کانونی شدن (فوکوس): همگرایی پرتوهای نور در یک نقطه
نور، مسیر مستقیم و انحراف: مقدمهای بر شکست
نور در یک محیط یکنواخت (مثل هوا یا خلاء) به خط راست حرکت میکند. اما وقتی از یک محیط شفاف به محیط شفاف دیگری با چگالی متفاوت وارد میشود، مسیر آن تغییر میکند. این پدیده را شکست نور3 مینامند. دلیل این اتفاق، تغییر سرعت نور در محیطهای مختلف است. برای مثال، نور در آب کندتر از هوا حرکت میکند. همین تغییر سرعت است که باعث میشود مداد داخل لیوان آب، شکسته به نظر برسد.
عدسیها، با استفاده هوشمندانه از همین قانون شکست، پرتوهای نور را هدایت میکنند. آنها معمولاً از شیشه یا پلاستیک شفاف ساخته شدهاند و سطح منحنی دارند.
عدسی همگرا در مقابل عدسی واگرا: دو نقش متضاد
عدسیها را بر اساس تأثیری که بر پرتوهای نور میگذارند، به دو دستهٔ اصلی تقسیم میکنند:
| نوع عدسی | شکل (نمای کناری) | تأثیر بر پرتوهای موازی نور | کاربردهای نمونه |
|---|---|---|---|
| عدسی همگرا (محدب)4 | ضخیم در وسط، نازک در لبه | پرتوها را به هم نزدیک کرده و در یک نقطه کانونی میکند. | ذرهبین، دوربین عکاسی، عینک دوربیننما (هیپروپیا5)، پروژکتور |
| عدسی واگرا (مقعر)6 | نازک در وسط، ضخیم در لبه | پرتوها را از هم دور کرده و پراکنده میکند (کانون مجازی ایجاد میکند). | عینک نزدیکبین (میوپیا7)، برخی از تلسکوپها |
مقالهٔ ما بر روی عدسی همگرا و پدیدهٔ کانونی شدن متمرکز است. در یک عدسی همگرای ایدهآل، تمام پرتوهای نور موازی که به آن برخورد میکنند، پس از شکست، دقیقاً از یک نقطه در طرف دیگر عدسی میگذرند. این نقطه، کانون اصلی عدسی نام دارد.
فاصلهٔ کانونی: معیار قدرت کانونیسازی
فاصلهٔ کانونی8 مهمترین مشخصهٔ یک عدسی همگرا است. این فاصله، فاصلهٔ مرکز نوری عدسی تا کانون اصلی آن است و با نماد $f$ نشان داده میشود. هر چه انحنای عدسی بیشتر باشد (عدسی ضخیمتر و برآمدهتر باشد)، نور را بیشتر خم میکند و در نتیجه فاصلهٔ کانونی کمتر میشود. یک عدسی با فاصلهٔ کانونی کوتاه، قدرت کانونیسازی و بزرگنمایی بیشتری دارد. واحد فاصلهٔ کانونی معمولاً سانتیمتر (cm) یا میلیمتر (mm) است.
مثال عملی: یک ذرهبین با فاصلهٔ کانونی 5 cm، قدرت جمعآوری نور و ایجاد نقطهٔ داغ (برای سوزاندن کاغذ) بسیار بیشتری نسبت به ذرهبینی با فاصلهٔ کانونی 20 cm دارد، زیرا نور را در فاصلهٔ نزدیکتری متمرکز میکند.
از نظریه تا عمل: کانونی شدن در ابزارهای روزمره
نتیجهٔ مستقیم کانونی شدن پرتوهای نور، تشکیل تصویر است. بسته به موقعیت جسم نسبت به عدسی، تصویری حقیقی (که روی پرده تشکیل میشود) یا مجازی (که فقط دیده میشود) ایجاد میشود.
- دوربین عکاسی: عدسی همگرای دوربین، نور بازتابیده از صحنه را روی حسگر دوربین (یا فیلم) کانونی میکند تا یک تصویر معکوس و حقیقی تشکیل دهد. با تغییر فاصلهٔ عدسی از حسگر (تنظیم فوکوس)، اجسام در فواصل مختلف واضح دیده میشوند.
- چشم انسان: قرنیه و عدسی چشم، هر دو نقش یک عدسی همگرا را ایفا میکنند. آنها نور ورودی را روی شبکیه (پردهای حساس در پشت چشم) متمرکز میکنند. ماهیچههای چشم، انحنای عدسی را تغییر میدهند تا تصویر اجسام دور و نزدیک همیشه روی شبکیه فوکوس باشد. این توانایی را تطابق9 مینامند.
- پروژکتور و نورافکن: در این ابزارها، یک منبع نور قوی (مثل لامپ) در نزدیکی کانون یک آینهٔ مقعر یا عدسی همگرا قرار میگیرد. پرتوهای نور پس از بازتاب یا شکست، به صورت دستهای تقریباً موازی خارج میشوند تا منطقهٔ وسیعی را روشن کنند. در واقع، اینجا فرآیند کانونی شدن به صورت معکوس استفاده میشود!
- تلسکوپ شکستی: از دو عدسی همگرا استفاده میکند. عدسی اول (شیئی) نور ضعیف ستارگان دور را جمعآوری و در یک نقطه کانونی میکند. عدسی دوم (چشمی) این تصویر کانونیشده را بزرگنمایی میکند تا برای چشم قابل مشاهده باشد.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاسخ: خیر. آینههای مقعر (کاو) نیز میتوانند پرتوهای نور موازی را در یک نقطهٔ واقعی کانونی کنند. اصل کار مشابه است، اما مکانیزم آن بازتاب نور است، نه شکست. کورههای خورشیدی از آینههای مقعر بزرگ برای متمرکز کردن پرتوهای خورشید و تولید گرما استفاده میکنند.
پاسخ: برای این کار، سه شرط اصلی باید فراهم باشد: 1) نور خورشید باید مستقیماً و به اندازهٔ کافی قوی باشد. 2) فاصلهٔ ذرهبین از کاغذ باید دقیقاً برابر فاصلهٔ کانونی آن باشد (تا کوچکترین و متمرکزترین نقطه تشکیل شود). 3) ذرهبین باید کاملاً تمیز و شفاف باشد.
پاسخ: این موضوع کاملاً به فاصلهٔ جسم از عدسی بستگی دارد. اگر جسم دورتر از کانون باشد ($p > f$)، تصویر حقیقی و وارونه تشکیل میشود (مانند دوربین). اگر جسم بین عدسی و کانون قرار گیرد ($p )، تصویر مجازی، بزرگتر و مستقیم خواهد بود (مانند زمانی که از ذرهبین برای دیدن جزییات ریز استفاده میکنیم).
پاورقی
1. کانونی شدن (Focus) |2. کانون (Focal Point) |3. شکست نور (Refraction) |4. عدسی همگرا/محدب (Converging/Convex Lens) |5. هیپروپیا (Hyperopia) یا دوربینی |6. عدسی واگرا/مقعر (Diverging/Concave Lens) |7. میوپیا (Myopia) یا نزدیکبینی |8. فاصلهٔ کانونی (Focal Length) |9. تطابق (Accommodation)
