Optičke leće i oko
- Razlikovati sabirnu (konvergentnu) i rasipnu (divergentnu) leću i objasniti gdje im je žiža.
- Nacrtati tri karakteristična zraka i pomoću njih odrediti lik.
- Primijeniti jednačinu 1/f = 1/a + 1/b i uvećanje m = b/a.
- Objasniti kako oko stvara lik i kako naočale ispravljaju kratkovidnost i dalekovidnost.
1. Šta je leća i koji su njeni elementi
Optička leća je prozirno tijelo omeđeno dvjema površinama, od kojih je barem jedna zakrivljena, najčešće dio sfere. Kada svjetlost prođe kroz leću, lomi se na obje površine i zato mijenja pravac. Leća mijenja smjer zraka tako da oko ili zastor mogu dobiti lik predmeta.
- Sabirna (konvergentna) leća je u sredini deblja nego na rubovima. Paralelne zrake skuplja u jednu tačku — žižu F. Primjeri: lupa, objektiv fotoaparata, očna leća.
- Rasipna (divergentna) leća je u sredini tanja nego na rubovima. Paralelne zrake rasipa, pa izgleda kao da dolaze iz žiže ispred leće. Primjer: naočale za kratkovidne osobe.
| Element | Oznaka | Šta je to |
|---|---|---|
| Glavna optička osa | — | prava kroz centar leće, okomita na leću |
| Optički centar | O | tačka u kojoj leća siječe glavnu osu; kroz nju zraka prolazi bez skretanja |
| Žiža | F, F′ | tačka u kojoj se sijeku zrake paralelne s osom (ili njihovi produžeci) |
| Žižna daljina | f | udaljenost optičkog centra od žiže; mjeri se u metrima (m), a u ovim zadacima koristimo centimetre (cm) |
Dogovor o predznaku žižne daljine vrijedi za cijelu lekciju: sabirna leća ima f > 0, a rasipna f < 0. Žižna daljina zavisi od zakrivljenosti površina i od indeksa loma stakla: deblja i zakrivljenija leća ima kraću žižnu daljinu i jače prelama.
2. Karakteristični zraci i konstrukcija lika
Do lika se dolazi i bez računa. Dovoljna su tri karakteristična zraka, u modelu tanke leće. Kod stvarnog lika zraci se sijeku, a kod virtualnog lika sijeku se njihovi produžeci:
| Zrak prije leće | Kako izlazi iz leće |
|---|---|
| paralelan s glavnom osom | prolazi kroz žižu F′ s druge strane (sabirna), odnosno izgleda kao da dolazi iz žiže F (rasipna) |
| kroz optički centar O | nastavlja pravo, bez skretanja |
| kroz žižu F ispred sabirne leće; kod rasipne usmjeren prema žiži F′ iza leće | izlazi paralelno s glavnom osom |
Postupak konstrukcije je uvijek isti:
- Nacrtaj glavnu osu, leću i označi O, F i F′.
- Nacrtaj predmet kao strelicu okomitu na osu, na udaljenosti a od leće.
- Iz vrha predmeta povuci dva karakteristična zraka do leće, pa ih prelomi po pravilima iz tablice.
- Tačka u kojoj se prelomljeni zraci sijeku je vrh lika.
- Ako se sijeku iza leće, lik je stvaran i obrnut. Ako se sijeku samo produžeci ispred leće, lik je virtualan i uspravan.
Stvaran lik se može uhvatiti na zastor (platno, film, mrežnica). Virtualan lik ne možeš uhvatiti na zastor na njegovom položaju: zraci iz predmeta tamo se stvarno ne sastaju. Oko ipak prima rasute zrake i vidi kao da dolaze iz tog položaja. Zato lupa pokazuje lik koji „lebdi“ u zraku, a projektor baca lik na platno.
3. Jednačina preslikavanja i uvećanje
Umjesto crtanja možeš sve izračunati. Veza između žižne daljine f, udaljenosti predmeta a i udaljenosti lika b je jednačina preslikavanja za tanku leću:
1/b = 1/f − 1/a ⇒ b = a·fa − f
Uvećanje kaže koliko je lik velik u odnosu na predmet:
Ovdje je m = b/a dogovor za račun omjera, a faktor povećanja visine je |m|. Orijentaciju lika određujemo posebno: stvaran lik je obrnut, virtualan uspravan. Ako se koristi predznačena visina, njen omjer je h′/h = −b/a.
Predznaci nose informaciju, ne „negativnu veličinu“:
- a je uvijek pozitivno — predmet je ispred leće.
- f je pozitivno za sabirnu, negativno za rasipnu leću.
- b je pozitivno kada je lik iza leće (stvaran), a negativno kada je ispred leće (virtualan).
| Položaj predmeta (sabirna leća) | Lik | Veličina |
|---|---|---|
| a > 2f | stvaran, obrnut, iza leće | umanjen |
| a = 2f | stvaran, obrnut | iste veličine |
| f < a < 2f | stvaran, obrnut | uvećan |
| a = f | nema konačnog lika | zraci izlaze paralelno |
| a < f | virtualan, uspravan, ispred leće | uvećan (lupa) |
4. Oko kao optički sistem i naočale
Oko radi kao fotoaparat. Svjetlost ulazi kroz rožnjaču, prolazi kroz očnu leću (sočivo) i pada na mrežnicu na zadnjoj strani oka. Rožnjača i leća zajedno prelamaju svjetlost, pa na mrežnici nastaje stvaran, obrnut i umanjen lik. Mozak taj obrnut lik tumači kao uspravan — to nije optika, nego obrada slike.
Oko mora izoštriti i blizu i daleko. To postiže akomodacijom: mišići mijenjaju zakrivljenost leće, pa se mijenja njena žižna daljina. Za školske zadatke uzimamo 25 cm kao daljinu jasnog vida za ugodno čitanje. Bliska tačka je najmanja udaljenost s koje oko vidi oštro; zavisi od dobi i kod mladih osoba često je bliža od 25 cm. Daleka tačka normalnog, opuštenog oka je u beskonačnosti.
| Poremećaj | Šta se dešava | Koja leća pomaže |
|---|---|---|
| Kratkovidnost | lik dalekih predmeta nastaje ispred mrežnice; blizu vidi oštro | rasipna (divergentna), f < 0 |
| Dalekovidnost | lik bliskih predmeta nastaje iza mrežnice; daleko vidi oštro | sabirna (konvergentna), f > 0 |
Naočale ne liječe oko: one pomjeraju lik na mrežnicu. Isti račun vrijedi za fotoaparat (lik na senzoru), projektor (lik na platnu) i mikroskop (dva lika, jedan iza drugog).
5. Isprobaj: lik kroz leću
Podesi žižnu daljinu i udaljenost predmeta. Tri obojena zraka su karakteristični zraci, a isprekidana linija pokazuje produžetak koji daje virtualni lik. Isprobaj i slučaj kada je predmet tačno u žiži.
f = 12,0 cm · a = 30,0 cm · b = 20,0 cm · m = 0,67 · h′ = 3,3 cm
Lik je stvaran, obrnut i umanjen.
Udaljenosti su nacrtane u razmjeru, a predmet je visok 5 cm. Leća je nacrtana deblje nego u stvarnosti, jer je riječ o tankoj leći.
Istraži: uhvati oštar lik na zastoru
Na optičkoj klupi je sabirna leća žižne daljine f = 10 cm i predmet visok 5 cm. Najprije predvidi možeš li dobiti lik na zastoru, zatim ga pomjeraj dok ne postane oštar. Tek nakon pokušaja otkrij zrake i provjeri račun.
1. Postavi predmet i predvidi
2. Pomjeraj zastor i provjeri oštrinu
↑ Ljubičasto: predmet · │ sivo: zastor · crveno: konstruisani lik. Pune linije su zraci; isprekidane linije su njihovi produžeci.
Predmet i zastor možeš povlačiti ili pomjerati klizačima. Brojevi uz osu označavaju položaj u centimetrima u odnosu na leću (0 cm). Dužine i visina predmeta prikazani su u istom razmjeru; debljina leće i prikaz zamućenja su šematski. Model tanke leće zanemaruje optičke greške.
3. Zabilježi i uporedi
| a | Zastor | Opažanje |
|---|---|---|
| Još nema mjerenja. Provjeri zastor, zatim zapiši opažanje. | ||
Istraživački zadaci i pomoć
Isprobaj a = 30 cm, 20 cm i 15 cm. Za svaki položaj pronađi oštar lik i zapiši udaljenost zastora. Zatim isprobaj a = 5 cm i a = 10 cm. Zašto tada pomjeranje zastora ne pomaže? Pomoć: kada je a > f, računaj b = f·a/(a − f). Kod a < f virtualan lik ne možeš uhvatiti na zastoru. Kod a = f izlazni zraci su paralelni: nema konačnog položaja oštrog lika.
6. Korak po korak: od podataka do lika
Zadatak: „Predmet visok 3 cm stoji 24 cm ispred sabirne leće žižne daljine 8 cm. Odredi udaljenost lika, uvećanje i visinu lika, pa opiši lik.“ Radi ovako, korak po korak.
7. Riješeni primjeri
Dva tipa zadatka: račun sa sabirnom lećom i račun s rasipnom lećom ili s posebnim položajem predmeta. U svakom tipu su tri primjera, od lakšeg ka težem.
Tip 1: sabirna leća
Primjer 1: predmet dalje od 2f
Sabirna leća ima f = 10 cm. Predmet visok 4 cm stoji 30 cm ispred leće. Odredi udaljenost, uvećanje i visinu lika.
Primjer 2: predmet između f i 2f
Sabirna leća ima f = 8 cm. Predmet visok 3 cm stoji 12 cm ispred leće. Gdje nastaje lik i koliko je uvećan?
Primjer 3: predmet bliži od žiže (lupa)
Sabirna leća ima f = 12 cm. Predmet visok 2 cm stoji samo 5 cm ispred leće. Odredi udaljenost i uvećanje lika.
Tip 2: rasipna leća i posebni položaji
Primjer 1: rasipna leća naočala
Rasipna leća ima žižnu daljinu −15 cm. Predmet stoji 30 cm ispred leće. Odredi udaljenost i uvećanje lika.
Primjer 2: predmet tačno u žiži
Sabirna leća ima f = 15 cm. Predmet stoji tačno 15 cm ispred leće. Gdje nastaje lik?
Primjer 3: obrnut zadatak s lupom
Lupa žižne daljine 5 cm daje virtualan lik na 15 cm od leće, na istoj strani gdje je predmet. Na kojoj udaljenosti stoji predmet?
- Zaboravljen predznak kod rasipne leće. f je negativno, pa je i član 1/f negativan; za f = −10 cm pišemo 1/f = −1/10 cm⁻¹. Bez toga lik ispadne stvaran, a rasipna leća to nikad ne daje.
- Sabiranje umjesto oduzimanja. Iz 1/f = 1/a + 1/b slijedi 1/b = 1/f − 1/a. Ko sabere recipročne vrijednosti, dobije pogrešan b.
- „Negativan b znači da lik ne postoji.“ Postoji, ali je virtualan i nalazi se ispred leće. Veličina lika se računa s |m|.
- Dijeljenje s nulom pri a = f. Tada zraci izlaze paralelno i lik nema konačnu udaljenost; jednačina nema rješenje za b.
- Miješanje leće i ogledala. Ogledalo radi na odbijanju, leća na prelamanju. Formula izgleda isto, ali se lik kod leće gleda s druge strane leće.
✅ Kviz — provjeri sebe (4 pitanja)
1. Koja leća se koristi u naočalama za kratkovidnu osobu?
2. Sabirna leća ima f = 10 cm, a predmet je 30 cm ispred nje. Koliko je lik udaljen od leće?
3. Predmet stoji bliže sabirnoj leći od njene žižne daljine (a < f). Kakav je lik?
4. Predmet je tačno u žiži sabirne leće. Šta se dešava sa likom?
8. Primijeni i objasni
Provjeri rješenje i obrazloženje
1/b = 1/f − 1/a = 1/6 − 1/9 = 3/18 − 2/18 = 1/18, pa je b = 18 cm. Uvećanje je m = b/a = 18/9 = 2, a visina lika h′ = 2·2 = 4 cm. Lik je stvaran (b > 0), obrnut i dvaput uvećan, jer je a = 9 cm između f = 6 cm i 2f = 12 cm. Zastor treba postaviti 18 cm iza leće, okomito na glavnu osu: tu se prelomljeni zraci stvarno sijeku, pa je lik na zastoru oštar i obrnut. Virtualan lik se na zastoru ne bi mogao uhvatiti.
Pokušaj najprije samostalno. Ako zapneš, vrati se na simulaciju, postavi f = 6 cm i a = 9 cm, pa uporedi položaj lika s izračunatim brojem.
Ključni sadržaji koje ovdje učiš: optičke leće, karakteristični elementi i zraci, jednačina preslikavanja, uvećanje lika i primjena kod oka i naočala.
Oblast E — Optika i moderna fizika, svjetlost. Oznake ishoda u izvoru: E.9.1, E.9.2. Predmetni kurikulum KS, 9. razred, štampana str. 29. Raspored oblasti na portalu je urednički. Objašnjenja, primjeri i aktivnosti su autorski.