ऐसी वस्तुएं हैं जो उन पर पड़ने वाले विद्युत चुम्बकीय विकिरण प्रवाह के घनत्व को बदलने में सक्षम हैं, अर्थात या तो इसे एक बिंदु पर एकत्र करके बढ़ा सकती हैं, या इसे बिखेर कर कम कर सकती हैं। इन वस्तुओं को भौतिकी में लेंस कहा जाता है। आइए इस मुद्दे पर करीब से नज़र डालते हैं।
भौतिकी में लेंस क्या हैं?
इस अवधारणा का अर्थ बिल्कुल कोई भी वस्तु है जो विद्युत चुम्बकीय विकिरण के प्रसार की दिशा बदलने में सक्षम है। यह भौतिकी में लेंस की सामान्य परिभाषा है, जिसमें ऑप्टिकल चश्मा, चुंबकीय और गुरुत्वाकर्षण लेंस शामिल हैं।
इस लेख में, ऑप्टिकल चश्मे पर ध्यान केंद्रित किया जाएगा, जो एक पारदर्शी सामग्री से बनी वस्तुएं हैं और दो सतहों द्वारा सीमित हैं। इन सतहों में से एक में वक्रता अनिवार्य रूप से होनी चाहिए (अर्थात परिमित त्रिज्या के एक गोले का हिस्सा होना), अन्यथा वस्तु में प्रकाश किरणों के प्रसार की दिशा बदलने का गुण नहीं होगा।
लेंस का सिद्धांत
इस सरल के कार्य का सारप्रकाशीय वस्तु सूर्य की किरणों के अपवर्तन की घटना है। 17 वीं शताब्दी की शुरुआत में, प्रसिद्ध डच भौतिक विज्ञानी और खगोलशास्त्री विलेब्रोर्ड स्नेल वैन रूयेन ने अपवर्तन के नियम को प्रकाशित किया, जो वर्तमान में उनका अंतिम नाम है। इस नियम का सूत्रीकरण इस प्रकार है: जब सूर्य का प्रकाश दो प्रकाशिक पारदर्शी माध्यमों के बीच के अंतरापृष्ठ से होकर गुजरता है, तो बीम और सतह से अभिलम्ब के बीच आपतन कोण की ज्या का गुणनफल और उस माध्यम का अपवर्तनांक जिसमें यह प्रचारित करता है एक स्थिर मूल्य है।
उपरोक्त को स्पष्ट करने के लिए, आइए एक उदाहरण देते हैं: प्रकाश को पानी की सतह पर गिरने दें, जबकि सामान्य से सतह और बीम के बीच का कोण है θ1. फिर, प्रकाश पुंज अपवर्तित हो जाता है और पानी में सतह के अभिलंब से θ2 कोण पर अपना प्रसार शुरू कर देता है। स्नेल के नियम के अनुसार, हम प्राप्त करते हैं: sin(θ1)n1=sin(θ2) n2, जहां n1 और n2 हवा और पानी के लिए अपवर्तनांक हैं, क्रमश। अपवर्तनांक क्या है? यह एक मान है जो दर्शाता है कि निर्वात में विद्युत चुम्बकीय तरंगों के प्रसार की गति वैकल्पिक रूप से पारदर्शी माध्यम के लिए कितनी बार अधिक है, अर्थात n=c/v, जहां c और v निर्वात में प्रकाश की गति हैं और माध्यम, क्रमशः।
अपवर्तन की उपस्थिति की भौतिकी फ़र्मेट के सिद्धांत के कार्यान्वयन में निहित है, जिसके अनुसार प्रकाश इस तरह से चलता है कि कम से कम समय में अंतरिक्ष में एक बिंदु से दूसरे बिंदु तक की दूरी को पार कर सके।
लेंस के प्रकार
भौतिकी में ऑप्टिकल लेंस का प्रकार पूरी तरह से इसे बनाने वाली सतहों के आकार से निर्धारित होता है। उन पर आपतित किरण के अपवर्तन की दिशा इस आकृति पर निर्भर करती है। इसलिए, यदि सतह की वक्रता सकारात्मक (उत्तल) है, तो, लेंस से बाहर निकलने पर, प्रकाश किरण अपने ऑप्टिकल अक्ष के करीब फैल जाएगी (नीचे देखें)। इसके विपरीत, यदि सतह की वक्रता ऋणात्मक (अवतल) है, तो ऑप्टिकल ग्लास से गुजरते हुए, किरण अपने केंद्रीय अक्ष से दूर चली जाएगी।
फिर से ध्यान दें कि किसी भी वक्रता की सतह उसी तरह किरणों को अपवर्तित करती है (स्टेला के नियम के अनुसार), लेकिन उनके मानदंड ऑप्टिकल अक्ष के सापेक्ष एक अलग ढलान होते हैं, जिसके परिणामस्वरूप अपवर्तित किरण का व्यवहार अलग होता है।
दो उत्तल सतहों से घिरा लेंस अभिसारी लेंस कहलाता है। बदले में, यदि यह नकारात्मक वक्रता वाली दो सतहों से बनता है, तो इसे प्रकीर्णन कहा जाता है। अन्य सभी प्रकार के ऑप्टिकल ग्लास इन सतहों के संयोजन से जुड़े होते हैं, जिसमें एक प्लेन भी जोड़ा जाता है। संयुक्त लेंस का क्या गुण होगा (अपसारी या अभिसारी) इसकी सतहों की त्रिज्या की कुल वक्रता पर निर्भर करता है।
लेंस तत्व और किरण गुण
छवि भौतिकी में लेंस बनाने के लिए, आपको इस वस्तु के तत्वों से परिचित होने की आवश्यकता है। वे नीचे सूचीबद्ध हैं:
- मुख्य ऑप्टिकल अक्ष और केंद्र। पहले मामले में, उनका मतलब एक सीधी रेखा है जो लेंस के ऑप्टिकल केंद्र के माध्यम से लंबवत गुजरती है।उत्तरार्द्ध, बदले में, लेंस के अंदर एक बिंदु है, जिसके माध्यम से बीम को अपवर्तन का अनुभव नहीं होता है।
- फोकल लंबाई और फोकस - ऑप्टिकल अक्ष पर केंद्र और एक बिंदु के बीच की दूरी, जो इस अक्ष के समानांतर लेंस पर आपतित सभी किरणों को एकत्रित करती है। यह परिभाषा ऑप्टिकल चश्मा एकत्र करने के लिए सही है। अपसारी लेंसों के मामले में, किरणें स्वयं एक बिंदु पर अभिसरित नहीं होंगी, बल्कि उनकी काल्पनिक निरंतरता होगी। इस बिंदु को मुख्य फोकस कहा जाता है।
- ऑप्टिकल पावर। यह फोकल लंबाई के पारस्परिक का नाम है, अर्थात डी \u003d 1 / एफ। इसे डायोप्टर (डायोप्टर) यानी 1 डायोप्टर में मापा जाता है।=1 मी-1।
लेंस से गुजरने वाली किरणों के मुख्य गुण निम्नलिखित हैं:
- प्रकाशीय केंद्र से गुजरने वाली किरण अपनी गति की दिशा नहीं बदलती;
- मुख्य प्रकाशीय अक्ष के समानांतर आपतित किरणें अपनी दिशा बदल देती हैं जिससे कि वे मुख्य फोकस से होकर गुजरती हैं;
- किरणें किसी भी कोण पर ऑप्टिकल ग्लास पर पड़ती हैं, लेकिन इसके फोकस से गुजरते हुए, उनके प्रसार की दिशा इस तरह बदल जाती है कि वे मुख्य ऑप्टिकल अक्ष के समानांतर हो जाती हैं।
भौतिकी में पतले लेंस के लिए किरणों के उपरोक्त गुण (जैसा कि उन्हें कहा जाता है क्योंकि वे चाहे कितने भी गोले बन जाएं और वे कितने भी मोटे हों, केवल वस्तु के ऑप्टिकल गुण पदार्थ के ऑप्टिकल गुण) का उपयोग उनमें छवियों के निर्माण के लिए किया जाता है।.
ऑप्टिकल ग्लास में इमेज: कैसे बनाएं?
नीचे एक आकृति है जो किसी वस्तु के उत्तल और अवतल लेंस में छवियों के निर्माण की योजनाओं का विवरण देती है(लाल तीर) अपनी स्थिति के आधार पर।
आकृति में सर्किट के विश्लेषण से महत्वपूर्ण निष्कर्ष निकलते हैं:
- कोई भी छवि केवल 2 किरणों (केंद्र से गुजरते हुए और मुख्य ऑप्टिकल अक्ष के समानांतर) पर बनी होती है।
- अभिसारी लेंस (बाहर की ओर इशारा करते हुए सिरों पर तीरों के साथ चिह्नित) बढ़े हुए और कम दोनों छवि दे सकते हैं, जो बदले में वास्तविक (वास्तविक) या काल्पनिक हो सकते हैं।
- यदि वस्तु फोकस में है, तो लेंस अपनी छवि नहीं बनाता है (आकृति में बाईं ओर निचला आरेख देखें)।
- बिखरे हुए ऑप्टिकल चश्मा (उनके सिरों पर तीरों द्वारा इंगित किया गया है) वस्तु की स्थिति की परवाह किए बिना हमेशा कम और आभासी छवि देते हैं।
छवि से दूरी का पता लगाना
यह निर्धारित करने के लिए कि छवि कितनी दूरी पर दिखाई देगी, वस्तु की स्थिति को जानने के बाद, हम भौतिकी में लेंस सूत्र देते हैं: 1/f=1/do + 1 /d i, जहां do और di ऑप्टिकल से वस्तु और उसकी छवि की दूरी हैं केंद्र, क्रमशः, f मुख्य फोकस है। अगर हम एक एकत्रित ऑप्टिकल ग्लास के बारे में बात कर रहे हैं, तो एफ-नंबर सकारात्मक होगा। इसके विपरीत, अपसारी लेंस के लिए f ऋणात्मक होता है।
आइए इस सूत्र का उपयोग करें और एक साधारण समस्या को हल करें: ऑब्जेक्ट को दूरी पर होने दें do=2f एकत्रित ऑप्टिकल ग्लास के केंद्र से। उनकी छवि कहां दिखाई देगी?
समस्या की स्थिति से हमारे पास है: 1/f=1/(2f)+1/डीमैं। प्रेषक: 1/डीi=1/f - 1/(2f)=1/(2f), यानी di=2 एफ। इस प्रकार, छवि लेंस से दो foci की दूरी पर दिखाई देगी, लेकिन दूसरी तरफ वस्तु की तुलना में (यह मान di के सकारात्मक संकेत द्वारा इंगित किया गया है)।
एक संक्षिप्त इतिहास
"लेंस" शब्द की व्युत्पत्ति देना उत्सुक है। यह लैटिन शब्द लेंस और लेंटिस से आया है, जिसका अर्थ है "मसूर", क्योंकि उनके आकार में ऑप्टिकल वस्तुएं वास्तव में इस पौधे के फल की तरह दिखती हैं।
गोलाकार पारदर्शी पिंडों की अपवर्तक शक्ति प्राचीन रोमवासियों को ज्ञात थी। इसके लिए उन्होंने पानी से भरे गोल कांच के बर्तनों का इस्तेमाल किया। ग्लास लेंस स्वयं यूरोप में 13वीं शताब्दी में ही बनने लगे थे। उनका उपयोग एक पठन उपकरण (आधुनिक चश्मा या एक आवर्धक कांच) के रूप में किया जाता था।
दूरबीन और सूक्ष्मदर्शी के निर्माण में ऑप्टिकल वस्तुओं का सक्रिय उपयोग 17वीं शताब्दी का है (इस शताब्दी की शुरुआत में, गैलीलियो ने पहली दूरबीन का आविष्कार किया था)। ध्यान दें कि स्टेला के अपवर्तन के नियम का गणितीय सूत्रीकरण, जिसके ज्ञान के बिना वांछित गुणों के साथ लेंस का निर्माण करना असंभव है, उसी 17 वीं शताब्दी की शुरुआत में एक डच वैज्ञानिक द्वारा प्रकाशित किया गया था।
अन्य लेंस
जैसा कि ऊपर उल्लेख किया गया है, ऑप्टिकल अपवर्तक वस्तुओं के अलावा, चुंबकीय और गुरुत्वाकर्षण वस्तुएं भी हैं। पूर्व का एक उदाहरण इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप में चुंबकीय लेंस हैं, बाद का एक ज्वलंत उदाहरण प्रकाश प्रवाह की दिशा का विरूपण है,जब यह विशाल अंतरिक्ष पिंडों (तारों, ग्रहों) के पास से गुजरता है।
