Физика / Геометрическая оптика

Формула тонкой линзы: расстояния и знаки

Формула тонкой линзы связывает положение предмета и изображения с фокусным расстоянием. Знак расстояния до изображения позволяет отличить действительное изображение от мнимого.

Опубликовано: Обновлено:

Формула

$$\frac{1}{F}=\frac{1}{d}+\frac{1}{f}$$
Схема Действительное и мнимое изображение

Положение изображения определяют пересечением прошедших лучей или их продолжений. Положительное f означает действительное изображение, отрицательное — мнимое.

Для каждого построения сохраняйте одну конвенцию знаков.

Обозначения

$F$
фокусное расстояние: положительное у собирающей линзы, отрицательное у рассеивающей, м
$d$
расстояние от реального предмета до оптического центра линзы; здесь d > 0, м
$f$
расстояние до изображения: f > 0 для действительного, f < 0 для мнимого, м

Условия применения

  • Рассматривается тонкая линза в воздухе: ее толщиной по сравнению с расстояниями в задаче пренебрегают, лучи идут близко к главной оптической оси.
  • Предмет действительный, d > 0; собирающей линзе соответствует F > 0, рассеивающей F < 0. Расстояние f положительно для действительного изображения и отрицательно для мнимого.

Ограничения

  • Толстый объектив и систему нескольких разделенных линз нельзя без обоснования заменить одной тонкой линзой с тем же центром отсчета; необходимы дополнительные параметры.
  • При d = F у собирающей линзы вышедшие лучи параллельны: конечного расстояния f нет. Нулевые d, F и f в запись с обратными величинами не подставляют.

Подробное объяснение

Расстояние до предмета и расстояние до изображения — разные величины. Фокусное расстояние характеризует саму линзу, а положение изображения меняется, когда передвигают предмет. Все три расстояния отсчитывают от оптического центра в принятой модели тонкой линзы.

Формула согласуется с построением двумя лучами: луч через центр почти не отклоняется, а луч, параллельный главной оси, после собирающей линзы проходит через фокус. Подобие треугольников связывает высоты и расстояния; итоговая связь записывается через обратные расстояния.

Чтобы найти изображение, вычтем 1/d: 1/f = 1/F − 1/d = (d − F)/(Fd). Значит f = Fd/(d − F). Если собирающая линза имеет F > 0 и предмет расположен дальше фокуса, знаменатель положителен и изображение действительное. Его можно получить на экране за линзой.

Если 0 < d < F, знаменатель отрицателен: f < 0. Лучи после линзы расходятся, но их продолжения пересекаются со стороны предмета. Это мнимое изображение, которое видно при рассматривании через лупу. Отрицательный ответ описывает положение, а не ошибку вычисления.

Обратные выражения: F = df/(d + f), d = Ff/(f − F). Каждое требует ненулевого знаменателя и согласованных знаков. Для рассеивающей линзы при действительном предмете F < 0 и f < 0. Проверять результат лучше одновременно формулой и рисунком лучей.

Как пользоваться формулой

  1. Укажите тип линзы и подпишите F со знаком: плюс для собирающей, минус для рассеивающей линзы в воздухе.
  2. Отметьте реальный предмет, расстояние d и сторону изображения; для мнимого изображения используйте отрицательное f.
  3. Выберите нужную неизвестную и выразите ее из равенства обратных расстояний, проверив, что знаменатель не равен нулю.
  4. Переведите исходные расстояния в одну единицу длины, затем подставьте значения со всеми сохраненными знаками.
  5. Проверьте результат лучевой схемой: возможно ли изображение на экране и с какой стороны линзы оно должно находиться.

Историческая справка

Количественная теория линз формировалась вместе с развитием оптических приборов. В начале XVII века нужно было объяснить, почему сочетание стекол в зрительной трубе создает изображение и как его положение зависит от расположения линз. Иоганн Кеплер в книге «Диоптрика» 1611 года исследовал геометрическую оптику и схему телескопа с двумя собирающими линзами.

Современная школьная запись использует упрощенную модель: толщиной линзы пренебрегают, а лучи рассматривают около оси. Это позволяет описывать изображение несколькими расстояниями, не рассчитывая преломление каждого луча на обеих поверхностях. Знаковая запись объединяет реальные и мнимые изображения в одном уравнении.

В разных учебниках буквы и правила знаков могут отличаться. Поэтому историческое развитие оптики не дает основания смешивать формулы из разных соглашений: при решении сначала выбирают определения расстояний, а затем последовательно используют их.

Историческая линия формулы

Связь относится к геометрической оптике и модели тонкой линзы. Работы Кеплера начала XVII века важны для теории оптических приборов, однако современное уравнение со школьными буквами и правилами знаков не следует объявлять дословной формулой одного автора.

Пример

Предмет стоит в 30 см перед собирающей линзой с фокусным расстоянием 10 см. Нужно определить, где поставить экран. Дано: d = 0,30 м, F = 0,10 м; найти f. Из 1/f = 1/F − 1/d получаем f = Fd/(d − F). Подстановка: f = 0,10 × 0,30/(0,30 − 0,10) = 0,03/0,20 = 0,15 м. Ответ: экран нужно поставить на расстоянии 15 см за линзой. Проверка: 1/0,10 = 1/0,30 + 1/0,15 = 10 м⁻¹. Предмет находится дальше двойного фокуса, поэтому действительное изображение расположено между фокусом и двойным фокусом: 10 см < 15 см < 20 см. В дроби метр в квадрате делится на метр, результат имеет размерность длины.

Частая ошибка

Не считайте все расстояния положительными: для мнимого изображения f отрицательно в выбранной здесь конвенции. Не путайте F с f: первая буква означает свойство линзы, вторая — положение изображения. Не складывайте расстояния вместо обратных величин. При d = F не записывайте f = 0: изображение не находится на конечном расстоянии, потому что пучок после линзы параллелен.

Практика

Задачи с решением

Предмет внутри фокуса

Условие. Собирающая линза имеет F = 12 см; предмет расположен на d = 8 см. Найдите f и определите вид изображения.

Решение. f = Fd/(d − F) = 12 × 8/(8 − 12) = −24 см. Отрицательный знак означает мнимое изображение со стороны предмета.

Ответ. f = −24 см; мнимое изображение.

Рассеивающая линза

Условие. Фокусное расстояние рассеивающей линзы F = −15 см, предмет находится в 30 см перед ней. Где изображение?

Решение. f = (−15) × 30/(30 − (−15)) = −450/45 = −10 см. Проверка: −1/15 = 1/30 − 1/10.

Ответ. Мнимое изображение в 10 см от линзы со стороны предмета.

Калькулятор

Фокусное расстояние тонкой линзы

Введите расстояния в метрах. Для мнимого изображения f отрицательно.

Заполнить примером:
Введите значенияКалькулятор покажет ответ, промежуточные величины и ход подстановки.
  • Положительное F соответствует собирающей линзе, отрицательное — рассеивающей.
  • Положительное f означает действительное изображение, отрицательное — мнимое.
  • Рассматривается действительный предмет перед тонкой линзой в воздухе.

Дополнительные источники

  • OpenStax, University Physics Volume 3, §2.4 Thin Lenses: https://openstax.org/books/university-physics-volume-3/pages/2-4-thin-lenses
  • OpenStax, College Physics 2e, §25.6 Image Formation by Lenses: https://openstax.org/books/college-physics-2e/pages/25-6-image-formation-by-lenses
  • University of St Andrews, MacTutor, Johannes Kepler: https://mathshistory.st-andrews.ac.uk/Strick/kepler.pdf

Связанные формулы

Физика

Оптическая сила линзы и фокусное расстояние

$D=\frac{1}{F}$

Оптическая сила равна величине, обратной фокусному расстоянию в метрах. Она измеряется в диоптриях и имеет положительный знак у собирающей линзы, отрицательный — у рассеивающей.

Физика

Линейное увеличение: размер изображения линзы

$\Gamma=\frac{H}{h}=\frac{|f|}{d}$

Линейное увеличение сравнивает высоту изображения с высотой предмета. Здесь используются положительные размеры: увеличение равно модулю расстояния до изображения, деленному на расстояние до предмета.

Физика

Показатель преломления среды

$n=\frac{c}{v}$

Абсолютный показатель преломления n=c/v показывает отношение скорости света в вакууме к фазовой скорости света в среде при заданной частоте или длине волны.