W budowie
Promienie charakterystyczne, konstrukcje obrazów, równanie soczewki i powiększenie liniowe

Moduł 07 — Konstrukcja obrazów w soczewkach i równanie soczewki — kurs Optyka (kurs podstawowy)

Moduł 07 kursu Optyka: Promienie charakterystyczne w soczewkach, konstrukcje obrazów dla 5 położeń w soczewce skupiającej i rozpraszającej, równanie soczewki 1/f = 1/x + 1/y, powiększenie p = y/x, lupa i rzutnik.

  • 45 min
  • 19 slajdów
  • Notatki nauczyciela: N
  • Strona modułu: otwórz
Plan · 45 min

Co dziś robimy

  1. 5 minCzego nauczysz się w tym module? Opanujesz 3 promienie charakterystyczne używane do geometrycznej konstrukcji obrazów w…
  2. 5 min1. Trzy promienie charakterystyczne — jak znaleźć obraz? Promień 1 (równoległy do osi optycznej): Biegnie z czubka przedmiotu równolegle do…
  3. 5 min2. Konstrukcje obrazów w soczewce skupiającej — 5 położeń teza, kod i pytanie kontrolne
  4. 5 min3. Obraz w soczewce rozpraszającej — zawsze stałe cechy Pozorny (powstaje przed soczewką na przecięciu przedłużeń promieni),
  5. 5 min4. Równanie soczewki i powiększenie liniowe Jeśli $p > 1$ → obraz jest powiększony (np. w lupie lub projektorze).
  6. 5 minAnimacja interaktywna: Symulator konstrukcji obrazu i równania soczewki teza, kod i pytanie kontrolne
  7. 5 minPrzykłady obliczeniowe krok po kroku Wypisujemy dane: $f = 15\text{ cm}$, $x = 20\text{ cm}$. Widzimy, że $f 30\text{ cm}$).
  8. 6 minZadanie transferowe: Odwrócony slajd i odwrócony świat w oku Projektor filmowy i rzutnik slajdów: Projektor tworzy obraz rzeczywisty i powiększony ($f…
  9. 5 minPodsumowanie bilet wyjściowy i zadanie domowe
Atom 1 z 9 · ~5 min

Czego nauczysz się w tym module?

Optyka — kurs podstawowy › Blok II: Załamanie światła i soczewki

  • Opanujesz 3 promienie charakterystyczne używane do geometrycznej konstrukcji obrazów w soczewkach.
  • Skonstruujesz i scharakteryzujesz obraz w soczewce skupiającej dla 5 różnych położeń przedmiotu ($x > 2f$, $x = 2f$, $f < x < 2f$, $x = f$, $x < f$).
  • Zrozumiesz zasadę działania lupy (jako soczewki skupiającej dla $x projektora multimedialnego ($f < x < 2f$).
  • Wyjaśnisz, dlaczego soczewka rozpraszająca daje zawsze obraz pozorny, prosty i pomniejszony .
Sprawdzenie · atom 1 · ~2 min

Pytanie do klasy

Aby wyznaczyć położenie obrazu świecącego punktu, wystarczy narysować:

Atom 2 z 9 · ~5 min

1. Trzy promienie charakterystyczne — jak znaleźć obraz?

Każdy świecący punkt przedmiotu (np. czubek płomienia świecy $A$) wysyła nieskończenie wiele promieni świetlnych we wszystkich kierunkach. Aby jednak znaleźć położenie obrazu tego punktu ($A'$), wystarczy narysować bieg dowolnych dwóch…

  • Promień 1 (równoległy do osi optycznej): Biegnie z czubka przedmiotu równolegle do głównej osi optycznej.
  • Promień 2 (przez środek optyczny $S$): Biegnie z czubka przedmiotu dokładnie przez środek soczewki $S$. Przechodzi przez soczewkę prosto, bez żadnego załamania! To…
  • Promień 3 (ogniskowy — przez ognisko $F_1$): Biegnie z czubka przedmiotu przez przednie ognisko $F_1$ do soczewki.
Wskazówka konstrukcyjna:
W praktyce najwygodniej jest wybrać Promień 1 (równoległy → przez ognisko) oraz Promień 2 (prosto przez środek $S$). Punkt, w którym te dwa promienie przetną się po prawej stronie soczewki (lub w którym przetną się ich przedłużenia po lewej stronie), wyznacza czubek obrazu $A'$!
Sprawdzenie · atom 2 · ~2 min

Pytanie do klasy

Aby wyznaczyć położenie obrazu świecącego punktu, wystarczy narysować:

Zestawienie · atom 3 · ~3 min

2. Konstrukcje obrazów w soczewce skupiającej — 5 położeń

Charakter obrazu w soczewce skupiającej zależy bezpośrednio od odległości przedmiotu $x$ od środka soczewki:

Położenie przedmiotu ($x$) Gdzie powstaje obraz ($y$)? Cechy obrazu Zastosowanie w przyrządach
$x > 2f$
(za podwójną ogniskową)
Między $f$ a $2f$ po drugiej stronie ($f < y < 2f$) rzeczywisty, odwrócony, pomniejszony ($p < 1$) Aparat fotograficzny (duży krajobraz pomniejszony na małej matrycy) oraz ludzkie oko (obraz na siatkówce)
$x = 2f$
(w podwójnej ogniskowej)
Dokładnie w $y = 2f$ po drugiej stronie rzeczywisty, odwrócony, równy ($p = 1$, $h' = h$) Kserokopiarka optyczna kopiująca dokumenty w skali 1:1
$f < x < 2f$
(między ogniskową a podwójną)
Za podwójną ogniskową ($y > 2f$) rzeczywisty, odwrócony, powiększony ($p > 1$) Projektor multimedialny, rzutnik slajdów (mały slajd rzucany jako ogromny obraz na ścianę)
$x = f$
(przedmiot w ognisku)
W nieskończoności ($y \to \infty$) Obraz nie powstaje (promienie po załamaniu są ściśle równoległe) Latarki, szperacze, naświetlacze teatralne (tworzenie wiązki równoległej)
$x < f$
(bliżej niż ognisko)
Przed soczewką (po stronie przedmiotu) pozorny, prosty, powiększony ($p > 1$) LUPA (szkło powiększające) — oglądany tekst musi być bliżej lupy niż jej ognisko!
Sprawdzenie · atom 3 · ~2 min

Pytanie do klasy

Przedmiot ustawiono w odległości $x > 2f$ od soczewki skupiającej. Obraz jest:

Atom 4 z 9 · ~5 min

3. Obraz w soczewce rozpraszającej — zawsze stałe cechy

W soczewce rozpraszającej promienie po załamaniu zawsze się rozbiegają. Oznacza to, że promienie rzeczywiste nigdy nie przetną się po prawej stronie soczewki. Przecinają się wyłącznie ich przedłużenia wstecz.

  • Pozorny (powstaje przed soczewką na przecięciu przedłużeń promieni),
  • Prosty (nieodwrócony do góry nogami),
Żelazna reguła soczewki rozpraszającej:
Niezależnie od tego, jak daleko lub blisko ustawimy przedmiot przed soczewką rozpraszającą, powstający obraz jest ZAWSZE:
  1. Pozorny (powstaje przed soczewką na przecięciu przedłużeń promieni),
  2. Prosty (nieodwrócony do góry nogami),
  3. Pomniejszony ($p < 1$).
Zastosowanie: Wizjer w drzwiach wejściowych („judasz”) — pomniejsza całą klatkę schodową, dając ogromne pole widzenia, oraz okulary dla krótkowidzów.
Sprawdzenie · atom 4 · ~2 min

Pytanie do klasy

Obraz przedmiotu w soczewce rozpraszającej jest zawsze:

Atom 5 z 9 · ~5 min

4. Równanie soczewki i powiększenie liniowe

Zamiast każdorazowo rysować skomplikowaną konstrukcję geometryczną, fizycy stosują precyzyjny aparat matematyczny łączący odległość przedmiotu $x$, odległość obrazu $y$ oraz ogniskową $f$:

  • Jeśli $p > 1$ → obraz jest powiększony (np. w lupie lub projektorze).
  • Jeśli $p = 1$ → obraz jest równy przedmiotowi ($x = 2f$).
  • Jeśli $p pomniejszony (np. w aparacie fotograficznym lub oku).
  • Powiększenie liniowe określa stosunek wysokości powstałego obrazu $h'$ do wysokości rzeczywistego przedmiotu $h$.
Równanie soczewki cienkiej: \[ \frac{1}{f} = \frac{1}{x} + \frac{1}{y} \] gdzie:
• $f$ — ogniskowa soczewki ($f > 0$ dla skupiającej, $f < 0$ dla rozpraszającej),
• $x$ — odległość przedmiotu od środka soczewki ($x > 0$),
• $y$ — odległość obrazu od środka soczewki ($y > 0$ dla obrazu rzeczywistego za soczewką, $y < 0$ dla obrazu pozornego przed soczewką).
Sprawdzenie · atom 5 · ~2 min

Pytanie do klasy

Równanie cienkiej soczewki ma postać:

Symulacja · atom 6 · ~3 min

Animacja interaktywna: Symulator konstrukcji obrazu i równania soczewki

Sprawdzenie · atom 6 · ~2 min

Pytanie do klasy

W symulatorze ($f = 9\text{ cm}$) przesuwasz przedmiot z $x = 22\text{ cm}$ na $x = 6\text{ cm}$. Obraz:

Atom 7 z 9 · ~5 min

Przykłady obliczeniowe krok po kroku

Treść: Obiektyw projektora jest soczewką skupiającą o ogniskowej $f = 15\text{ cm}$. Wewnątrz projektora mały przezroczysty ekranik LCD umieszczono w odległości $x = 20\text{ cm}$ od soczewki.

  • Wypisujemy dane: $f = 15\text{ cm}$, $x = 20\text{ cm}$. Widzimy, że $f 30\text{ cm}$).
  • Zapisujemy równanie soczewki i wyznaczamy $\frac{1}{y}$: \[ \frac{1}{f} = \frac{1}{x} + \frac{1}{y} \implies \frac{1}{y} = \frac{1}{f} - \frac{1}{x} \]
  • Podstawiamy wartości liczbowe ze wspólnym mianownikiem ($60$): \[ \frac{1}{y} = \frac{1}{15} - \frac{1}{20} = \frac{4}{60} - \frac{3}{60} = \frac{1}{60} \] Stąd: \[ y =…
  • Obliczamy powiększenie liniowe $p$: \[ p = \frac{y}{x} = \frac{60\text{ cm}}{20\text{ cm}} = \mathbf{3} \]
Rozwiązanie krok po kroku:
  1. Wypisujemy dane: $f = 15\text{ cm}$, $x = 20\text{ cm}$. Widzimy, że $f < x < 2f$ ($15 < 20 < 30$), więc spodziewamy się obrazu rzeczywistego, odwróconego i powiększonego za podwójną ogniskową ($y > 30\text{ cm}$).
  2. Zapisujemy równanie soczewki i wyznaczamy $\frac{1}{y}$: \[ \frac{1}{f} = \frac{1}{x} + \frac{1}{y} \implies \frac{1}{y} = \frac{1}{f} - \frac{1}{x} \]
  3. Podstawiamy wartości liczbowe ze wspólnym mianownikiem ($60$): \[ \frac{1}{y} = \frac{1}{15} - \frac{1}{20} = \frac{4}{60} - \frac{3}{60} = \frac{1}{60} \] Stąd: \[ y = \mathbf{60\text{ cm}} = 0{,}6\text{ m} \]
  4. Obliczamy powiększenie liniowe $p$: \[ p = \frac{y}{x} = \frac{60\text{ cm}}{20\text{ cm}} = \mathbf{3} \]
Odpowiedź: Ekran należy ustawić w odległości $60\text{ cm}$ od soczewki, a obraz będzie $3$-krotnie powiększony ($p = 3$).
Sprawdzenie · atom 7 · ~2 min

Pytanie do klasy

Obiektyw projektora ma $f = 15\text{ cm}$, a ekranik LCD stoi w odległości $x = 20\text{ cm}$. Ostry obraz powstanie w odległości:

Atom 8 z 9 · ~6 min

Zadanie transferowe: Odwrócony slajd i odwrócony świat w oku

Konstrukcje obrazów w soczewkach skupiających kryją w sobie niezwykłą zależność, z którą spotykamy się w codziennej technice i biologii:

  • Projektor filmowy i rzutnik slajdów: Projektor tworzy obraz rzeczywisty i powiększony ($f fizycznie odwrócony do góry nogami i zamieniony stronami . Dlatego tradycyjne…
  • Oko ludzkie: Rogówka i soczewka naszego oka rzucają na siatkówkę obraz odległego świata ($x > 2f$). W konsekwencji na dnie Twojego oka powstaje obraz całkowicie…
Sprawdzenie · atom 8 · ~2 min

Pytanie do klasy

Dlaczego slajd w rzutniku wkłada się do kasety do góry nogami?

Zamknięcie · ~2 min

Co zabrać z lekcji

  • Opanujesz 3 promienie charakterystyczne używane do geometrycznej konstrukcji obrazów w soczewkach.
  • Promień 1 (równoległy do osi optycznej): Biegnie z czubka przedmiotu równolegle do głównej osi optycznej.
  • 2. Konstrukcje obrazów w soczewce skupiającej — 5 położeń
  • W soczewce rozpraszającej promienie po załamaniu zawsze się rozbiegają.
Bilet wyjściowy: Który element układu wzrokowego odpowiada za to, że widzimy świat w prawidłowej orientacji?
Odpowiedź: a) kora wzrokowa mózgu
Hyżyk· Moduł 07 — Konstrukcja obrazów w soczewkach i równanie socze moduł 1 / 1