แว่นขยาย

นิยามของแว่นขยาย

หมาป่า หรือแว่นขยายธรรมดา หรือแว่นขยายทั่วไป เลนส์นูน ซึ่งใช้ช่วยให้มองเห็นวัตถุที่ยากต่อการมองเห็นด้วยตาเปล่า เช่น ตัวอักษรขนาดเล็กมาก แว่นขยายเรียกว่าแว่นขยายแบบธรรมดาเพราะมีความสามารถในการขยายภาพของวัตถุอย่างจำกัด ในบทเรียนถัดไป คุณจะได้เรียนรู้เกี่ยวกับแว่นขยายที่ไม่ใช่แบบธรรมดา เช่น... ไมโครสโคป, กล้องโทรทัศน์ภาคพื้นดิน แดน กล้องโทรทรรศน์.

วิธีการทำงานของแว่นขยาย

เมื่อมองจากระยะใกล้ วัตถุจะดูใหญ่ แต่เมื่อมองจากระยะไกลมาก วัตถุจะดูเล็ก วัตถุที่อยู่ใกล้จะดูใหญ่เพราะขนาดของภาพที่เกิดขึ้นบนเรตินามีขนาดใหญ่ ในทางกลับกัน วัตถุเดียวกันเมื่อมองจากระยะไกลมากจะดูเล็กเพราะขนาดของภาพที่เกิดขึ้นบนเรตินามีขนาดเล็ก ดังนั้น ขนาดของวัตถุที่ตาเห็นจึงขึ้นอยู่กับขนาดของภาพที่เกิดขึ้นบนเรตินา ขนาดของภาพที่เกิดขึ้นบนเรตินาขึ้นอยู่กับมุมที่เกิดขึ้นระหว่างตาและวัตถุ ดังแสดงในภาพด้านล่าง

วัตถุที่อยู่ไกลจากดวงตาจะดูเล็กลงเนื่องจากมีมุม (θ) ที่เล็กกว่า (ภาพที่ 1.1) ในทางกลับกัน วัตถุที่อยู่ใกล้ดวงตาจะดูใหญ่ขึ้นเนื่องจากมีมุม (θ) ที่ใหญ่กว่า (ภาพที่ 1.2) จึงสรุปได้ว่า ขนาดของวัตถุที่ดวงตามองเห็นสามารถขยายหรือหดลงได้โดยการเพิ่มหรือลดมุม (θ) มุมจะขยายใหญ่ขึ้นเมื่อดวงตาเข้าใกล้กับวัตถุมากขึ้น ในทางกลับกัน มุมจะหดลงเมื่อดวงตาออกห่างจากวัตถุ

การอภิปรายข้างต้นสามารถนำไปใช้กับประเด็นอื่นๆ ได้เช่นกัน หากคุณพบตัวหนังสือที่เล็กมากจนอ่านยาก คุณจะทำอย่างไรเพื่อให้สามารถอ่านได้ง่ายขึ้น? จากการอภิปรายข้างต้น คุณอาจนำตัวหนังสือเข้ามาใกล้ตามากขึ้นเพื่อเพิ่มมุมระหว่างตัวหนังสือกับดวงตา ทำให้ตัวหนังสือใหญ่ขึ้นและอ่านง่ายขึ้น สิ่งสำคัญคือต้องตระหนักว่า จุดใกล้สุดของสายตาปกติ หรือระยะห่างที่ใกล้ที่สุดที่ดวงตาปกติสามารถโฟกัสได้คือ 25 เซนติเมตร ดังนั้นหากระยะห่างระหว่างตัวหนังสือกับดวงตาน้อยกว่า 25 เซนติเมตร ตัวหนังสือจะดูเบลอ ตัวหนังสือที่อ่านได้จากระยะ 25 เซนติเมตรจะดูเบลอเมื่อนำเข้ามาใกล้จนกระทั่งระยะห่างระหว่างตัวหนังสือกับดวงตาน้อยกว่า 25 เซนติเมตร แล้วจะยิ่งเบลอมากขึ้นไปอีกหากเป็นตัวหนังสือที่อ่านไม่ได้จากระยะ 25 เซนติเมตร? แล้วจะทำอย่างไรให้ตัวหนังสือที่มีขนาดตัวอักษรเล็กมากอ่านได้ชัดเจน? แน่นอน คุณต้องใช้เครื่องมือทางแสงที่สามารถขยายขนาดตัวหนังสือได้

เครื่องมือทางแสง เช่น กระจกแบน, กระจกเว้า แดน กระจกนูน กระจกไม่สามารถใช้ในการอ่านตัวหนังสือได้ เพราะกระจกทึบแสง ในทางกลับกัน เลนส์โปร่งใส จึงสามารถใช้ในการอ่านตัวหนังสือได้ ในบทเรียนนี้ ภาพเลนส์เว้ามีการอธิบายว่าเลนส์เว้าสามารถลดขนาดของภาพวัตถุได้เท่านั้น ในทางตรงกันข้าม ในหัวข้อนี้ ภาพเลนส์นูน มีการอธิบายว่าเลนส์นูนสามารถขยายภาพของวัตถุได้ เนื่องจากสามารถขยายภาพได้ เลนส์นูน สามารถออกแบบให้เป็นแว่นขยายได้
 
สังเกตภาพสองภาพต่อไปนี้ ในภาพที่ 1.3 วัตถุถูกมองโดยตรงด้วยตาเปล่า ซึ่งวัตถุจะดูเล็กเพราะมุมระหว่างตาและปลายทั้งสองข้างของวัตถุมีขนาดเล็ก ในภาพที่ 1.4 ตาจะมองวัตถุผ่านแว่นขยาย แว่นขยายทำหน้าที่สร้างภาพและขยายภาพนั้น ดังนั้นสิ่งที่ตาเห็นคือภาพ ภาพของวัตถุที่มองผ่านแว่นขยายจะดูใหญ่ขึ้นเพราะมุมที่เกิดขึ้นระหว่างตาและปลายทั้งสองข้างของภาพมีขนาดใหญ่ขึ้น

เพื่อให้ตาของผู้สังเกตมองเห็นภาพผ่านแว่นขยาย ภาพนั้นจะต้องเป็นภาพเสมือน (ภาพอยู่ด้านหน้าแว่นขยาย หรือภาพอยู่ด้านเดียวกับวัตถุ ดังแสดงในรูปที่ 1.4) ในหัวข้อนี้ ภาพเลนส์นูน มีการอธิบายว่าเพื่อให้ภาพเป็นภาพเสมือน ระยะห่างของวัตถุ (s) ต้องน้อยกว่าหรือเท่ากับความยาวโฟกัส (f)

คำบรรยายภาพ :
s = ระยะห่างของวัตถุ
s' = ระยะห่างของภาพ
h = ความสูงของวัตถุ
h' = ความสูงของเงา
F = จุดโฟกัสของแว่นขยาย
θ = มุมระหว่างเลนส์กับปลายทั้งสองข้างของวัตถุ ในรูปที่ 1.3 เลนส์ที่กล่าวถึงคือเลนส์ใกล้ตา ในขณะที่ในรูปที่ 1.4 เลนส์ที่กล่าวถึงคือเลนส์นูนที่ใช้เป็นแว่นขยาย

ในภาพที่ 1.3 (มุมมองด้านข้าง) วัตถุอยู่ทางด้านซ้าย ในขณะที่ตาของผู้สังเกตอยู่ทางด้านขวา ในภาพที่ 1.4 (มุมมองด้านข้าง) วัตถุและภาพที่เกิดจากเลนส์นูนอยู่ทางด้านซ้าย ในขณะที่ตาของผู้สังเกตอยู่ทางด้านขวา

วิธีใช้แว่นขยาย
 
เมื่อระยะห่างของวัตถุ (s) เท่ากับความยาวโฟกัส (f) ภาพจะเป็นภาพเสมือน และระยะห่างของภาพ (s') จะเป็นอนันต์ อนันต์คือระยะห่างของภาพเสมือนสูงสุดเนื่องจาก จุดไกล ระยะห่างของดวงตาปกติคืออนันต์ ในทางกลับกัน ระยะห่างภาพเสมือนขั้นต่ำคือ 25 เซนติเมตร เนื่องจาก จุดใกล้ ขนาดตาปกติ 25 เซนติเมตร

เมื่อดวงตามองภาพเสมือนที่ระยะอนันต์ (จุดไกลสุด) ดวงตาจะอยู่ในสภาวะปรับโฟกัสน้อยที่สุด หรือกล้ามเนื้อซิลิอารีจะอยู่ในสภาวะผ่อนคลายมากที่สุด เพื่อให้เป็นเช่นนั้น ระยะห่างระหว่างวัตถุกับแว่นขยายต้องเท่ากับความยาวโฟกัสของแว่นขยาย ถ้าความยาวโฟกัสของแว่นขยายคือ 25 เซนติเมตร ดังนั้นระยะห่างระหว่างวัตถุกับแว่นขยายก็คือ 25 เซนติเมตร

ในทางกลับกัน เมื่อดวงตาเห็นภาพเสมือนที่ระยะ 25 เซนติเมตร (จุดใกล้สุด) ดวงตาจะปรับโฟกัสให้มากที่สุด หรือ กล้ามเนื้อซิลิอารีของดวงตา ในสภาวะที่ตึงเครียดที่สุด หากระยะโฟกัสของแว่นขยายคือ 25 ซม. ดวงตาจะมองเห็นภาพเสมือนที่ระยะ 25 ซม. เมื่อระยะห่างของวัตถุเท่ากับผลการคำนวณด้านล่าง
สูตรเลนส์โค้งและกระจก:
1/s = 1/f – 1/s'
คำอธิบาย: s = ระยะห่างของวัตถุ, f = ความยาวโฟกัส, s' = ระยะห่างของภาพ = จุดใกล้สุด = 25 ซม.
แว่นขยายเป็นเลนส์นูน ดังนั้นระยะโฟกัสจึงเป็นค่าบวก ภาพที่ได้เป็นภาพเสมือน ดังนั้น s' จึงเป็นค่าลบ
1/s = 1/f – (-1/s') = 1/f + 1/s'
1/s = 1/25 + 1/25 = 2/25
s = 25/2 = 12,5 ซม.
ถ้าระยะโฟกัสของแว่นขยายคือ 25 เซนติเมตร ตาจะมองเห็นภาพเสมือนที่ระยะ 25 เซนติเมตร เมื่อระยะห่างของวัตถุคือ 12,5 เซนติเมตร ระยะห่างระหว่างวัตถุกับแว่นขยายไม่ควรน้อยกว่า 12,5 เซนติเมตร เพราะภาพที่เกิดจากแว่นขยายนั้นตาเปล่าจะมองเห็นได้ไม่ชัดเจน

ถ้าความยาวโฟกัสของแว่นขยายคือ 50 ซม. ล่ะ? ถ้าความยาวโฟกัสของแว่นขยายคือ 50 ซม. ดวงตาจะมองเห็นภาพเสมือนที่ระยะ 25 ซม. เมื่อระยะห่างของวัตถุเท่ากับผลการคำนวณด้านล่าง
1/s = 1/f – (-1/s') = 1/f + 1/s'
1/s = 1/50 + 1/25 = 1/50 + 2/50 = 3/50
s = 50/3 = 16,67 ซม.
ถ้าระยะโฟกัสของแว่นขยายคือ 50 เซนติเมตร ตาจะมองเห็นภาพเสมือนที่ระยะ 25 เซนติเมตร เมื่อระยะห่างของวัตถุคือ 16,7 เซนติเมตร ระยะห่างระหว่างวัตถุกับแว่นขยายไม่ควรน้อยกว่า 16,7 เซนติเมตร เพราะภาพที่เกิดจากแว่นขยายนั้นตาเปล่าจะมองเห็นได้ไม่ชัดเจน

กำลังขยายของแว่นขยาย มุมขยาย

ภาพของวัตถุที่มองเห็นผ่านแว่นขยายจะมีขนาดใหญ่ขึ้นเมื่อมองด้วยตาที่มีการปรับโฟกัสต่ำสุดหรือตาที่มีการปรับโฟกัสสูงสุด? เลนส์นูนที่มีความยาวโฟกัสมากหรือเลนส์นูนที่มีความยาวโฟกัสน้อย แบบไหนดีกว่ากันที่จะใช้เป็นแว่นขยาย? คำถามเหล่านี้สามารถหาคำตอบได้หลังจากที่คุณศึกษาแล้ว สูตรแว่นขยาย.