Logo
Logo

Выцветшие фокусы линзы

В архиве Снеллиуса нашли рукопись с оптической схемой. От времени чернила выцвели и остались видны собирающая линза, её главная оптическая ось и две точки. Из поясняющих записей к схеме стало ясно, что точечный источник находился на главной оптической оси на двойном фокусном расстоянии от линзы, а точки $A$ и $B$ лежали на одном из лучей, проходившем через этот источник и прошедшем сквозь линзу. По имеющимся данным построением с помощью циркуля и линейки без делений восстановите положение фокусов линзы.

Ответ:

Из рисунка видно, что линза собирающая, тогда по формуле тонкой линзы

$$\frac{1}{F}=\frac{1}{2F} + \frac{1}{r},$$

где $r$ — расстояние от изображения источника, которое находится тоже на главной оптической оси, до линзы. 
Находим $r=\left(\frac{1}{F}-\frac{1}{2F}\right)^{-1}=2F > 0$. Т.е. изображение находится на другой стороне от линзы на расстоянии $2F$ от неё — на том же расстоянии, что и источник.
 

Если $X$ — источник, то $Y$ — изображение источника. Если $Y$ — источник, то $X$ — его изображение.
 

$OX=OY \Rightarrow\triangle XYZ$ равнобедренный $\Rightarrow$ точка $B'$, симметричная $B$ относительно плоскости линзы, лежит на другой стороне $\triangle XYZ$ — стороне $XZ$.
 

Следовательно, следующий ряд построений отвечает на вопросы задачи:

  1. Отражаем точку $B$ относительно плоскости линзы и получаем точку $B'$ (альтернативно можно так же поступить и с точкой $A$).
  2. Проводим прямую $AB'$. Она пересекает главную оптическую ось в точке $X$. Получаем положение источника (или изображения) $X$ на двойном фокусе.
  3. Середина отрезка $OX$ — первый фокус линзы.
  4. Отражаем в плоскости линзы фокус, построенный в пункте 3 и получаем второй фокус.