Главная >> Фейнмановские лекции по физике >> Том 3 >> Глава 27. Геометрическая оптика

Фокусное расстояние для сферической поверхности

Рассмотрим сначала простейший пример преломляющей поверхности, разделяющей две среды с разными показателями преломления (фиг. 27.2). Случай произвольных показателей пусть разберет читатель самостоятельно; нам важно рассказать об идее, задача же достаточно проста и ее можно решить в любом частном случае. Итак, пусть слева скорость света равна 1, а справа 1/n, где n — показатель преломления. Свет в стекле идет медленнее в n раз.

Теперь представим себе точку О на расстоянии s от лицевой поверхности стекла и другую точку О` на расстоянии s` внутри стекла и попытаемся выбрать кривую поверхность так, чтобы каждый луч, вышедший из О и попавший на поверхность в Р, приходил в точку О`. Для этого нужно придать поверхности такую форму, чтобы сумма времени прохождения света на пути от О к Р (т. е. расстояние ОР, деленное на скорость света, равную единице) плюс n·О`Р, т.е. время на пути от Р к О`, было постоянной величиной, не зависящей от положения точки Р. Это условие дает уравнение для определения поверхности. В результате получается весьма сложная поверхность четвертого порядка (читатель может вычислить ее для собственного удовольствия с помощью аналитической геометрии). Проще рассмотреть специальный случай s→∞, когда кривая получается второго порядка и ее легче определить. Интересно сравнить эту кривую с кривой для фокусирующего зеркала (когда свет приходил из бесконечности), которая, как вы помните, оказалась параболой.

Итак, нужную поверхность сделать нелегко; чтобы сфокусировать свет от одной точки в другую, нужна довольно сложная поверхность. Практически такие сложные поверхности даже не пытаются создать, а пользуются компромиссным решением. Мы не будем собирать все лучи в фокус, а соберем только лучи, достаточно близкие к оси 00`. Раз идеальная форма поверхности столь сложна, возьмем вместо нее сферическую поверхность, которая имеет нужную кривизну у самой оси, и пусть далекие лучи отклоняются от оси, если они того хотят. Сферу изготовить намного проще, чем другие поверхности, поэтому выберем сферу и рассмотрим поведение лучей, падающих на сферическую поверхность. Будем требовать точной фокусировки только для тех лучей, которые проходят вблизи от оси. Иногда эти лучи называют параксиальными, а наша задача — найти условия фокусировки параксиальных лучей. Позже мы обсудим ошибки, связанные с отклонением лучей от оси.

Итак, считая, что Р близко к оси, опустим перпендикуляр РQ длиной h. Если бы наша поверхность была плоскостью, проходящей через Р, то время, затрачиваемое на пути от О к Р, превышало бы время на пути от О к Q, а время на пути от Р к О` превышало бы время от Q к О`. Поверхность стекла должна быть кривой, потому что только в этом случае весь излишек времени компенсируется задержкой при прохождении пути от V к Q! Далее, излишек времени на пути ОР есть h²/2s, а излишек времени на отрезке О`Р есть nh<sup>2</sup>/2s`. Это лишнее время, которое должно компенсироваться временем на пути VQ, накапливается на пути в среде, а не в вакууме. Другими словами, время на пути VQ в n раз больше соответствующего времени в вакууме, а поэтому лишнее время на этом отрезке есть (n—1)VQ. Ну, а какова длина VQ? Если С есть центр сферы с радиусом R, то с помощью уже знакомой нам формулы выводим, что длина VQ есть h²/2R. В результате мы получаем закон, который связывает длины s и s` и определяет радиус кривизны R искомой поверхности:

или

Если мы хотим сфокусировать свет из точки О в точку О`, то эта формула позволяет вычислить требуемый радиус кривизны поверхности.

Интересно, что та же линза с таким же радиусом кривизны R будет фокусировать и на других расстояниях, т. е. она является фокусирующей для любой пары расстояний, для которых сумма обратной величины одного расстояния и обратной величины другого, умноженного на n, есть постоянное число. Таким образом, данная линза (если учитывать только параксиальные лучи) является фокусирующей не только для точек О и О`, но и для бесконечного числа пар точек, если эти пары удовлетворяют соотношению 1/s+n/s` = постоянная, характеризующая данную линзу.

Представляет интерес частный случай s→∞. Из формулы видно, что при увеличении s другое расстояние s` уменьшается. Другими словами, когда точка O удаляется, точка O` приближается, и наоборот. Когда точка О уходит на бесконечность, точка О` также двигается внутри стекла вплоть до расстояния, называемого фокусным расстоянием f`. Если на линзу падает параллельный пучок лучей, он соберется в линзе на расстоянии f`. Можно задать вопрос и по-другому. (Вспомним правило обратимости: если свет переходит из О в О`, он, разумеется, может двигаться и в обратном направлении, из О` в О.) Таким образом, если источник света находится внутри стекла, то может возникнуть вопрос, где лучи соберутся в фокус? В частности, если источник внутри стекла находится на бесконечности (та же задача, что и раньше), то где будет фокус вне линзы? Это расстояние обозначают через f. Можно, конечно, сказать и иначе. Если источник расположен на расстоянии f, то лучи, проходя через поверхность линзы, выйдут параллельным пучком. Легко определить f и f`:

Отметим интересный факт: если мы разделим каждое фокусное расстояние на соответствующий показатель преломления, то получим один и тот же результат! На самом деле, это общая теорема. Она справедлива для любой сложной системы линз, поэтому ее стоит запомнить. Мы не доказали эту теорему в общем виде, а лишь отметили ее применимость для одной поверхности, однако оказывается, что вообще два фокусных расстояния некоторой системы связаны подобным образом. Иногда выражение (27.3) записывают в следующем виде:

Такая форма более удобна, чем (27.3), потому что проще измерить f, чем кривизну и показатель преломления линзы. Если нам не нужно самим конструировать линзу или изучать в подробностях весь процесс, а достаточно достать линзу с полки, то нас будет интересовать только величина f, а не n или R!

Любопытная ситуация возникает, когда s становится меньше f. Что же тогда происходит? При s<f обратная величина (1/s) больше (1/f) и поэтому s` отрицательна. Наша формула утверждает, что свет фокусируется только при отрицательном значении s`,— понимайте как хотите! Но означает это нечто весьма определенное и интересное. Формула эта остается полезной и для отрицательных значений. Что она означает, ясно из фиг. 27.3. Исходящие из точки О лучи преломляются на поверхности, но в фокус не собираются, так как точка О расположена слишком близко к поверхности, и лучи становятся «более чем параллельны». Однако они начинают расходиться так, как будто бы вышли из точки О` вне линзы. Эта точка есть кажущееся изображение, или, как иногда говорят, мнимое изображение. Изображение О` на фиг. 27.2 называется действительным изображением. Действительное изображение возникает, когда свет действительно проходит через точку. Но если кажется, что свет исходит из некоторой фиктивной точки, но совпадающей с действительным источником, то эта точка и есть мнимое изображение. Следовательно, для отрицательных s` точка О` находится по другую сторону поверхности, и все встает на свои места.

Рассмотрим теперь интересный случай, когда R=∞; при этих условиях (1/s)+(n/s`) = 0. Иными словами, s`=-ns, что означает, что если из плотной среды смотреть на некую точку в разреженной среде, то она будет казаться дальше в n раз. Мы можем прочитать наше уравнение и наоборот: при взгляде на объект, находящийся в плотной среде за плоской поверхностью раздела, нам будет казаться, что он расположен к нам ближе, чем на самом деле (фиг. 27.4). Когда мы смотрим сверху на дно плавательного бассейна, он кажется нам мельче в ¾ раза, чем он есть на самом деле; эта цифра есть обратная величина показателя преломления воды.

Теперь мы могли бы перейти к сферическому зеркалу. Но если вникнуть в смысл сказанного нами ранее, то вполне можно разобрать этот вопрос самостоятельно. Поэтому пусть читатель сам выведет формулы для сферического зеркала, но для этого полезно принять следующие условия:
  1) расстояние до объекта s положительно, если точка О
расположена слева от поверхности;
  2) расстояние до изображения s` положительно, если точка
О` расположена справа от поверхности;
  3) радиус кривизны поверхности положителен, если центр
находится справа от поверхности.

Например, на фиг. 27.2 s, s` и R положительны; на фиг. 27.3 s и R положительны, а s` отрицательна. Для вогнутой поверхности наша формула (27.3) остается справедливой, если считать R отрицательной величиной.

Пользуясь приведенными условиями, можно вывести соответствующую формулу и для зеркала, положив в (27.3) n=–1
(как если бы среда за зеркалом имела показатель преломления — 1), и тогда получится правильный результат!

Мы вывели формулу (27.3) простым и элегантным способом, исходя из принципа наименьшего времени; ту же формулу можно, конечно, получить с помощью закона Снелла, если учесть, что углы малы и заменить синусы самими углами.

СМОТРИТЕ ТАКЖЕ: