foyers principaux situés à égales distances de l'objectif. Si les rayons sont dirigés selon un angle par rapport à l’axe optique principal, nous trouverons alors de nombreux autres foyers au niveau de la lentille convergente et/ou divergente. Ces, astuces secondaires, seront situés à l'écart de l'axe optique principal, mais toujours par paires à égale distance de la lentille.
Une lentille ne peut pas seulement collecter ou diffuser des rayons. À l'aide d'objectifs, vous pouvez obtenir des images agrandies et réduites d'objets. Par exemple, grâce à une lentille convergente, une image agrandie et inversée d'une figurine dorée est obtenue sur l'écran (voir figure).
Les expériences montrent : une image claire apparaît, si l'objet, l'objectif et l'écran sont situés à certaines distances les uns des autres. Selon elles, les images peuvent être inversées ou redressées, agrandies ou réduites, réelles ou imaginaires.
La situation où la distance d de l'objet à la lentille est supérieure à sa distance focale F, mais inférieure au double de la distance focale 2F, est décrite dans la deuxième rangée du tableau. C'est exactement ce que l'on voit avec la figurine : son image est réelle, inversée et agrandie.
Si l'image est valide, elle peut être projetée sur un écran. Dans ce cas, l’image sera visible depuis n’importe quel endroit de la pièce depuis lequel l’écran est visible. Si l'image est virtuelle, alors elle ne peut pas être projetée sur un écran, mais ne peut être vue qu'avec l'œil, en la positionnant d'une certaine manière par rapport à l'objectif (il faut regarder « dedans »).
Les expériences montrent que les lentilles divergentes produisent une image virtuelle directe réduiteà n'importe quelle distance de l'objet à la lentille.
