Формула тонкої лінзи і лінійне збільшення
~25 хв · 8 розділів · 9 тестових запитань
Застосовуй формулу тонкої лінзи 1/F = 1/d + 1/f та лінійне збільшення Γ = H/h = f/d для обчислення відстані до зображення, фокусної відстані й збільшення з урахуванням знаків для уявного зображення й розсіювальної лінзи.
Формула тонкої лінзи — це ключове співвідношення геометричної оптики, яке пов'язує фокусну відстань лінзи з відстанями до предмета й до зображення. Вона дає змогу кількісно описати, де саме утвориться зображення, і є основою для розрахунку оптичних приладів.
Формула має вигляд:
де F — фокусна відстань лінзи, d — відстань від предмета до лінзи, f — відстань від лінзи до зображення. Усі три величини мають бути в однакових одиницях: або всі в метрах, або всі в сантиметрах.
Оптична сила лінзи
Оптична сила D — це величина, обернена до фокусної відстані:
Якщо фокусну відстань підставляти в метрах, оптична сила виражається в діоптріях (дптр). Наприклад, лінза з F = 0,25 м має оптичну силу D = 4 дптр. Для збиральної лінзи D > 0, для розсіювальної D < 0.
Як знайти відстань до зображення
Щоб знайти f, виразимо його з формули:
Розгляньмо числовий приклад. Збиральна лінза має фокусну відстань F = 10 см. Предмет розташований на відстані d = 30 см від лінзи. Тоді:
Отже, f = 15 см. Зображення дійсне (промені перетинаються по другий бік лінзи) і розташоване між фокусом F і подвійним фокусом 2F.
Як знайти відстань до предмета
Якщо відомі фокусна відстань і положення зображення, відстань до предмета знаходять аналогічно:
Приклад: лінза з F = 20 см дає зображення на відстані f = 60 см. Знайдемо d:
Отже, d = 30 см. Предмет розташований між F і 2F, що дає збільшене дійсне зображення.
Особливі випадки
Якщо d = F (предмет у фокусі), то 1/f = 1/F − 1/F = 0, отже f → ∞. Зображення на нескінченності — промені після лінзи йдуть паралельним пучком.
Якщо d = 2F (предмет на подвійній фокусній відстані), то 1/f = 1/F − 1/(2F) = 1/(2F), отже f = 2F. Зображення дійсне, обернене, рівне за розміром предмету.
На схемі видно, як змінюється положення й характер зображення залежно від відстані до предмета для збиральної лінзи.
Формула тонкої лінзи працює зі знаками: вона однаково описує збиральні й розсіювальні лінзи, а також дійсні й уявні зображення. Щоб не помилитися, треба запам'ятати просту домовленість про знаки.
Домовленість про знаки
Величина | Додатний знак (+) | Від'ємний знак (−) |
|---|---|---|
F (фокусна відстань) | збиральна лінза | розсіювальна лінза |
f (відстань до зображення) | дійсне зображення (по другий бік лінзи) | уявне зображення (по той самий бік, що й предмет) |
d (відстань до предмета) | дійсний предмет (завжди) | — |
Предмет завжди дійсний, тому d > 0 в усіх задачах НМТ.
Приклад уявного зображення (збиральна лінза)
Збиральна лінза має F = 10 см. Предмет розташований між лінзою і фокусом: d = 5 см. Тоді:
Отже, f = −10 см. Знак «мінус» означає, що зображення уявне — промені не перетинаються, а їхні продовження перетинаються по той самий бік лінзи, де розташований предмет.
Приклад розсіювальної лінзи
Розсіювальна лінза має F = −20 см (знак мінус, бо лінза розсіювальна). Предмет на відстані d = 20 см. Підставляємо:
Отже, f = −10 см. Зображення уявне, зменшене, пряме — саме таке завжди дає розсіювальна лінза.
Лінійне збільшення
Лінійне збільшення Γ (гамма) показує, у скільки разів зображення більше або менше за предмет:
де H — висота (або лінійний розмір) зображення, h — висота предмета. У формулі беруть модуль |f|, тому збільшення завжди додатне.
Значення Γ | Характер зображення |
|---|---|
Γ > 1 | збільшене |
Γ < 1 | зменшене |
Γ = 1 | рівне за розміром |
Для прикладу з попереднього розділу: d = 30 см, f = 15 см. Тоді Γ = 15/30 = 0,5 — зображення зменшене вдвічі.
Для уявного зображення збиральної лінзи (F = 10 см, d = 5 см): Γ = |−10|/5 = 10/5 = 2. Зображення пряме й у 2 рази вище за предмет.
У цьому розділі навчимося поєднувати формулу тонкої лінзи з лінійним збільшенням, щоб знаходити положення предмета або зображення за заданим збільшенням.
Дійсне зображення, збільшене вдвічі
Нехай дійсне зображення вдвічі більше за предмет. Тоді Γ = 2. Для дійсного зображення f > 0, і збільшення Γ = f/d. Отже, f = 2d. Підставимо це у формулу тонкої лінзи:
Звідси d = 3F/2. Для лінзи з F = 20 см маємо d = 30 см, f = 60 см.
Загальний випадок: дійсне зображення з довільним збільшенням Γ
Якщо дійсне зображення має збільшення Γ, то f = Γ·d. Підставляємо у формулу тонкої лінзи:
Звідси отримуємо зручні формули:
Наприклад, для Γ = 2,5 і F = 20 см:
Розмір зображення
Знаючи збільшення, легко знайти висоту зображення: H = Γ·h. Якщо предмет завдовжки h = 4 см, а Γ = 2,5, то зображення має довжину H = 2,5·4 = 10 см.
Відстань між предметом і екраном
Якщо зображення отримують на екрані, то відстань між предметом і екраном дорівнює сумі L = d + f. Нехай L = 90 см і зображення вдвічі більше за предмет (f = 2d). Тоді:
Фокусну відстань знаходимо з формули тонкої лінзи:
Перевірка розв'язку
Завжди перевіряйте відповідь двома способами:
Підставте знайдені d і f у формулу 1/d + 1/f і порівняйте з 1/F.
Переконайтеся, що знак f відповідає фізичному сенсу: дійсне зображення збиральної лінзи не може мати f < F, а уявне зображення не може мати f > 0.
Приклад 1. Відстань до зображення
Завдання: Предмет розташований на відстані 30 см від збиральної лінзи з фокусною відстанню 20 см. Знайди відстань до зображення в сантиметрах.
Розв'язання:
Записуємо формулу тонкої лінзи: 1/F = 1/d + 1/f
Виражаємо 1/f = 1/F − 1/d
Підставляємо: 1/f = 1/20 − 1/30 = (3 − 2)/60 = 1/60
Отже, f = 60 см
Відповідь: 60 см.
Чому інші відповіді неправильні? Якщо просто відняти F − d = 20 − 30 = −10 — це груба помилка, бо формула оперує оберненими величинами. Якщо поділити d/F = 30/20 = 1,5 — це не дає відстані до зображення.
Приклад 2. Положення предмета для збільшеного зображення
Завдання: На якій відстані від лінзи з F = 20 см (у сантиметрах) треба поставити предмет, щоб дійсне зображення було збільшене вдвічі?
Розв'язання:
Збільшення Γ = f/d = 2, отже f = 2d
Підставляємо у формулу: 1/F = 1/d + 1/(2d) = 3/(2d)
Звідси d = 3F/2 = 3·20/2 = 30 см
Відповідь: 30 см.
Поширена помилка: вважати, що d = F·Γ = 40 см. Насправді залежність складніша, бо f теж змінюється.
Приклад 3. Розсіювальна лінза — якісна характеристика
Завдання: Предмет висотою 3 см розташований на відстані 15 см від розсіювальної лінзи з F = −30 см. Яке зображення дає лінза?
Розв'язання:
Для розсіювальної лінзи F < 0, тому F = −30 см
Обчислюємо 1/f = 1/(−30) − 1/15 = −1/30 − 2/30 = −3/30 = −1/10
Отже, f = −10 см — зображення уявне (f < 0)
Збільшення Γ = |f|/d = 10/15 ≈ 0,67 — зменшене
Уявне зображення в розсіювальній лінзі завжди пряме
Відповідь: уявне, пряме, зменшене.
Чому інші варіанти неправильні? Дійсне зображення неможливе, бо f < 0. Збільшене зображення неможливе, бо Γ < 1. Оберненим буває лише дійсне зображення.
Приклад 4. Висота зображення
Завдання: Предмет висотою 4 см розташований на відстані 60 см від збиральної лінзи з фокусною відстанню 20 см. Знайди висоту зображення в сантиметрах.
Розв'язання:
Спочатку знаходимо f: 1/f = 1/20 − 1/60 = (3 − 1)/60 = 2/60 = 1/30 → f = 30 см
Збільшення: Γ = f/d = 30/60 = 0,5
Висота зображення: H = Γ·h = 0,5·4 = 2 см
Відповідь: 2 см.
Типова помилка: забути знайти f і одразу обчислити Γ = F/d = 20/60 ≈ 0,33, що дало б H ≈ 1,3 см — неправильно.
Приклад 5. Оптична сила лінзи
Завдання: Лінза утворила на екрані зображення на відстані 30 см від лінзи, а предмет розташований на відстані 15 см. Знайди оптичну силу лінзи в діоптріях.
Розв'язання:
Переводимо в метри: d = 0,15 м, f = 0,30 м
Оптична сила: D = 1/F = 1/d + 1/f
D = 1/0,15 + 1/0,30 = 6,666... + 3,333... = 10 дптр
Відповідь: 10 дптр.
Важливо: переводити сантиметри в метри, бо діоптрія — це обернений метр. Якщо залишити сантиметри, D = 1/15 + 1/30 = 0,1 — число в 100 разів менше, ніж правильне.
Неправильні знаки у формулі для уявного зображення й розсіювальної лінзи. Запам'ятай: розсіювальна лінза завжди має F < 0; уявне зображення завжди має f < 0. Якщо забути знак мінус, результат буде фізично безглуздим.
Змішувати одиниці: d у сантиметрах, F у метрах. Усі відстані у формулі тонкої лінзи мають бути в однакових одиницях. Якщо в умові всі відстані дано в сантиметрах, підставляй F, d і f у сантиметрах. Для оптичної сили обов'язково переведи відстані в метри.
Перевертати дріб: 1/f = 1/F − 1/d, а не f = F − d. Формула тонкої лінзи оперує оберненими величинами. Ніколи не віднімай d від F безпосередньо — це дасть неправильний результат.
Плутати збільшення Γ = f/d із f/F або d/f. Лінійне збільшення — це відношення відстані до зображення до відстані до предмета (або їхніх модулів). Не плутай з оптичною силою чи фокусною відстанню.
Не перевіряти сенс відповіді: дійсне зображення збиральної лінзи не може мати f < F. Якщо ти отримав f = 5 см для лінзи з F = 10 см, але предмет далі за фокус — щось не так. Дійсне зображення завжди далі від лінзи, ніж фокус. Перевіряй правдоподібність результату.
У демоваріанті НМТ 2026 року завдання № 21 (коротка відповідь, 2 бали) перевіряло формулу тонкої лінзи й оптичну силу. Це означає, що ти маєш бути готовий до розрахункової задачі, де потрібно знайти одну з трьох величин — d, f або F — за двома іншими.
Формула тонкої лінзи, оптична сила й лінійне збільшення є в довідкових матеріалах НМТ. Однак правил знаків для розсіювальної лінзи й уявного зображення в довідці немає — їх треба знати напам'ять.
Програма НМТ (тема «Оптика») вимагає застосовувати формулу тонкої лінзи. Відповідь у завданні — ціле число або десятковий дріб в одиниці, указаній в умові. Наприклад, якщо в умові всі відстані в сантиметрах, то й відповідь дають у сантиметрах.
Стратегія розв'язування:
Накресли хід променів (хоча б подумки), щоб визначити, яким буде зображення — дійсним чи уявним. Це підкаже знак f.
Визнач знак F за типом лінзи: збиральна → F > 0, розсіювальна → F < 0.
Підстав значення у формулу 1/F = 1/d + 1/f і розв'яжи рівняння.
Перевір, чи має відповідь фізичний сенс: дійсне зображення не може бути ближче за фокус.
Чому для уявного зображення f від'ємне?
У формулі тонкої лінзи знак f показує, з якого боку лінзи утворюється зображення. Якщо зображення дійсне, промені перетинаються по другий бік лінзи — цей бік вважають додатним, тому f > 0. Якщо зображення уявне, промені не перетинаються, а перетинаються їхні продовження по той самий бік, де лежить предмет. Цей бік вважають від'ємним, тому f < 0. Така домовленість дає змогу використовувати єдину формулу для всіх випадків.
Як швидко перевірити відповідь без калькулятора?
Найпростіший спосіб — підставити знайдені d і f у формулу 1/d + 1/f і порівняти з 1/F. Якщо числа зручні (наприклад, 1/30 + 1/60 = 1/20), то перевірка виконується усно. Також переконайся, що знак f відповідає типу зображення: дійсне → додатний, уявне → від'ємний. І ще: для збиральної лінзи дійсне зображення завжди далі від лінзи, ніж фокус (f > F).
Чому збільшення дорівнює f/d?
Лінійне збільшення виводять із подібності трикутників, які утворюють промені під час побудови зображення. Промінь, що проходить через оптичний центр лінзи, не заломлюється. Разом з віссю лінзи він утворює два подібні прямокутні трикутники: один — з предметом заввишки h на відстані d, другий — із зображенням заввишки H на відстані f. З подібності випливає H/h = f/d. Для уявного зображення беруть модуль |f|, бо висота зображення — додатна величина.
Чи завжди можна отримати збільшене зображення на екрані?
Ні. На екрані можна отримати лише дійсне зображення. Дійсне зображення збиральної лінзи буде збільшеним, коли предмет розташований між фокусом F і подвійним фокусом 2F (тобто F < d < 2F). Якщо предмет далі за 2F, зображення буде зменшеним. Якщо предмет ближче за фокус (d < F), зображення буде уявним — його не можна спроєктувати на екран. Розсіювальна лінза завжди дає уявне зменшене зображення, тому екран не допоможе.
Формула тонкої лінзи: 1/F = 1/d + 1/f; оптична сила: D = 1/F
Лінійне збільшення: Γ = H/h = f/d (для уявного зображення беруть |f|)
Знаки: розсіювальна лінза F < 0; уявне зображення f < 0; дійсний предмет завжди d > 0
Збільшене дійсне зображення збиральної лінзи: F < d < 2F
Усі відстані у формулі — в однакових одиницях (усі в метрах або всі в сантиметрах)
Для дійсного зображення зі збільшенням Γ: d = F(Γ + 1)/Γ, f = F(Γ + 1)