13.2.15. а. Найдите фокусное расстояние двояковыпуклой линзы с радиусом кривизны $30 \text{см}$, изготовленной из стекла с показателем преломления $1.6$. Чему равна оптическая сила линзы?
б. Одна поверхность линзы, изготовленной из стекла с показателем преломления $1.6$, плоская, другая — сферическая. Оптическая сила линзы $1 \text{ дптр}$. Определите радиус кривизны сферической поверхности линзы.
Решение
Оптическая сила тонкой линзы $D$ и ее фокусное расстояние $F$ вычисляются по универсальной формуле: $$D = \frac{1}{F} = \left(\frac{n_{\text{л}}}{n_{\text{с}}} - 1\right) \left( \pm \frac{1}{R_1} \pm \frac{1}{R_2} \right)$$ где $n_{\text{л}}$ — показатель преломления материала линзы, $n_{\text{с}}$ — показатель преломления окружающей среды. Знак «$+$» в скобках ставится, если поверхность выпуклая, и знак «$-$», если поверхность вогнутая. Значения радиусов кривизны $R_1$ и $R_2$ подставляются по модулю. Так как в условии среда не указана, считаем, что линза находится в воздухе ($n_{\text{с}} = 1$). Показатель преломления стекла $n_{\text{л}} = 1.6$.
Пункт а)
Двояковыпуклая линза
Линза двояковыпуклая, поэтому обе ее поверхности выпуклые. Перед обоими слагаемыми с радиусами ставим знак «$+$». По условию $R_1 = R_2 = R = 0.3 \text{ м}$. Оптическая сила линзы: $$D = \left(\frac{n_{\text{л}}}{1} - 1\right) \left( \frac{1}{R} + \frac{1}{R} \right) = \frac{2(n_{\text{л}} - 1)}{R}$$ Подставляем значения: $$D = \frac{2(1.6 - 1)}{0.3} = \frac{1.2}{0.3} = 4 \text{ дптр}$$ Фокусное расстояние: $$F = \frac{1}{D} = \frac{1}{4} = 0.25 \text{ м} = 25 \text{ см}$$
Пункт б)
Плоско-сферическая собирающая линза
Линза плоско-сферическая. Так как оптическая сила линзы положительна ($D = 1 \text{ дптр} > 0$), линза является собирающей. Из этого следует, что ее сферическая поверхность обязательно выпуклая (если бы она была вогнутой, линза стала бы рассеивающей).
Для плоской поверхности радиус кривизны $R_1 \to \infty$, поэтому $\frac{1}{R_1} = 0$.
С учетом знака «$+$» для второй, выпуклой поверхности, формула линзы принимает вид:
$$D = (n_{\text{л}} - 1) \left( 0 + \frac{1}{R_2} \right) = \frac{n_{\text{л}} - 1}{R_2}$$
Выражаем искомый радиус кривизны $R_2$:$$R_2 = \frac{n_{\text{л}} - 1}{D}$$
Подставляем значения:
$$R_2 = \frac{1.6 - 1}{1} = 0.6 \text{ м} = 60 \text{ см}$$