Наше зрение распознает предметы благодаря тому, что они испускают свет (часто он является отраженным). Но лучи от объекта могут встретить на своем пути препятствие в виде какой-либо оптической системы. В результате изображение получается действительным или мнимым. Что подразумевается под этими названиями, как в каждом случае происходит перемещение лучей, и чем отличается действительное изображение от мнимого? Об этом рассказывается ниже.

Общие сведения

Лучи от обычного предмета поступают в окружающее пространство в виде расходящегося пучка. Если взять некоторый точечный источник и пропустить свет от него через преломляющую или отражающую систему, то сформируется изображение, называемое оптическим. Оно будет представлять собой точку, в которой сойдутся лучи или их продолжения (воображаемые линии с обратным направлением) после прохождения через такую систему.

Сравнение

Чтобы разобраться, в чем состоит отличие действительного изображения от мнимого, рассмотрим два рисунка. Вот первый из них:

Здесь точечный источник обозначен буквой A. Он распространяет расходящиеся лучи. На определенном расстоянии расположена некоторая оптическая система (L). Лучи проходят через эту преломляющую среду, меняют свое направление и устремляются к точке A1. Именно она и является действительным, то есть образованным самими лучами, изображением источника A.

Теперь второй случай:

Снова имеем источник света A. Лучи от него движутся к системе L и тоже меняют направление. Только теперь они расходятся. А изображение при этом формируется в месте, где могли бы пересекаться лучи, перемещаясь в обратную сторону (их так называемое продолжение отмечено пунктиром). Точка A1 – мнимое, не созданное непосредственно лучами, изображение.

Какие оптические приборы или предметы позволяют наблюдать каждый из вариантов? В случае с действительным изображением это, скажем, собирающая линза. А с мнимым – лупа, обычное ровное зеркало.

В чем разница между действительным и мнимым изображением еще? В том, что первое из них нельзя увидеть просто «в воздухе». Здесь требуется проекция на поверхность, размещенную в плоскости пересечения прошедших через оптическую среду лучей, например на экран или фотоматрицу. Мнимое изображение зарегистрировать таким образом нельзя. Но его можно просто увидеть или сфотографировать.

Договоримся, что расстояние f от изображения до линзы мы будем брать со знаком «плюс», если изображение действительное, и со знаком «минус», если изображение мнимое (так как действительное изображение находится ЗА линзой, а мнимое – ПЕРЕД ней).

В нашем случае изображение как раз мнимое, поэтому величина f отрицательная, и ОВ 1 = |f| .

Теперь рассмотрим подобные треугольники:

DОАВ ∾ DОА 1 В 1 Þ

(1)

D А 1 В 1 F 2 ∾ DСОF 2 Þ

С учетом того, что ОС = АВ , OF 2 = F и B 1 F 2 = |f | + F , последнее равенство можно переписать в виде

.

Разделим левую и правую части равенства на | f |, получим

. (3)

Поскольку f < 0, то | f | = –f , тогда равенство (3) примет вид

Как видим, с учетом того, что f < 0, формула линзы для случая мнимого изображения имеет такой же вид, как и для случая действительного изображения (см. формулу (8.3)).

Задача 8.5. Изображение предмета в собирающей линзе находится на расстоянии 6 см перед плоскостью линзы, а сам предмет – на расстоянии 5 см перед плоскостью линзы. Определите фокусное расстояние линзы. Значения считать точными.

Решение . Поскольку и предмет, и изображение находятся по одну сторону от линзы, значит, изображение мнимое (см. рис. 8.13). Тогда d = 5 см, а f = –6 см. Воспользуемся формулой линзы:

Ответ : F = 30 см.

СТОП! Решите самостоятельно: А9, А10, В6, В10, С6.

Мнимый источник. Рассмотрим такую ситуацию: на собирающую линзу падает сходящийся пучок лучей (рис. 8.14).

Этот пучок собрался бы в одну точку, если бы линзы на его пути не было. В этом случае точку пересечения продолжений лучей , падающих на линзу – точку S – называют мнимым источником .

Выведем формулу линзы для этого случая. Договоримся, что величина d – расстояние от источника до линзы берется со знаком «плюс», если источник действительный, и со знаком «минус», если источник мнимый (так как действительный источник всегда находится перед линзой, а мнимый – за ней).

В нашем случае d < 0 (рис. 8.14, а ), а точка S расположена на расстоянии |d | от плоскости линзы. Заметим, что величина f > 0, поскольку изображение действительное: после преломления в линзе лучи пересекаются в одной точке S 1 , образуя тем самым действительное изображение мнимого источника.

Чтобы вывести формулу линзы для данного случая, воспользуемся принципом обратимости световых лучей, то есть мысленно пустим лучи в обратном направлении. Тогда получится, что в точке S 1 находится действительный источник света, и лучи, исходящие из этого источника, преломляются в линзе так, что их продолжения пересекаются в точке S , образуя мнимое изображение (рис. 8.14, б ). Таким образом, мы пришли к только что разобранному нами случаю, когда собирающая линза дает мнимое изображение. Формула линзы в этом случае имеет вид

где d ¢ = OS 1 > 0, а f¢ = –OS < 0. Подставляя значения d ¢ и f¢ в (1), получим

. (2)

А теперь вернемся к нашей задаче с мнимым источником (рис. 8.14, а ). У нас OS 1 = f > 0, OS = |d | = –d > 0 (d < 0). Подставляя значения OS и OS 1 в формулу (2), получим уже знакомую нам формулу линзы:

только здесь d < 0, а f > 0 и F > 0.

Задача 8.6. На пути сходящегося пучка лучей поставили собирающую линзу с фокусным расстоянием F = 7,00 см. В результате лучи сошлись в точке А на расстоянии f = 5,00 см от линзы. На каком расстоянии b от точки А сойдутся лучи, если линзу убрать?

Из рис. 8.15 видно, что b = |d| – f (величина d < 0, поскольку источник мнимый). Запишем формулу линзы:

Рис. 8.15

Вычислим искомое расстояние между точками А и S :

см.

Ответ : см.

СТОП! Решите самостоятельно: А11, В9.

Рассеивающая линза

Действительный источник. Построим изображение предмета в рассеивающей линзе. На рис. 8.16 АВ – это предмет, А 1 В 1 – его мнимое изображение, ОВ = d , ОВ 1 = | f | (f < 0, так как изображение мнимое), OF 1 = OF 2 = |F | (фокусное расстояние для рассеивающей линзы F < 0).

Рис. 8.16

Рассмотрим подобные треугольники:

DОАВ ∾ DОА 1 В 1 Þ

(1)

D F 1 А 1 В 1 ∾ DF 1 СО Þ

(2)

Приравнивая правые части равенств (1) и (2), получим

Разделим обе части последнего равенства на | f |, получим

.

Учитывая, что | f | = –f и |F | = –F , получим формулу рассеивающей линзы:

Как видим, для рассеивающей линзы по форме записи она ничем не отличается от формулы собирающей линзы (8.3), если правильно учитывать знаки d , f и F . Еще раз напомним, что в данном случае:

d > 0, так как источник действительный,

f < 0, так как изображение мнимое,

F < 0, так как линза рассеивающая.

Задача 8.7. Мнимое изображение светящейся точки в рассеивающей линзе с оптической силой D = –5 дптр находится в два раза ближе к линзе, чем сама точка. Найти положение светящейся точки, если она лежит на главной оптической оси.

Выразим из этого уравнения d , учитывая, что по условию задачи | f | = d /2:

Ответ :

СТОП! Решите самостоятельно: А12, А13, В11.

Мнимый источник. Выведем формулу линзы для случая, когда на рассеивающую линзу падает сходящийся пучок лучей (рис. 8.17).

Мы получили уже знакомую нам ситуацию: рассеивающая линза дает мнимое изображение в точке S ¢ на расстоянии | f ¢| = |d | от плоскости линзы. Требуется найти расстояние d ¢ от линзы до источника. Воспользуемся формулой рассеивающей линзы:

где f ¢ < 0 и F < 0. Из формулы (1) определим d ¢:

Из формулы (2) следует, что если , то d ¢ > 0, значит, источник действительный (рис. 8.19, а ), а если , то d ¢ < 0, значит, источник мнимый. То есть на линзу падает сходящийся пучок лучей (рис. 8.19, б ).

Предположим, что светящаяся точка , лежащая на главной оси линзы, удаляется от линзы на очень большое расстояние. В этом случае лучи, падающие на линзу, будут стремиться стать параллельными ее главной оси. Мы видели в § 88, что после преломления в линзе эти лучи соберутся в фокусе линзы. В формуле (89.6) при удалении источника на очень большое расстояние величина стремится к нулю, и мы получаем

т. е. можно сказать, что фокус есть изображение «бесконечно удаленной» точки.

Примером практически бесконечно удаленного источника может служить любое небесное тело. Следовательно, изображения звезд, Солнца и т. д. будут находиться в фокусе линзы. Достаточно далекие от линзы земные источники света также дают изображение в ее фокусе.

Предположим теперь, что изображение некоторой точки удалено на очень большое расстояние, т. е. из линзы выходит пучок световых лучей, параллельных главной оси. В этом случае, как мы видели в § 88, источник должен находиться в переднем фокусе линзы (рис. 196). Этот вывод следует и из формулы (89.6). Действительно, полагая, что изображение находится в бесконечности, получаем ; при этом расстояние источника от линзы равно фокусному расстоянию: .

Различные линзы отличаются одна от другой расположением центров образующих их сферических поверхностей, их радиусами и показателями преломления вещества, из которого сделаны линзы. На рис. 198 представлены шесть основных типов линз.

Рис. 198. Различные типы линз. Если материал линз преломляет сильнее, чем окружающая среда, то типы а, б, в – собирающие; типы г, д, е – рассеивающие.

Если параллельные лучи после преломлении в линзе сходятся, действительно пересекаясь в некоторой точке, лежащей по другую сторону линзы, то линза называется собирающей или положительной (рис. 199, а). Если же параллельные лучи после преломления в линзе становятся расходящимися (рис. 199, б), то линза называется рассеивающей или отрицательной. В случае рассеивающей линзы в фокусе пересекаются не преломленные лучи, а их воображаемые продолжения; при этом фокус лежит с той же стороны от линзы, с которой падает на линзу параллельный пучок лучей. Фокусы в этом случае называются мнимыми (рис. 199, 6).

Рис. 199. Действительный фокус собирающей линзы (а) и мнимый фокус рассеивающей линзы (б)

Обычно материал линзы преломляет сильнее, чем окружающая среда (например, стеклянная линза в воздухе). Тогда собирающими линзами являются линзы, утолщающиеся от краев к середине,- двояковыпуклая и плосковыпуклая линзы и положительный мениск (вогнуто-выпуклая линза; рис. 198, а-в). Рассеивающими линзами являются линзы, становящиеся тоньше к середине: двояковогнутая, плоско-вогнутая линзы и отрицательный мениск (выпукло-вогнутая линза; 198, г - д). Если материал линзы преломляет слабее, чем окружающая среда, т. е. относительный показатель преломления , то, наоборот, линзы а, б, в (рис. 198) будут рассеивающими, а линзы г, д, е - собирающими. Такие линзы можно получить, например, образовав в воде двумя часовыми стеклами, склеенными воском, воздушную полость соответствующей формы (рис. 200).

Рис. 200. Двояковыпуклые линзы: а) стеклянная в воздухе - собирающая; б) воздушная в воде - рассеивающая

Перейдем к рассмотрению светящихся точек, находящихся на конечном расстоянии от линзы. Будем всегда считать источники расположенными слева от линзы. Что касается изображений, то в зависимости от вида линзы и положения источника относительно нее изображение может находиться как справа, так и слева от линзы. Если изображение лежит справа от линзы, то это означает, что оно образовано сходящимся пучком лучей (рис. 201, а), т. е. лучей, которые действительно проходят через точку . Изображение в этом случае называется действительным. Оно может быть получено на экране, фотопластинке и т. п. Восстановив ход лучей, приведших к образованию изображения, мы можем всегда найти местоположение источника, хотя практически это обычно связано с некоторыми трудностями.

Предположим теперь, что изображение лежит слева от линзы, т. е. с той же стороны от нее, как и источник. Это означает, что пучок лучей, расходящихся от источника, после преломления в линзе становится еще более расходящимся, и в точке пересекаются лишь воображаемые продолжения преломленных лучей (рис. 201, б). Изображение в этом случае называется мнимым.

Рис. 201. Источник и действительное изображение лежат с разных сторон от линзы (а); мнимое изображение находится с той же стороны от линзы, что и источник (б)

Укоренившийся в оптике термин «мнимое изображение» может привести к некоторым недоразумениям. В действительности ничего «мнимого» в этом случае, конечно, нет, Особенностью мнимых изображений является то, что их нельзя получить непосредственно на экране, фотопластинке и т. п. Например, если поместить в точке (рис. 201, б) очень маленький экран, не мешающий попаданию основной части лучей на линзу, то мы не получим на нем светящейся точки. Однако расходящийся пучок лучей, воображаемые продолжения которых пересекаются в мнимом изображении, сам по себе не имеет ничего «мнимого». Этот пучок можно превратить в сходящийся пучок, если на пути его поставить надлежащим образом выбранную собирающую линзу. Тогда на экране или фотопластинке мы будем иметь реальное изображение светящейся точки (рис. 202), которое в то же время можно рассматривать как изображение «мнимой точки» .

Роль подобной собирающей линзы выполняет также глаз человека; на светочувствительной оболочке глаза - сетчатке - собираются расходящиеся от источников света лучи. Пучок расходящихся лучей, исходят ли они от реального точечного источника или от его мнимого изображения , может быть собран оптической системой глаза в одну точку на сетчатке. В повседневной жизни наблюдатель приобретает привычку автоматически восстанавливать ход лучей, давших изображение на сетчатке, и определять местоположение источника. Когда в глаз попадает расходящийся пучок лучей (с вершиной в ), изображенный на рис. 202, то, «восстанавливая» место, откуда вышли эти лучи, мы в и д и м в точке источник, хотя в действительности в данной точке источника пет. Этот-то воображаемый источник мы и называем «мнимым» изображением точки .

Рис. 202. Превращение расходящегося пучка лучей в сходящийся с помощью вспомогательной собирающей линзы (например, глаза)

Пользуясь формулой (89.6), нетрудно проследить, как меняется положение изображения по мере перемещения источника вдоль главной оптической оси (см. упражнения 31, 32 в конце этой главы).

3. a > 2f. В этом случае из формулы линзы следует, что b < 2f (почему?). Линейное увеличение линзы будет меньше единицы изображение действительное, перевёрнутое, уменьшенное (рис. 4.44 ).

Данная ситуация является обычной для многих оптических приборов: фотоаппаратов, биноклей, телескопов словом, тех, в которых получают изображения удалённых объектов. По мере удаления предмета от линзы его изображение уменьшается в размерах и приближается к фокальной плоскости.

Рассмотрение первого случая a > f нами полностью закончено. Переходим ко второму случаю. Он уже не будет столь объёмным.

4.6.3 Собирающая линза: мнимое изображение точки

Второй случай: a < f. Точечный источник света S расположен между линзой и фокальной плоскостью (рис. 4.45 ).

Рис. 4.45. Случай a < f: мнимое изображение точки

Наряду с лучом SO, идущим без преломления, мы снова рассматриваем произвольный луч SX. Однако теперь на выходе из линзы получаются два расходящихся луча OE и XP . Наш глаз продолжит эти лучи до пересечения в точке S0 .

Теорема об изображении утверждает, что точка S0 будет одной и той же для всех лучей SX, исходящих из точки S. Мы опять докажем это с помощью трёх пар подобных треугольников:

SAO S0 A0 O; SXS0 OP S0 ; SXK OP F:

Снова обозначая через b расстояние от S0 до линзы, имеем соответствующую цепочку равенств (вы уже без труда в ней разберётесь):

Величина b не зависит от луча SX, что и доказывает теорему об изображении для нашего случая a < f. Итак, S0 мнимое изображение источника S.

Если точка S не лежит на главной оптической оси, то для построения изображения S0 удобнее всего брать луч, идущий через оптический центр, и луч, параллельный главной оптической оси (рис.4.46 ).

Рис. 4.46. Построение изображения точки S, не лежащей на главной оптической оси

Ну а если точка S лежит на главной оптической оси, то деваться некуда придётся довольствоваться лучом, падающим на линзу наклонно (рис. 4.47 ).

Рис. 4.47. Построение изображения точки S, лежащей на главной оптической оси

Соотношение (4.14 ) приводит нас к варианту формулы линзы для рассматриваемого случая a < f. Сначала переписываем это соотношение в виде:

1 a b =f a ;

а затем делим обе части полученного равенства на a:

Сравнивая (4.12 ) и (4.16 ), мы видим небольшую разницу: перед слагаемым 1=b стоит знак плюс, если изображение действительное, и знак минус, если изображение мнимое.

Величина b, вычисляемая по формуле (4.15 ), не зависит также от расстояния SA между точкой S и главной оптической осью. Как и выше (вспомните рассуждение с точкой M), это означает, что изображением отрезка SA на рис.4.47 будет отрезок S0 A0 .

4.6.4 Собирающая линза: мнимое изображение предмета

Учитывая это, мы легко строим изображение предмета, находящегося между линзой и фокальной плоскостью (рис. 4.48 ). Оно получается мнимым, прямым и увеличенным.

Рис. 4.48. a < f: изображение мнимое, прямое, увеличенное

Такое изображение вы наблюдаете, когда разглядываете мелкий предмет в увеличительное стекло лупу.

Случай a < f полностью разобран. Как видите, он качественно отличается от нашего первого случая a > f. Это не удивительно ведь между ними лежит промежуточный ¾катастрофический¿ случай a = f.

4.6.5 Собирающая линза: предмет в фокальной плоскости

Промежуточный случай: a = f. Источник света S расположен в фокальной плоскости линзы (рис. 4.49 ).

Как мы помним из предыдущего раздела, лучи параллельного пучка после преломления в собирающей линзе пересекутся в фокальной плоскости а именно, в главном фокусе, если пучок падает перпендикулярно линзе, и в побочном фокусе при наклонном падении пучка. Воспользовавшись обратимостью хода лучей, мы заключаем, что

Рис. 4.49. a = f: изображение отсутствует

все лучи источника S, расположенного в фокальной плоскости, после выхода из линзы пойдут параллельно друг другу.

Где же изображение точки S? Изображения нет. Впрочем, никто не запрещает нам считать, что параллельные лучи пересекаются в бесконечно удалённой точке. Тогда теорема об изображении сохраняет свою силу и в данном случае изображение S0 находится на бесконечности.

Соответственно, если предмет целиком расположен в фокальной плоскости, изображение этого предмета будет находиться на бесконечности (или, что то же самое, будет отсутствовать).

Итак, мы полностью рассмотрели построение изображений в собирающей линзе.

4.6.6 Рассеивающая линза: мнимое изображение точки

К счастью, здесь нет такого разнообразия ситуаций, как для собирающей линзы. Характер изображения не зависит от того, на каком расстоянии предмет находится от рассеивающей линзы, так что случай тут будет один-единственный.

Снова берём луч SO и произвольный луч SX (рис. 4.50 ). На выходе из линзы имеем два расходящихся луча OE и XY , которые наш глаз достраивает до пересечения в точке S0 .

Рис. 4.50. Мнимое изображение точки S в рассеивающей линзе

Нам снова предстоит доказать теорему об изображении о том, что точка S0 будет одной и той же для всех лучей SX. Действуем с помощью всё тех же трёх пар подобных треугольников:

Величина b не зависит от луча SX, поэтому продолжения всех преломлённых лучей XY пересекутся в точке S0 мнимом изображении точки S. Теорема об изображении тем самым полностью доказана.

Вспомним, что для собирающей линзы мы получили аналогичные формулы (4.11 ) и (4.15 ). В случае a = f их знаменатель обращался в нуль (изображение уходило на бесконечность), и поэтому данный случай разграничивал принципиально разные ситуации a > f и a < f.

А вот у формулы (4.18 ) знаменатель не обращается в нуль ни при каком a. Стало быть, для рассеивающей линзы не существует качественно разных ситуаций расположения источника случай тут, как мы и сказали выше, имеется только один.

Если точка S не лежит на главной оптической оси, то для построения её изображения удобны два луча: один идёт через оптический центр, другой параллельно главной оптической оси (рис. 4.51 ).

Рис. 4.52. Построение изображения точки S, лежащей на главной оптической оси

Соотношение (4.18 ) даёт нам ещё один вариант формулы линзы. Сначала перепишем: