Условие задачи:

Линза дает увеличение предмета в три раза, если предмет находится на расстоянии 10 см от нее. Найти фокусное расстояние линзы.

Задача №10.5.7 из «Сборника задач для подготовки к вступительным экзаменам по физике УГНТУ»

Дано:

$\Gamma=3$, $d=10$ см, $F-?$

Решение задачи:

Определенно ясно, что мы имеем дело с собирающей линзой, поскольку рассеивающая линза не может давать увеличенного изображения предмета. Но совершенно непонятно где находится предмет, поэтому рассмотрим два случая (см. рисунок).

Случай первый — ${d} > {F}$. Чтобы построить изображение точки A в собирающей линзе в данном случае, нужно провести через точку A два луча: один параллельно главной оптической оси, а второй через главный оптический центр O. Первый луч, преломившись в линзе, пройдет через задний фокус линзы. Второй луч проходит через линзу, не преломляясь. На пересечении этих лучей и будет находиться точка A₁. Проекция этой точки на главную оптическую ось есть точка B₁. Вот и все, изображение построено. Как мы видим, оно получилось действительным (поскольку получается на сходящемся пучке лучей), перевернутым и увеличенным ($\Gamma > 1$).

Запишем формулу тонкой линзы для этого случая:

$$\frac{1}{F} = \frac{1}{d} + \frac{1}{f}\;\;\;\;(1)$$

В этой формуле $F$ — фокусное расстояние линзы, знак перед ним «+», поскольку линза — собирающая, $d$ — расстояние от линзы до предмета, знак перед ним «+», поскольку предмет — действительный (в случае одиночной линзы предмет всегда действительный, оно бывает мнимым в случае системы линз), $f$ — расстояние от линзы до изображения, знак перед ним «+», поскольку изображение — действительное (то есть образуется на сходящемся пучке лучей — смотрите рисунок).

Поперечное увеличение предмета в линзе $\Gamma$ определяют по формуле (это можно вывести из подобия треугольников AOB и A₁OB₁):

$$\Gamma = \frac{f}{d}$$

Тогда:

$$f = \Gamma d\;\;\;\;(2)$$

Подставим выражение (2) в формулу (1):

$$\frac{1}{F} = \frac{1}{d} + \frac{1}{{\Gamma d}}$$

$$\frac{1}{F} = \frac{{\Gamma + 1}}{{\Gamma d}}$$

Откуда получим такую окончательную формулу:

$$F = \frac{{\Gamma d}}{{\Gamma + 1}}$$

Если подставить в эту формулу значения величин из условия задачи, то мы получим ответ (не забываем переводить эти значения в систему СИ):

$$F = \frac{{3 \cdot 0,1}}{{3 + 1}} = 0,075\;м = 7,5\;см$$

Случай второй — ${d} < {F}$. Чтобы построить изображение точки A в собирающей линзе в этом случае, нужно провести через точку A два луча: один параллельно главной оптической оси, а второй через главный оптический центр O. Первый луч, преломившись в линзе, пройдет через задний фокус линзы. Второй луч проходит через линзу, не преломляясь. Так как лучи не пересекаются, то их нужно продлить влево. На пересечении продолжений этих лучей и будет находиться точка A₁. Проекция этой точки на главную оптическую ось есть точка B₁. Вот и все, изображение построено. Как мы видим, оно получилось мнимым (поскольку получается на расходящемся пучке лучей), прямым и увеличенным ($\Gamma > 1$).

Запишем формулу тонкой линзы для данного случая:

$$\frac{1}{F} = \frac{1}{d} — \frac{1}{f}\;\;\;\;(3)$$

В этой формуле $F$ — фокусное расстояние линзы, знак перед ней «+», поскольку линза — собирающая, $d$ — расстояние от линзы до предмета, знак перед ним «+», поскольку предмет — действительный (в случае одиночной линзы предмет всегда действительный, оно бывает мнимым в случае системы линз), $f$ — расстояние от линзы до изображения, знак перед ним «-«, поскольку изображение — мнимое (то есть образуется на расходящемся пучке лучей — смотрите рисунок).

Аналогично, поперечное увеличение предмета в линзе $\Gamma$ определяют по формуле (это можно вывести из подобия треугольников AOB и A₁OB₁):

$$\Gamma = \frac{f}{d}$$

Тогда:

$$f = \Gamma d\;\;\;\;(4)$$

Подставим выражение (4) в формулу (3):

$$\frac{1}{F} = \frac{1}{d} — \frac{1}{{\Gamma d}}$$

Приведем под общий знаменатель в правой части полученного уравнения:

$$\frac{1}{F} = \frac{{\Gamma — 1}}{{\Gamma d}}$$

Тогда:

$$F = \frac{{\Gamma d}}{{\Gamma — 1}}$$

Численный ответ в этом случае равен:

$$F = \frac{{3 \cdot 0,1}}{{3 — 1}} = 0,15\;м = 15\;см$$

Ответ: 7,5 см или 15 см.

Если Вы не поняли решение и у Вас есть какой-то вопрос или Вы нашли ошибку, то смело оставляйте ниже комментарий.

Смотрите также задачи:

10.5.6 На каком расстоянии от выпуклой линзы с фокусным расстоянием 32 см следует поместить
10.5.8 Предмет помещен на расстоянии 25 см перед передним фокусом собирающей линзы
10.5.9 Светящийся предмет находится на расстоянии 3 м от экрана. На каком минимальном