Исследовательская работа "Жидкие линзы"

Муниципальное общеобразовательное учреждение

«Средняя общеобразовательная школа №1»

Исследовательская работа по физике

Тема:

«Жидкие линзы».

Подготовил:

Мингазов Салават Азатович,

ученик 7 «А» класса

Руководитель:

Колесникова Алевтина Владимировна,

учитель физики

первой квалификационной категории

г. Новый Уренгой, 2025 г.

Содержание :

Стр

1. Введение…………………………………………………...…………………………… 3

2. История возникновения линз………………………………...……………………….. 4

3. Тонкие линзы…………………………………………………...……………………… 5

4..Жидкие линзы…………………………………………………………………………... 7

5.Практическая часть……………………………………………………………………... 8

6.Заключение…………………………………………………………………..………… 10

7.Литература………………………………………………………………..……………. 11

1. Введение.

Сегодня вся деятельность человека немыслима без линз. Линзы исправляют дефекты зрения, применяются в зрительных приборах (бинокли, микроскопы, фото – видеокамеры, телескопы, лупа, очки и др.), осветительных устройствах, оптической аппаратуре спутников и т. д. Обычно линзы изготавливаются из стекла либо иного твердого оптически прозрачного материала, но данные конструкции не позволяют менять радиус кривизны преломляющей поверхности, то есть фокусное расстояние линзы. Устройства, где в качестве оптического тела линзы выступают оптически прозрачные жидкости, позволяют решить эту проблему. При этом форма преломляющей поверхности может плавно изменяться от вогнутой до выпуклой и обратно. В настоящее время практически все технические оптические устройства используют системы твердых линз для достижения требуемых эффектов, но представляется более выгодным использование одной жидкой линзы с переменным фокусным расстоянием вместо нескольких обычных, что повысит эффективность и быстродействие устройства. А также сделает производство более экономичным.

Целями данной работы являются: изучить, что такое жидкие линзы, рассмотреть варианты создания жидких линз.

В ходе работы, я поставил следующие задачи:

1. рассмотреть способы создания жидких линз;

2. изучить качество получаемого изображения;

3. выбрать оптимальную жидкую линзу для исследования;

3. рассмотреть возможность практического применения жидких линз;

4. доказать эквивалентность жидкой и стеклянной линз.

Объект исследования: применение жидкости как линзы.

Предмет исследования: возможность создание жидких линз с переменным фокусным расстоянием.

Гипотеза: в условиях школьного кабинета физики возможно создание простейших жидких линз, известные оптические свойства обычных твердых линз могут быть отнесены и к жидким линзам.

2. История возникновения линз

Слово линза происходит от латинского названия чечевицы (lentil), потому что двояковыпуклая линза имеет форму чечевицы. Чечевица и дала название геометрической фигуре. Старейшим экспонатом линзы является линза из Нимруда, датируемая 2700 годом (древняя Ассирия). Дэвид Брюстер предположил, чтобы эта линза, возможно, использовалось в качестве увеличительного стекла, или, зажигательного стекла, чтобы получить огонь путем концентрации солнечного света. Другая ранняя ссылка на увеличительное стекло относится ко времени древних египетских иероглифов в 8-м веке до н.э, которые изображают «простые стеклянные менисковые линзы».

 Самые ранние письменные упоминания о линзах относятся к Древней Греции, с Аристофана " Облака" (424 г. до н.э.), который упоминает зажигательное стекло (двояковыпуклую линзу для фокусировки солнечных лучей, чтобы произвести огонь). Некоторые ученые утверждают, что археологические данные свидетельствуют о том, что в древности линзы широко использовались, на протяжении нескольких тысячелетий. Такие линзы были использованы мастерами для тонкой работы, и для аутентификации оттисков печати.

В трудах Плиний Старший (23-79) показывает, что зажигательные стекла были известны в Римской империи, и упоминает, что, возможно, это самое раннее письменное упоминание о корректирующих линзах: Нерон говорил что, чтобы посмотреть гладиаторские игры, он использует изумруд (по-видимому отрицательную, чтобы исправить близорукость). Оба Плиния и Сенека Младший (3 до н.э -65) описали увеличительный эффект стеклянного шара, наполненного водой.

Во время раскопок в гавани города викингов Фреджель, (Готланд, Швеция) обнаружили в 1999 году линзы из горного хрусталя Висбю, произведенные с помощью токарных станков Фреджеля с 11 по 12 века, с качеством изображения, сопоставимым с асферическими линзами из 1950-х годов. Линзы викингов были способны концентрировать достаточно солнечного света, чтобы зажигать огонь. 

Между 11-м и 13-м веке были изобретены "камни для чтения". Часто используемые монахами, чтобы помочь в чтении рукописей, это были примитивные плоско-выпуклые линзы, первоначально сделанные с помощью резки стеклянного шара пополам. 

Линзы получили широкое распространение в Европе с изобретением очков, вероятно, в Италии в 1280-х. Это было начало оптической промышленности шлифования и полировки линз для очков, сначала в Венеции и Флоренции в тринадцатом веке, а позже и в фабриках по изготовлению очков в Нидерландах и в Германии. Производители очков создали улучшенные типы линз для коррекции зрения, основанные больше на эмпирических знаниях, полученных из наблюдений за свойствами линз (вероятно, без знания элементарной оптической теории). Практическая разработка и экспериментирование с линзами привело к изобретению составного оптического микроскопа приблизительно в 1595, и преломляющего телескопа в 1608, оба из которых появились в фабриках по изготовлению очков в Нидерландах. 

С изобретением телескопа и микроскопа было много экспериментов с формами линз в 17-ом и начале 18-ого веках, пытались исправить хроматические ошибки, наблюдаемые в линзах. Оптики попытались сделать линзы различных форм искривления, неправильно предположив, что ошибки являлись результатом дефектов в сферической форме их поверхностей. Оптическая теория о преломлении и экспериментах показывала, что ни одна одноэлементная линза не могла собрать все цвета в один фокус. Это привело к изобретению составной ахроматической линзы Честером Муром Холлом в Англии в 1733 году, изобретение также подтверждено англичанином Джоном Доллондом в патенте 1758 года.

3. Тонкие линзы.

Линза — это тело, которое имеет прозрачное строение и две сферические поверхности. Она будет тонкой, если ее толщина меньше радиуса кривизны поверхностей сферического типа.

Типы линз и их характеристика

Также линзы являются основной составляющей, почти каждого оптического прибора.

По определению данные приборы можно разделить на:

• собирающие;

• рассеивающие.

Собирающая линза — это когда она в середине толще, чем края.

Рассеивающая линза — это если толщина по краям более, чем данный показатель по середине. [ 1 ]

Главная оптическая ось тонкой линзы – это отрезок прямой, который проходит через точки центра кривизны О₁ и О₂ сферических поверхностей.

Побочные оптические оси – это характерные прямые, которые проходят через оптический центр.

Если к любой линзе направить пучок лучей, которые располагаются параллельно относительно главной оптической оси, тогда после прохождения через линзу лучи сосредоточатся в одной точке F. Данная точка называется главным фокусом линзы.

Для тонкой линзы характерно два основных фокуса. Они расположены симметрично на главной оси оптики.

Для собирающей линзы характерен действительный фокус. В свою очередь, у рассеивающей, он имеет мнимый эффект.

Пучки всех лучей, которые являются параллельными одной из всей совокупности оптических осей, после того как проходят через линзу также направлены на точку F. Она расположена на пересечении побочной оси с фокальной плоскостью Ф.

Фокальная плоскость – это плоскость, которая перпендикулярна основной оптической оси и, которая проходит через главный фокус.

Размер расстояния между главным фокусом F и оптическим центром линзы О, именуется как фокусным и обозначается (F). [ 2 ]

Важнейшим свойством линз является характерная особенность передавать любые изображения предметов.

Данные изображения согласно характеристик могут быть:

• действительные;

• мнимые;

• прямые;

• перевернутые;

• увеличенные;

• уменьшенные.

Принцип построения изображения в линзах

Геометрические построения значительно оказывают помощь для определения положения изображения, а также его характерного размещения. Для таких лучей используют обычные стандартные свойства лучей. Их направление изначально определено. Данные лучи проходят через центр оптики или фокусов линзы. Они также располагаются параллельно главной или побочной оси оптики. [ 3 ], [ 4 ]/

Формула тонкой линзы:

где:
d — расстояние, которое исчисляется от самого предмета до линзы;
f — расстояние от линзы до непосредственного изображения.
Величина D – это показатель оптической силы линзы, которая равна обратному расстоянию фокуса.

Диоптрия (дптр) является единицей измерения для оптической силы, у которой фокусное расстояние имеет следующий показатель 1м: 1д п т р = м ^{− 1}.

Линейное увеличение линзы Г – это соотношение линейных показателей изображения h и непосредственно самого предмета h.

4. Жидкие линзы

Жидкая линза может менять своё фокусное расстояние, но для этого надо менять и кривизну поверхностей. Учитывая этот факт, дадим определение жидкой линзе.

Жидкая оптическая линза – прозрачное жидкое тело, ограниченное двумя криволинейными поверхностями, кривизну которых можно изменять.

Первые жидкие 2005 году создал французский физик из Лиона Бруно Берж. В линзах - капля воды "закрывается" между двумя каплями жидкости, которая в воде не растворяется - скажем, масло. Если пропустить через них электрический ток, форма линз меняется. Чем больше напряжение, тем более удлиненными становятся линзы. Поэтому, в зависимости от напряжения, которое подается на каплю воды, объектив с такой линзой меняет фокусное расстояние от нескольких миллиметров до любой длины. Камера, внутри которой жидкие линзы, в отличие от обычной, фокусироваться очень точно, легко и быстро на любом предмете, и делает это достаточно надежно и стабильно.

Сегодня такие линзы используются только в индустриальном производстве: в супермаркетах для считывания кодов и в камерах наружного наблюдения. Но изобретатели надеются, что вскоре они будут широко использоваться в офтальмологии и в фотокамерах. Жидкие линзы позволяют получить оптимальный фокус предмета, лишь нажав на кнопку. Линзы автоматически находят лучший ракурс для съемки.

Линзы, также могут выполнять роль стабилизатора изображения. Если камеру поставить на поверхность, которая движется, жидкие линзы уравновешивают механические толчки. Бруно Берж считает, что камеры с такими линзами будут получать преимущества  и, что эта технология может в будущем сделать лишним необходимость устанавливать камеру на штатив.

  Кроме того, жидкие линзы могут изменять траекторию лазерного луча. Обычно пучок регулируется зеркалами, которые механически приводятся в действие. Линзы способны все делать электронным путем. Бруно Берж был выдвинут на премию, которая ежегодно вручается Европейскому изобретателю Европейским патентным бюро. На вопрос как к Вам пришла идея использования жидких линз, Бруно ответил: «Я много экспериментировал с жидкостями, изменяя их форму с помощью электрического тока. Сначала, никакого положительного результата не было. И когда я начал работу с жидкими линзами, я не думал, что смогу слишком далеко продвинуться. Но результаты, на самом деле, превзошли мои ожидания. Собственно, это и стало движущей силой моих исследований. Самое важное для меня - тщательная подготовка эксперимента, на что уходит от трех до шести месяцев обычно. Но когда эксперимент удается, то момент просто сногсшибателен. Нажимаешь на кнопку - и все "включается", начинает работать».

5. Практическая часть.

Я рассмотрел следующие варианты получения жидких линз:

• капля на прозрачной поверхности;

• цилиндрическая линза

• граница раздела двух несмешивающихся жидкостей;

5. 1.Капля на прозрачной поверхности.

Наверное, каждому приходилось видеть капли на оконном стекле во время дождя. Смотря на неё, можно было рассмотреть перевёрнутое и во много раз уменьшенное изображение того, что за окошком.

Именно это явление мы и взяли в качестве первого варианта жидкой линзы. Я набрал в шприц обычной воды и нанес небольшую каплю на прозрачную пластинку. Капля является собирающей линзой. Например, с помощью неё можно увеличить текст. Вы можете видеть это на фото (приложение 5).

Что же касается видов линз, которые можно получить таким методом, то это в первую очередь собирающая линза.

Однако такая линза очень капризна и имеет массу ограничений и недостатков, например, ограничен радиус кривизны капли, капля должна располагаться в строго горизонтальном положении, форма зависит от свойств поверхности и т.д. В общем, сложно с ней работать.

5.2 Цилиндрическая линза.

Но существуют цилиндрические линзы, которые увеличивают, например, только по горизонтальному направлению. По вертикальному же направлению они никакого увеличения не дают. Изображение получается приплюснутым. Давайте сделаем такую линзу. Я взял обыкновенный (не граненый) чайный стакан и налил в него воду. Вертикальная цилиндрическая линза готова!  Чтобы посмотреть, как она работает, нужно взять кусок бумаги и черным фломастером провести на нем знак «плюс». Вертикальная и горизонтальная черточки должны быть одинаковой длины и пересекаться точно под прямым углом. Поместите картонку со знаком «плюс» за стаканом с водой на расстоянии примерно в два сантиметра. Вы увидите, что горизонтальная линия по толщине не изменилась, но стала длиннее вертикальной. А вертикальная линия не изменилась по длине, но зато стала значительно толще. Поверните картонку, чтобы линии поменялись местами: та линия, которая была горизонтальной, станет вертикальной, а другая — горизонтальной. И опять вы увидите ту же картину, как и в первый раз. Это произошло потому, что наша цилиндрическая линза увеличивает только в горизонтальном направлении (приложение 6 ). Конечно, стакан с водой далеко не идеальная цилиндрическая линза и в этом опыте нет четкого схождения лучей в одной точке, но представление об этом явлении получить можно.[7]

5.3 Граница раздела двух несмешивающихся жидкостей.

Разные прозрачные вещества преломляют по-разному световые лучи. Сделаем двухэтажную линзу. В ней будут два разных преломляющих вещества, и поэтому увеличивать они будут по-разному. На поверхность воды в стакане я налил слой растительного масла толщиной один сантиметр. Хорошо осветил стакан. Взял иголку и проткнул слой масла в центре стакана. Пройдя масло, иголка должна войти в воду примерно на один сантиметр. Сбоку видно одну сплошную иголку, но... состоящую из частей разной толщины: нижняя часть иголки (в воде) стала толще верхней (в воздухе), а средняя (в масле), - самой толстой. Но сдвиньте немного иголку влево или вправо к стенке стакана, и она неожиданно «распадется» на три части...

Продолжайте двигать иголку. Видно, что быстрее всех движется средняя часть, затем — нижняя и, наконец, медленнее всех — верхняя часть иголки, находящаяся в воздухе. Дело в том, что в воздухе преломления лучей, идущих от иголки, не происходит; в масле же и в воде, благодаря преломлению света в этих веществах, мы видим отдельные части иголки как бы не там, где они на самом деле находятся. В воде это смещение меньше, чем в масле, ведь преломляющее свойство воды меньше (приложение 7).[7]

6. Заключение.

Все мы знаем, что нельзя поливать растения в полдень, капелька воды (особенно на капусте, там она не растекается) фокусирует солнечные лучи, и в этом месте листок сгорит. Из капли воды получается жидкая линза. Жидкие линзы эквиваленты стеклянным линзам; качество изображение не ухудшается, а возможно улучшение при использовании качественных материалов; жидкие оптические системы дешевле и экономичнее при использовании в бытовой технике оптические системы, собранные из жидких линз, ничем не уступают системам из стеклянных линз.

В своей работе я рассмотрел варианты создания жидких линз и все способы их получения попробовала на практике. Были получены собирающие жидкие линзы.

Хочу отметить, что жидкие линзы уже используются. Благодаря своим преимуществам в последние годы расширяется область применения жидких линз: камеры мобильного телефона, вебкамеры, портативные микроскопы, медицинские эндоскопы. Наиболее интенсивно ведутся работы по созданию веб-камер. Так, камеры с жидкими линзами французской фирмы Variooptic являются первыми продуктами для массового использования. При этом жидкая линза наводит на резкость за менее чем 500 миллисекунд. До сих пор эти камеры применялись лишь в установках безопасности. На сегодняшний день ведутся лицензионные переговоры с изготовителями камер для мобильных телефонов.

7.Литература:

1. https://rep.bntu.by/bitstream/handle/data/37815/Upravlyaemye_zhidkie_linzy.pdf?sequence=1&isAllowed=y

2. https://hightech.fm/2022/02/10/fluid-lens-with-variable-focus

3. http://www.popmech.ru/technologies/6967-zhidkie-linzy-fotoapparat-na-vode/

4. http://www.pelena.ru/novosti/625-sozdan-novyjj-tip-zhidkojj-linzy.html

5. https://ru.wikipedia.org/wiki/%CB%E8%ED%E7%E0

6. http://class-fizika.spb.ru/index.php/opit/588-op-lins1

Приложение 1.

Собирающие:
1 — двояковыпуклая
2 — плоско-выпуклая
3 — вогнуто-выпуклая (положительный(выпуклый) мениск)
Рассеивающие:

4 — двояковогнутая
5 — плоско-вогнутая
6 — выпукло-вогнутая (отрицательный(вогнутый) мениск

Приложение 2.

Приложение 3 .

Приложение 4.

Приложение5.

Приложение 6.

П риложение 7.

14