Связь между фокусным расстоянием линзы, расположением предмета перед линзой и расстоянием от линзы до изображения можно вычислить не прибегая к геометрическим построениям. Это можно сделать с помощью формулы линзы.
Для тонких симметричных линз эта формула имеет вид:
(5.3)
где - фокусное расстояние, м;
- расстояние от предмета до линзы, м;
- расстояние от линзы до изображения, м.
Величина называется оптической силой линзы и измеряется в диоптриях (1 Дп = 1 м-1)
Принятые обозначения проиллюстрированы на рис.12.
Рис.12
Важно отметить, что величины и отсчитываются от оси линзы в сторону хода луча и, следовательно, положительны за линзой и отрицательны перед ней. Это значит, что для собирающей линзы всегда , а для рассеивающей . Кроме того, если в результате расчета окажется , то это означает, что изображение находится перед линзой и является мнимым.
Величина отсчитывается от предмета до линзы и всегда положительна.
Проанализируем теперь свойства линз с помощью уравнения линзы. Из (5.3) нетрудно получить уравнение для нахождения расстояния от линзы до изображения:
|
|
, (5.4)
а также коэффициент увеличения , т.е отношение размера изображения к размеру предмета (очевидно, что / )
(5.5)
Для рассеивающей линзы из (5.4)и (5.5) следует, что и , т.к. числитель в этих формулах отрицателен, а знаменатель положителен. Это соответствует мнимому изображению. Кроме того, очевидно и следовательно , т.е изображение уменьшенное.
Таким образом, в рассеивающей линзе изображение всегда мнимое и уменьшенное.
Для собирающей линзы и из (5.4) и (5.5) следует, что:
1. При величины и , т.е. изображение мнимое. Поскольку , то , т.е изображение увеличенное
Таким образом, если предмет находится между передним фокусом и линзой, то его изображение мнимое и увеличенное.
2. При из (5.4) и (5.5) формально следует, что изображение находится на бесконечном удалении от линзы. На самом деле изображение в линзе отсутствует, т.к. проходящие через линзу лучи параллельны.
3. При величины и положительны, т.е. изображение действительное, причем
- если , то и изображение увеличенное;
- если , то и изображение уменьшенное.
Уравнение линзы не дает ответ на вопрос о расположении (прямое или перевернутое) изображения. Отметим, что в случае 1 изображение прямое, а в случаях 2 и 3 - перевернутое. Убедитесь в правильности последнего утверждения сами, построив изображение спички в собирающей линзе.