ΦΥΣΙΚΗ Γ ΓΥΜΝΑΣΙΟΥ ΦΑΚΟΙ ΚΑΙ ΟΠΤΙΚΑ ΟΡΓΑΝΑ

ΦΥΣΙΚΗ Γ ΓΥΜΝΑΣΙΟΥ ΦΑΚΟΙ ΚΑΙ ΟΠΤΙΚΑ ΟΡΓΑΝΑ

ΦΥΣΙΚΗ Γ ΓΥΜΝΑΣΙΟΥ ΦΑΚΟΙ ΚΑΙ ΟΠΤΙΚΑ ΟΡΓΑΝΑ

ΕΙΣΑΓΩΓΗ

   Οπτικός φακός ονομάζεται ένα διαφανές σώμα,συνήθως από γυαλί,το οποίο περιορίζεται από καμπύλες επιφάνειες οι οποίες μπορεί να είναι σφαιρικές ή κυλινδρικές.
  Είναι μια οπτική συσκευή με τέλεια ή κατά προσέγγιση αξονική συμμετρία που διαβιβάζει και διαθλά το φως, με συγκλίνουσες ή αποκλίνουσες ακτίνες.Ένας απλός φακός αποτελείται από ένα ενιαίο οπτικό στοιχείο.Οι φακός κατασκευάζεται συνήθως από γυαλί ή διαφανές συνθετικό υλικό.

Οπτικοί φακοί

  Το πιο συνηθισμένο υλικό που κατασκευάζουμε φακούς είναι το κρύσταλλο. Μπορούμε όμως να φτιάξουμε και απλούς φακούς με πιο απλά μέσα:Μπορούμε εύκολα π. χ. να κατασκευάσουμε ένα φακό, αν κάνουμε μια τρύπα σε ένα χαρτόνι και βάλουμε μία σταγόνα νερό σε αυτή την τρύπα ή αν γεμίσουμε ένα μπουκάλι με νερό και κοιτάξουμε μέσα από την τρύπα ή το μπουκάλι σε ένα βιβλίο.Τότε θα παρατηρήσουμε ότι το νερό θα συμπεριφερθεί σαν ένας μεγεθυντικός φακός.
   Ο φακός διακρίνεται σε δύο κατηγορίες.Στους συγκλίνοντες η συγκεντρωτικούς  και στους αποκλίνοντες ή αποκεντρωτικούς φακούς.
  Οι συγκλίνοντες φακοί είναι λεπτότεροι στα άκρα και παχύτεροι στο μέσο και μετατρέπουν μια δέσμη παράλληλων ακτίνων σε συγκλίνουσα.
  Οι αποκλίνοντες φακοί είναι παχύτεροι στα άκρα και λεπτότεροι στο μέσο και μετατρέπουν μία παράλληλη δέσμη σε αποκλίνουσα.

Στην αρχαία Ελλάδα γνώριζαν τις ιδιότητες των οπτικών φακών

  Ο παλαιότερος φακός είναι ένας φακός με ιστορία πάνω από τρεις χιλιάδες χρόνια,που χρονολογείται από την αρχαία Ασσυρία.Οι Ασσύριοι τεχνίτες χρησιμοποιούσαν ένα τέτοιο φακό στα έργα τους.Μια άλλη πρόωρη αναφορά σε μεγέθυνση χρονολογείται από τα αρχαία αιγυπτιακά ιερογλυφικά τον 8ο π.Χ. αιώνα.
  Τα πρώτα γραπτά αρχεία των φακών υπήρχαν στην Αρχαία Ελλάδα.Οι αρχαίοι Έλληνες γνώριζαν ότι ένα διαφανές σφαιρικό δοχείο γεμάτο νερό μπορούσε να συγκεντρώσει σε μία πολύ μικρή επιφάνεια το ηλιακό φως που έπεφτε πάνω του.

   Κάποιοι μελετητές υποστηρίζουν ότι τα αρχαιολογικά στοιχεία δείχνουν ότι υπήρξε ευρεία χρήση των φακών κατά την αρχαιότητα, που εκτείνονται σε αρκετές χιλιετίες.Τέτοιου είδους φακοί χρησιμοποιήθηκαν από τεχνίτες για τα εξαίρετα έργα.Τα γραπτά του ο Πλίνιος ο Πρεσβύτερος δείχνουν ότι οι φακοί ήταν γνωστοί στη Ρωμαϊκή Αυτοκρατορία.Και ο Πλίνιος και Σενέκας ο Νεότερος (3 π.Χ.-65μ.Χ.) περιέγραψε το μεγεθυντικό αποτέλεσμα μιας γυάλινης σφαίρας γεμάτη με νερό.

Το τηλεσκόπειο του Γαλιλαίου με το οποίο είδε τα όρη στη Σελήνη,τις φάσεις στην Αφροδίτη,τις κηλίδες στον Ήλιο και τους αστέρες στο Γαλαξία

   Οι φακοί τέθηκαν σε ευρεία χρήση στην Ευρώπη  τον 11ο αιώνα.Πρώτοι πάντως οι Κινέζοι χρησιμοποίησαν τους φακούς για τα προβλήματα όρασης.Γυαλιά όρασης κατασκευάστηκαν για πρώτη φορά στη Βόρεια Ιταλία γύρω στα 1825 μ.Χ.

  Την δεκαετία του 1550 ένας άλλος εφευρέτης,ο Άγγλος Λέοναρντ Ντίγκς είχε δημιουργήσει ένα πρωτόγονο όργανο με έναν συνδυασμό κατόπτρων (καθρεφτών) και φακών,που μπορούσε να καθρεφτίσει και να μεγεθύνει τα μακρινά αντικείμενα. 

   Πιστεύεται ότι το πρώτο τηλεσκόπιο εφευρέθηκε από τον οπτικό Χανς Λίπερσχαϊ το 1608 στην Ολλανδία.Ο Λίπερσχαϊ τοποθέτησε τους δύο φακούς σε έναν μεταλλικό σωλήνα.

Ένα σύγχρονο τηλεσκόπιο

  Ο Ιταλός αστρονόμος Γαλιλαίος ήταν ο πρώτος άνθρωπος που εισήγαγε το τηλεσκόπιο στην αστρονομία.Όταν έμαθε για την εφεύρεση του Λίπερσχαϊ ο Γαλιλαίος κατάφερε να κατασκευάσει μόνος του το τηλεσκόπιο του, έχοντας υπόψη του μόνο την περιγραφή των αποτελεσμάτων του.Το πρώτο του τηλεσκόπιο μεγέθυνε 8 φορές τα αντικείμενα.Μέσα σε λίγες μέρες κατάφερε εικοσαπλάσια μεγέθυνση,ενώ στη συνέχεια κατάφερε τριανταπλάσια μεγέθυνση.

Το πρίσμα που διασπά το φως στα εφτά χρώματα 

  Με το τηλεσκόπιο ο Γαλιλαίος είδε τα όρη στη Σελήνη,τις φάσεις στην Αφροδίτη,τις κηλίδες στον Ήλιο και τους αστέρες στο Γαλαξία.

 Έπειτα ήρθε η σειρά του Άγγλου φυσικού Ισαάκ Νεύτων.Οι φακοί των τηλεσκοπίων λειτουργούν ως πρίσμα, διασπώντας το φως στα εφτά χρώματα.Αυτό προκαλεί χρωματική εκτροπή, δηλαδή έγχρωμες φωτεινές λωρίδες γύρω από το αντικείμενο.Εκείνος κατασκεύασε ένα νέο τύπο τηλεσκοπίου που χρησιμοποιούσε καθρέφτες και όχι φακούς, εξαλείφοντας αυτό το πρόβλημα

ΣΥΓΚΛΙΝΟΝΤΕΣ ΚΑΙ ΑΠΟΚΛΙΝΟΝΤΕΣ ΦΑΚΟΙ

ΕΙΣΑΓΩΓΗ

   Οι φακοί έχουν ταξινομηθεί από την καμπυλότητα των δύο οπτικών επιφανειών.Όπως είπαμε ο φακός διακρίνεται σε δύο κατηγορίες.Στους συγκλίνοντες η συγκεντρωτικούς  και στους αποκλίνοντες ή αποκεντρωτικούς φακούς.

Σε έναν συγκλίνοντα φακό  τοποθετούμε κάθετα τις ηλιακές
ακτίνες. Παρατηρούμε πως οι ακτίνες που περνούν από το φακό συγκεντρώνονται σ' ένα σημείο

  Οι συγκλίνοντες φακοί είναι λεπτότεροι στα άκρα και παχύτεροι στο μέσο και μετατρέπουν μια δέσμη παράλληλων ακτίνων σε συγκλίνουσα.
  Οι αποκλίνοντες φακοί είναι παχύτεροι στα άκρα και λεπτότεροι στο μέσο και μετατρέπουν μία παράλληλη δέσμη σε αποκλίνουσα.

ΣΥΓΚΛΙΝΟΝΤΕΣ ΦΑΚΟΙ

 Σε έναν συγκλίνοντα φακό  τοποθετούμε κάθετα τις ηλιακές ακτίνες.Παρατηρούμε πως οι ακτίνες που περνούν από το φακό συγκεντρώνονται σ' ένα σημείο που λέγεται κύρια εστία του φακού.
  Στην κυρία εστία του φακού, εξαιτίας του ότι συγκεντρώνονται άπειρες ηλιακές ακτίνες. Αν εστιάσουμε ένα αντικείμενο  σ' ένα φακό που τον διαπερνούν ηλιακές ακτίνες, π.χ. ένα κομμάτι χαρτί ή ένα κομμάτι ύφασμα, τότε θα παρατηρήσουμε πως μετά από λίγη ώρα θ' αρχίσει να καίγεται. 
   Η απόσταση μεταξύ του φακού και της εστίας λέγεται εστιακή απόσταση.

Συγκλίνοντας φακός

   Αν οι ακτίνες περάσουν το φακό από τη μια ή από την άλλη πλευρά, δεν έχει σημασία. Παρουσιάζεται ακριβώς το ίδιο φαινόμενο. Παρατηρούμε δηλαδή πως ένας αμφίκυρτος φακός έχει δύο εστίες που είναι συμμετρικές, δηλαδή απέχουν την ίδια απόσταση από το φακό.

 Αν τοποθετήσουμε μπροστά σ' έναν συγκλίνοντα φακό και σε απόσταση μεγαλύτερη από την εστιακή του ένα αναμμένο κερί, θα παρατηρήσουμε ότι στην αντίθετη πλευρά του φακού και σε σημείο πιο πέρα από την κύρια εστία του σχηματίζεται σ' ένα παραπέτασμα, που θα έχουμε τοποθετήσει, η εικόνα του κεριού αλλά ανεστραμμένη. Έχουμε, δηλαδή, στην περίπτωση αυτή, ένα είδωλο πραγματικό και ανεστραμμένο. Αν τώρα κινούμε το φακό έτσι ώστε το κερί να πλησιάζει το φακό, θα παρατηρήσουμε πως το είδωλο απομακρύνεται και γίνεται μεγαλύτερο. Αν, αντίθετα, το αντικείμενο απομακρύνεται από την εστία του φακού, το είδωλο πλησιάζει την κύρια εστία του φακού και μικραίνει.

Αν τοποθετήσουμε μπροστά σ' έναν συγκλίνοντα φακό και σε απόσταση μεγαλύτερη από την εστιακή του ένα αναμμένο κερί, θα παρατηρήσουμε ότι στην αντίθετη πλευρά του φακού και σε σημείο πιο πέρα από την κύρια εστία του σχηματίζεται σ' ένα παραπέτασμα, που θα έχουμε τοποθετήσει, η εικόνα του κεριού αλλά ανεστραμμένη

  Αν τώρα πίσω από έναν συγκλίνοντα φακό τοποθετήσουμε ένα αντικείμενο, π.χ. ένα μικρό έντομο και σε απόσταση μικρότερη από την εστιακή (το τοποθετούμε δηλαδή μεταξύ φακού και εστίας), τότε θα παρατηρήσουμε πως σχηματίζεται ένα είδωλο στην ίδια πλευρά του φακού που είναι τοποθετημένο το αντικείμενο,αλλά το είδωλο θα είναι πολύ μεγαλύτερο σε διαστάσεις από το αντικείμενο.Τότε έχουμε ένα είδωλο φανταστικό, όρθιο και μεγαλύτερο από το αντικείμενο.

 Από τα παραπάνω μπορούμε να βγάλουμε τα εξής συμπεράσματα για τους συγκεντρωτικούς φακούς.
α) Έχουν δύο κύριες εστίες, μία από κάθε πλευρά τους και σε ίση απόσταση από αυτούς.

β) Ένα αντικείμενο που τοποθετείται πιο πέρα από την κύρια εστία τους δίνει στην αντίθετη πλευρά το είδωλο πραγματικό και ανεστραμμένο.

γ) Ένα αντικείμενο που τοποθετείται ανάμεσα στην κύρια εστία και στο φακό δίνει στην ίδια πλευρά το είδωλο του αντικειμένου φανταστικό, όρθιο και πάντοτε μεγαλύτερο.

ΑΠΟΚΛΙΝΟΝΤΕΣ ΦΑΚΟΙ

  Αν τοποθετήσουμε έναν αμφίκοιλο φακό κάθετα στις ηλιακές ακτίνες, θα παρατηρήσουμε πως οι ακτίνες που περνούν το φακό δε συγκεντρώνονται σ' ένα σημείο,δηλαδή δε συγκλίνουν, όπως στην περίπτωση των συγκεντρωτικών φακών αλλά αντίθετα, απομακρύνονται η μία από την άλλη,δηλαδή αποκλίνουν.

  Αν θεωρήσουμε δύο παράλληλες ακτίνες, που περνούν το φακό και αποκλίνουν, θα παρατηρήσουμε πως οι προεκτάσεις τους από την αντίθετη πλευρά συγκλίνουν σ' ένα σημείο στο οποίο είναι η κύρια εστία του φακού. 
   Το συμμετρικό του σημείο είναι και η άλλη κύρια εστία του φακού με τη διαφορά ότι οι κυρίες αυτές εστίες είναι φανταστικές και όχι πραγματικές, όπως στους αμφίκυρτους φακούς.

Αποκλίνοντας φακός

  Αν πίσω από έναν αμφίκοιλο φακό τοποθετήσουμε σε οποιαδήποτε απόσταση από αυτόν ένα μικρό αντικείμενο, θα παρατηρήσουμε πως θα σχηματιστεί στην ίδια πλευρά ένα είδωλο του αντικειμένου φανταστικό, όρθιο και πάντοτε μικρότερο. 

Οι παρατηρήσεις αυτές μας οδηγούν στα συμπεράσματα:
α) Οι αμφίκοιλοι φακοί έχουν δύο κύριες εστίες φανταστικές, μία από κάθε πλευρά και σε ίση απόσταση από αυτούς.
β) Ένα αντικείμενο, όταν τοποθετηθεί πίσω από αμφίκοιλο φακό, δίνει πάντοτε στην ίδια πλευρά του το είδωλο όρθιο, φανταστικό και μικρότερο του αντικειμένου.

Η μυωπία διορθώνεται με αποκλίνοντες φακούς

   Πολλές είναι οι εφαρμογές των φακών,αλλά οι σπουδαιότερες είναι τα γυαλιά.Το μάτι του ανθρώπου είναι ένας κρυσταλλώδης αμφίκυρτος φακός,που έχει την ικανότητα να συγκεντρώνει τις φωτεινές ακτίνες και να σχηματίζει φωτεινό είδωλα πάνω στον αμφιβληστροειδή χιτώνα, ανεξάρτητα αν το αντικείμενο βρίσκεται κοντά ή μακριά.Αν τώρα ο φακός του ματιού,εξαιτίας μιας αρρώστιας,χαλάσει,τότε τοποθετούμε έξω από το μάτι ένα φακό,που βοηθάει να σχηματίζεται το είδωλο πάντα πάνω στον αμφιβληστροειδή και όχι μπροστά ή πίσω από αυτόν.

Η  πρεσβυωπία διορθώνεται   με συγκλίνοντες φακούς

 Η μυωπία διορθώνεται με αποκλίνοντες φακούς,ενώ η πρεσβυωπία με συγκλίνοντες φακούς.Επίσης άλλη εφαρμογή των φακών είναι το μικροσκόπιο.Σ' αυτό διάφορα συστήματα φακών μας βοηθούν να πετυχαίνουμε πολλές μεγάλες μεγεθύνσεις.Το μικροσκόπιο χρησιμοποιείται για τη μελέτη μικροοργανισμών.Το τηλεσκόπιο είναι μια άλλη εφαρμογή των φακών και μας βοηθά να μελετούμε τα ουράνια σώματα ή αντικείμενα, που είναι τοποθετημένα πολύ μακριά από εμάς, και που με το γυμνό μάτι θα ήταν αδύνατο να τα παρατηρήσουμε.Επίσης με τη βοήθεια των φακών στις φωτογραφικές μηχανές κατορθώνουμε να έχουμε πιστά αντίγραφα των διάφορων αντικειμένων στις φωτογραφίες. Άλλη εφαρμογή είναι ο κινηματογραφικός προβολέας.