Chapter-09 Ray Optics and Optical Instruments
9.1 INTRODUCTION
Nature has endowed the human eye (retina) with the sensitivity to detect electromagnetic waves within a small range of the electromagnetic spectrum. Electromagnetic radiation belonging to this region of the spectrum (wavelength of about $400 \mathrm{~nm}$ to $750 \mathrm{~nm}$ ) is called light. It is mainly through light and the sense of vision that we know and interpret the world around us.
There are two things that we can intuitively mention about light from common experience. First, that it travels with enormous speed and second, that it travels in a straight line. It took some time for people to realise that the speed of light is finite and measurable. Its presently accepted value in vacuum is $c=2.99792458 \times 10^{8} \mathrm{~m} \mathrm{~s}^{-1}$. For many purposes, it suffices to take $c=3 \times 10^{8} \mathrm{~m} \mathrm{~s}^{-1}$. The speed of light in vacuum is the highest speed attainable in nature.
The intuitive notion that light travels in a straight line seems to contradict what we have learnt in Chapter 8, that light is an electromagnetic wave of wavelength belonging to the visible part of the spectrum. How to reconcile the two facts? The answer is that the wavelength of light is very small compared to the size of ordinary objects that we encounter commonly (generally of the order of a few $\mathrm{cm}$ or larger). In this situation, as you will learn in Chapter 10, a light wave can be considered to travel from one point to another, along a straight line joining them. The path is called a ray of light, and a bundle of such rays constitutes a beam of light.
In this chapter, we consider the phenomena of reflection, refraction and dispersion of light, using the ray picture of light. Using the basic laws of reflection and refraction, we shall study the image formation by plane and spherical reflecting and refracting surfaces. We then go on to describe the construction and working of some important optical instruments, including the human eye.
9.2 Reflection of Light by Spherical Mirrors
FIGURE 9.1 The incident ray, reflected ray and the normal to the reflecting surface lie in the same plane.
We are familiar with the laws of reflection. The angle of reflection (i.e., the angle between reflected ray and the normal to the reflecting surface or the mirror) equals the angle of incidence (angle between incident ray and the normal). Also that the incident ray, reflected ray and the normal to the reflecting surface at the point of incidence lie in the same plane (Fig. 9.1). These laws are valid at each point on any reflecting surface whether plane or curved. However, we shall restrict our discussion to the special case of curved surfaces, that is, spherical surfaces. The normal in this case is to be taken as normal to the tangent to surface at the point of incidence. That is, the normal is along the radius, the line joining the centre of curvature of the mirror to the point of incidence.
We have already studied that the geometric centre of a spherical mirror is called its pole while that of a spherical lens is called its optical centre. The line joining the pole and the centre of curvature of the spherical mirror is known as the principal axis. In the case of spherical lenses, the principal axis is the line joining the optical centre with its principal focus as you will see later.
9.2.1 Sign convention
FIGURE 9.2 The Cartesian Sign Convention.
To derive the relevant formulae for reflection by spherical mirrors and refraction by spherical lenses, we must first adopt a sign convention for measuring distances. In this book, we shall follow the Cartesian sign convention. According to this convention, all distances are measured from the pole of the mirror or the optical centre of the lens. The distances measured in the same direction as the incident light are taken as positive and those measured in the direction opposite to the direction of incident light are taken as negative (Fig. 9.2). The heights measured upwards with respect to x-axis and normal to the principal axis ( $x$-axis) of the mirror/lens are taken as positive (Fig. 9.2). The heights measured downwards are taken as negative.
With a common accepted convention, it turns out that a single formula for spherical mirrors and a single formula for spherical lenses can handle all different cases.
9.2.2 Focal length of spherical mirrors
Figure 9.3 shows what happens when a parallel beam of light is incident on (a) a concave mirror, and (b) a convex mirror. We assume that the rays are paraxial, i.e., they are incident at points close to the pole $\mathrm{P}$ of the mirror and make small angles with the principal axis. The reflected rays converge at a point $\mathrm{F}$ on the principal axis of a concave mirror [Fig. 9.3(a)]. For a convex mirror, the reflected rays appear to diverge from a point $\mathrm{F}$ on its principal axis [Fig. 9.3(b)]. The point $\mathrm{F}$ is called the principal focus of the mirror. If the parallel paraxial beam of light were incident, making some angle with the principal axis, the reflected rays would converge (or appear to diverge) from a point in a plane through $\mathrm{F}$ normal to the principal axis. This is called the focal plane of the mirror [Fig. 9.3(c)].
FIGURE 9.3 Focus of a concave and convex mirror.
The distance between the focus $\mathrm{F}$ and the pole $\mathrm{P}$ of the mirror is called the focal length of the mirror, denoted by $f$. We now show that $f=R / 2$, where $R$ is the radius of curvature of the mirror. The geometry of reflection of an incident ray is shown in Fig. 9.4.
FIGURE 9.4 Geometry of reflection of an incident ray on (a) concave spherical mirror, and (b) convex spherical mirror.
Let $\mathrm{C}$ be the centre of curvature of the mirror. Consider a ray parallel to the principal axis striking the mirror at $\mathrm{M}$. Then $\mathrm{CM}$ will be perpendicular to the mirror at M. Let $\theta$ be the angle of incidence, and MD be the perpendicular from $\mathrm{M}$ on the principal axis. Then,
$$ \angle \mathrm{MCP}=\theta \text { and } \angle \mathrm{MFP}=2 \theta $$
Now,
$$ \begin{equation*} \tan \theta=\frac{\mathrm{MD}}{\mathrm{CD}} \text { and } \tan 2 \theta=\frac{\mathrm{MD}}{\mathrm{FD}} \tag{9.1} \end{equation*} $$
For small $\theta$, which is true for paraxial rays, $\tan \theta \approx \theta$, $\tan 2 \theta \approx 2 \theta$. Therefore, Eq. (9.1) gives
$$ \begin{equation*} \frac{\mathrm{MD}}{\mathrm{FD}}=2 \frac{\mathrm{MD}}{\mathrm{CD}} \tag{9.2} \end{equation*} $$
or,
$$\mathrm{FD}=\frac{\mathrm{CD}}{2} {(9.3)} $$
Now, for small $\theta$, the point $D$ is very close to the point $P$. Therefore, $\mathrm{FD}=f$ and $\mathrm{CD}=R$. Equation (9.2) then gives $f=R / 2$
9.2.3 The mirror equation
FIGURE 9.5 Ray diagram for image formation by a concave mirror.
If rays emanating from a point actually meet at another point after reflection and/or refraction, that point is called the image of the first point. The image is real if the rays actually converge to the point; it is virtual if the rays do not actually meet but appear to diverge from the point when produced backwards. An image is thus a point-to-point correspondence with the object established through reflection and/or refraction.
In principle, we can take any two rays emanating from a point on an object, trace their paths, find their point of intersection and thus, obtain the image of the point due to reflection at a spherical mirror. In practice, however, it is convenient to choose any two of the following rays:
(i) The ray from the point which is parallel to the principal axis. The reflected ray goes through the focus of the mirror.
(ii) The ray passing through the centre of curvature of a concave mirror or appearing to pass through it for a convex mirror. The reflected ray simply retraces the path.
(iii) The ray passing through (or directed towards) the focus of the concave mirror or appearing to pass through (or directed towards) the focus of a convex mirror. The reflected ray is parallel to the principal axis.
(iv) The ray incident at any angle at the pole. The reflected ray follows laws of reflection.
Figure 9.5 shows the ray diagram considering three rays. It shows the image $\mathrm{A}^{\prime} \mathrm{B}^{\prime}$ (in this case, real) of an object $\mathrm{AB}$ formed by a concave mirror. It does not mean that only three rays emanate from the point A. An infinite number of rays emanate from any source, in all directions. Thus, point $\mathrm{A}^{\prime}$ is image point of $\mathrm{A}$ if every ray originating at point $\mathrm{A}$ and falling on the concave mirror after reflection passes through the point $\mathrm{A}^{\prime}$.
We now derive the mirror equation or the relation between the object distance $(u)$, image distance $(v)$ and the focal length $(f)$.
From Fig. 9.5, the two right-angled triangles $\mathrm{A}^{\prime} \mathrm{B}^{\prime} \mathrm{F}$ and MPF are similar. (For paraxial rays, MP can be considered to be a straight line perpendicular to CP.) Therefore,
$$ \frac{\mathrm{B}^{\prime} \mathrm{A}^{\prime}}{\mathrm{PM}}=\frac{\mathrm{B}^{\prime} \mathrm{F}}{\mathrm{FP}} $$
$$ \text {or }\frac{\mathrm{B}^{\prime} \mathrm{A}^{\prime}}{\mathrm{BA}}=\frac{\mathrm{B}^{\prime} \mathrm{F}}{\mathrm{FP}}(\mathrm{QPM}=\mathrm{AB})$$
Since $\angle \mathrm{APB}=\angle \mathrm{A}^{\prime} \mathrm{PB}^{\prime}$, the right angled triangles $\mathrm{A}^{\prime} \mathrm{B}^{\prime} \mathrm{P}$ and $\mathrm{ABP}$ are also similar. Therefore,
$$ \begin{equation*} \frac{\mathrm{B}^{\prime} \mathrm{A}^{\prime}}{\mathrm{B} \mathrm{A}}=\frac{\mathrm{B}^{\prime} \mathrm{P}}{\mathrm{BP}} \tag{9.5} \end{equation*} $$
Comparing Eqs. (9.4) and (9.5), we get
$$ \begin{equation*} \frac{B^{\prime} F}{F P}=\frac{B^{\prime} P-F P}{F P}=\frac{B^{\prime} P}{B P} \tag{9.6} \end{equation*} $$
Equation (9.6) is a relation involving magnitude of distances. We now apply the sign convention. We note that light travels from the object to the mirror MPN. Hence this is taken as the positive direction. To reach the object $A B$, image $\mathrm{A}^{\prime} \mathrm{B}^{\prime}$ as well as the focus $\mathrm{F}$ from the pole $\mathrm{P}$, we have to travel opposite to the direction of incident light. Hence, all the three will have negative signs. Thus,
$$ \mathrm{B}^{\prime} \mathrm{P}=-v, \mathrm{FP}=-f, \mathrm{BP}=-u $$
Using these in Eq. (9.6), we get
$$ \frac{-v+f}{-f}=\frac{-v}{-u} $$
or
$$\frac{v-f}{f}=\frac{v}{u}$$
$$ \frac{v}{f}=1+\frac{v}{u} $$
Dividing it by $v$, we get
$$ \begin{equation*} \frac{1}{v}+\frac{1}{u}=\frac{1}{f} \tag{9.7} \end{equation*} $$
This relation is known as the mirror equation.
The size of the image relative to the size of the object is another important quantity to consider. We define linear magnification $(m)$ as the ratio of the height of the image $\left(h^{\prime}\right)$ to the height of the object $(h)$ :
$$ \begin{equation*} m=\frac{h^{\prime}}{h} \tag{9.8} \end{equation*} $$
$h$ and $h^{\prime}$ will be taken positive or negative in accordance with the accepted sign convention. In triangles $\mathrm{A}^{\prime} \mathrm{B}^{\prime} \mathrm{P}$ and $\mathrm{ABP}$, we have,
$$ \frac{\mathrm{B}^{\prime} \mathrm{A}^{\prime}}{\mathrm{BA}}=\frac{\mathrm{B}^{\prime} \mathrm{P}}{\mathrm{BP}} $$
With the sign convention, this becomes
$$ \frac{-h^{\prime}}{h}=\frac{-v}{-u} $$
so that
$$ \begin{equation*} m=\frac{h^{\prime}}{h}=-\frac{v}{u} \tag{9.9} \end{equation*} $$
We have derived here the mirror equation, Eq. (9.7), and the magnification formula, Eq. (9.9), for the case of real, inverted image formed by a concave mirror. With the proper use of sign convention, these are, in fact, valid for all the cases of reflection by a spherical mirror (concave or convex) whether the image formed is real or virtual. Figure 9.6 shows the ray diagrams for virtual image formed by a concave and convex mirror. You should verify that Eqs. (9.7) and (9.9) are valid for these cases as well.
FIGURE 9.6 Image formation by (a) a concave mirror with object between $\mathrm{P}$ and $\mathrm{F}$, and (b) a convex mirror.
Example 9.1 Suppose that the lower half of the concave mirror’s reflecting surface in Fig. 9.6 is covered with an opaque (non-reflective) material. What effect will this have on the image of an object placed in front of the mirror?
Solution You may think that the image will now show only half of the object, but taking the laws of reflection to be true for all points of the remaining part of the mirror, the image will be that of the whole object. However, as the area of the reflecting surface has been reduced, the intensity of the image will be low (in this case, half).
Example 9.2 A mobile phone lies along the principal axis of a concave mirror, as shown in Fig. 9.7. Show by suitable diagram, the formation of its image. Explain why the magnification is not uniform. Will the distortion of image depend on the location of the phone with respect to the mirror?
FIGURE 9.7
Solution The ray diagram for the formation of the image of the phone is shown in Fig. 9.7. The image of the part which is on the plane perpendicular to principal axis will be on the same plane. It will be of the same size, i.e., $B^{\prime} C=B C$. You can yourself realise why the image is distorted.
Example 9.3 An object is placed at (i) $10 \mathrm{~cm}$, (ii) $5 \mathrm{~cm}$ in front of a concave mirror of radius of curvature $15 \mathrm{~cm}$. Find the position, nature, and magnification of the image in each case.
Solution
The focal length $f=-15 / 2 \mathrm{~cm}=-7.5 \mathrm{~cm}$
(i) The object distance $u=-10 \mathrm{~cm}$. Then Eq. (9.7) gives
$$ \frac{1}{v}+\frac{1}{-10}=\frac{1}{-7.5} $$
or
$$ v=\frac{10 \times 7.5}{-2.5}=-30 \mathrm{~cm} $$
The image is $30 \mathrm{~cm}$ from the mirror on the same side as the object.Also, magnification
$$m=-\frac{v}{u}=-\frac{(-30)}{(-10)}=-3$$
The image is magnified, real and inverted.
(ii) The object distance $u=-5 \mathrm{~cm}$. Then from Eq. (9.7),
$$ \begin{aligned} & \frac{1}{v}+\frac{1}{-5}=\frac{1}{-7.5} \\ & \text { or } v=\frac{5 \times 7.5}{(7.5-5)}=15 \mathrm{~cm} \end{aligned} $$
This image is formed at $15 \mathrm{~cm}$ behind the mirror. It is a virtual image.
$$ \text { Magnification } m=-\frac{v}{u}=-\frac{15}{(-5)}=3 $$
The image is magnified, virtual and erect.
Example 9.4 Suppose while sitting in a parked car, you notice a jogger approaching towards you in the side view mirror of $R=2 \mathrm{~m}$. If the jogger is running at a speed of $5 \mathrm{~m} \mathrm{~s}^{-1}$, how fast the image of the jogger appear to move when the jogger is (a) $39 \mathrm{~m}$, (b) $29 \mathrm{~m}$, (c) $19 \mathrm{~m}$, and (d) 9 m away.
Solution From the mirror equation, Eq. (9.7), we get $v=\frac{f u}{u-f}$ For convex mirror, since $R=2 \mathrm{~m}, f=1 \mathrm{~m}$. Then for $u=-39 \mathrm{~m}, v=\frac{(-39) \times 1}{-39-1}=\frac{39}{40} \mathrm{~m}$
Since the jogger moves at a constant speed of $5 \mathrm{~m} \mathrm{~s}^{-1}$, after $1 \mathrm{~s}$ the position of the image $v$ (for $u=-39+5=-34$ ) is $(34 / 35) \mathrm{m}$. The shift in the position of image in $1 \mathrm{~s}$ is
$$ \frac{39}{40}-\frac{34}{35}=\frac{1365-1360}{1400}=\frac{5}{1400}=\frac{1}{280} \mathrm{~m} $$
Therefore, the average speed of the image when the jogger is between $39 \mathrm{~m}$ and $34 \mathrm{~m}$ from the mirror, is $(1 / 280) \mathrm{m} \mathrm{s}^{-1}$
Similarly, it can be seen that for $u=-29 \mathrm{~m},-19 \mathrm{~m}$ and $-9 \mathrm{~m}$, the speed with which the image appears to move is
$$ \frac{1}{150} \mathrm{~m} \mathrm{~s}^{-1}, \frac{1}{60} \mathrm{~m} \mathrm{~s}^{-1} \text { and } \frac{1}{10} \mathrm{~m} \mathrm{~s}^{-1} \text {, respectively. } $$
Although the jogger has been moving with a constant speed, the speed of his/her image appears to increase substantially as he/she moves closer to the mirror. This phenomenon can be noticed by any person sitting in a stationary car or a bus. In case of moving vehicles, a similar phenomenon could be observed if the vehicle in the rear is moving closer with a constant speed.
9.3 Refraction
When a beam of light encounters another transparent medium, a part of light gets reflected back into the first medium while the rest enters the other. A ray of light represents a beam. The direction of propagation of an obliquely incident $\left(0^{\circ}<i<90^{\circ}\right)$ ray of light that enters the other medium, changes at the interface of the two media. This phenomenon is called refraction of light. Snell experimentally obtained the following laws of refraction:
FIGURE 9.8 Refraction and reflection of light.
(i) The incident ray, the refracted ray and the normal to the interface at the point of incidence, all lie in the same plane.
(ii) The ratio of the sine of the angle of incidence to the sine of angle of refraction is constant. Remember that the angles of incidence $(i)$ and refraction $(r)$ are the angles that the incident and its refracted ray make with the normal, respectively. We have
$$ \begin{equation*} \frac{\sin i}{\sin r}=n_{21} \tag{9.10} \end{equation*} $$
where $n_{21}$ is a constant, called the refractive index of the second medium with respect to the first medium. Equation (9.10) is the well-known Snell’s law of refraction. We note that $n_{21}$ is a characteristic of the pair of media (and also depends on the wavelength of light), but is independent of the angle of incidence.
From Eq. (9.10), if $n_{21}>1, r<i$, i.e., the refracted ray bends towards the normal. In such a case medium 2 is said to be optically denser (or denser, in short) than medium 1 . On the other hand, if $n_{21}<1, r>i$, the refracted ray bends away from the normal. This is the case when incident ray in a denser medium refracts into a rarer medium.
Note: Optical density should not be confused with mass density, which is mass per unit volume. It is possible that mass density of an optically denser medium may be less than that of an optically rarer medium (optical density is the ratio of the speed of light in two media). For example, turpentine and water. Mass density of turpentine is less than that of water but its optical density is higher.
If $n_{21}$ is the refractive index of medium 2 with respect to medium 1 and $n_{12}$ the refractive index of medium 1 with respect to medium 2 , then it should be clear that
$$ \begin{equation*} n_{12}=\frac{1}{n_{21}} \tag{9.11} \end{equation*} $$
FIGURE 9.9 Lateral shift of a ray refracted through a parallel-sided slab
It also follows that if $n_{32}$ is the refractive index of medium 3 with respect to medium 2 then $n_{32}=$ $n_{31} \times n_{12}$, where $n_{31}$ is the refractive index of medium 3 with respect to medium 1.
Some elementary results based on the laws of refraction follow immediately. For a rectangular slab, refraction takes place at two interfaces (airglass and glass-air). It is easily seen from Fig. 9.9 that $r_{2}=i_{1}$, i.e., the emergent ray is parallel to the incident ray-there is no deviation, but it does suffer lateral displacement/shift with respect to the incident ray. Another familiar observation is that the bottom of a tank filled with water appears to be raised (Fig. 9.10). For viewing near the normal direction, it can be shown that the apparent depth $\left(h_{1}\right)$ is real depth $\left(h_{2}\right)$ divided by the refractive index of the medium (water).
FIGURE 9.10 Apparent depth for (a) normal, and (b) oblique viewing.
9.4 Total Internal Reflection
When light travels from an optically denser medium to a rarer medium at the interface, it is partly reflected back into the same medium and partly refracted to the second medium. This reflection is called the internal reflection.
When a ray of light enters from a denser medium to a rarer medium, it bends away from the normal, for example, the ray $\mathrm{AO_1} \mathrm{~B}$ in Fig. 9.11. The incident ray $\mathrm{AO_1}$ is partially reflected $\left(\mathrm{O_1} \mathrm{C}\right)$ and partially transmitted $\left(\mathrm{O_1} \mathrm{~B}\right)$ or refracted, the angle of refraction $(r)$ being larger than the angle of incidence (i). As the angle of incidence increases, so does the angle of refraction, till for the ray $\mathrm{AO_3}$, the angle of refraction is $\pi / 2$. The refracted ray is bent so much away from the normal that it grazes the surface at the interface between the two media. This is shown by the ray $\mathrm{AO_3} \mathrm{D}$ in Fig. 9.11. If the angle of incidence is increased still further (e.g., the ray $\mathrm{AO_4}$ ), refraction is not possible, and the incident ray is totally reflected. This is called total internal reflection. When light gets reflected by a surface, normally some fraction of it gets transmitted. The reflected ray, therefore, is always less intense than the incident ray, howsoever smooth the reflecting surface may be. In total internal reflection, on the other hand, no transmission of light takes place.
FIGURE 9.11 Refraction and internal reflection of rays from a point $\mathrm{A}$ in the denser medium (water) incident at different angles at the interface with a rarer medium (air).
The angle of incidence corresponding to an angle of refraction $90^{\circ}$, say $\angle \mathrm{AO_3} \mathrm{~N}$, is called the critical angle $\left(i_{c}\right)$ for the given pair of media. We see from Snell’s law [Eq. (9.10)] that if the relative refractive index of the refracting medium is less than one then, since the maximum value of sin $r$ is unity, there is an upper limit to the value of $\sin i$ for which the law can be satisfied, that is, $i=i_{c}$ such that
$$ \begin{equation*} \sin i_{c}=n_{21} \tag{9.12} \end{equation*} $$
For values of $i$ larger than $i_{c}$, Snell’s law of refraction cannot be satisfied, and hence no refraction is possible.
The refractive index of denser medium 1 with respect to rarer medium 2 will be $n_{12}=1 / \sin i_{c}$. Some typical critical angles are listed in Table 9.1.
Table 9.1 Critical angle of some transparent media with Respect to air
Substance medium | Refractive index | Critical angle |
---|---|---|
Water | 1.33 | 48.75 |
Crown glass | 1.52 | 41.14 |
Dense flint glass | 1.62 | 37.31 |
Diamond | 2.42 | 24.41 |
A demonstration for total internal reflection
All optical phenomena can be demonstrated very easily with the use of a laser torch or pointer, which is easily available nowadays. Take a glass beaker with clear water in it. Add a few drops of milk or any other suspension to water and stir so that water becomes a little turbid. Take a laser pointer and shine its beam through the turbid water. You will find that the path of the beam inside the water shines brightly.
FIGURE 9.12 Observing total internal reflection in water with a laser beam (refraction due to glass of beaker neglected being very thin).
Shine the beam from below the beaker such that it strikes at the upper water surface at the other end. Do you find that it undergoes partial reflection (which is seen as a spot on the table below) and partial refraction [which comes out in the air and is seen as a spot on the roof; Fig. 9.12(a)]? Now direct the laser beam from one side of the beaker such that it strikes the upper surface of water more obliquely [Fig. 9.12(b)]. Adjust the direction of laser beam until you find the angle for which the refraction above the water surface is totally absent and the beam is totally reflected back to water. This is total internal reflection at its simplest.
Pour this water in a long test tube and shine the laser light from top, as shown in Fig. 9.12(c). Adjust the direction of the laser beam such that it is totally internally reflected every time it strikes the walls of the tube. This is similar to what happens in optical fibres.
Take care not to look into the laser beam directly and not to point it at anybody’s face.
9.4.1 Total internal reflection in nature and its technelogical applications
FIGURE 9.13 Prisms designed to bend rays by $90^{\circ}$ and $180^{\circ}$ or to invert image without changing its size make use of total internal reflection.
(i) Prism: Prisms designed to bend light by $90^{\circ}$ or by $180^{\circ}$ make use of total internal reflection [Fig. 9.13(a) and (b)]. Such a prism is also used to invert images without chxanging their size [Fig. 9.13(c)]. In the first two cases, the critical angle $i_{c}$ for the material of the prism must be less than $45^{\circ}$. We see from Table 9.1 that this is true for both crown glass and dense flint glass.
(ii) Optical fibres: Nowadays optical fibres are extensively used for transmitting audio and video signals through long distances. Optical fibres too make use of the phenomenon of total internal reflection. Optical fibres are fabricated with high quality composite glass/quartz fibres. Each fibre consists of a core and cladding. The refractive index of the material of the core is higher than that of the cladding.
When a signal in the form of light is directed at one end of the fibre at a suitable angle, it undergoes repeated total internal reflections along the length of the fibre and finally comes out at the other end (Fig. 9.14). Since light undergoes total internal reflection at each stage, there is no appreciable loss in the intensity of the light signal. Optical fibres are fabricated such that light reflected at one side of inner surface strikes the other at an angle larger than the critical angle. Even if the fibre is bent, light can easily travel along its length. Thus, an optical fibre can be used to act as an optical pipe.
FIGURE 9.14 Light undergoes successive total internal reflections as it moves through an optical fibre.
A bundle of optical fibres can be put to several uses. Optical fibres are extensively used for transmitting and receiving electrical signals which are converted to light by suitable transducers. Obviously, optical fibres can also be used for transmission of optical signals. For example, these are used as a ’light pipe’ to facilitate visual examination of internal organs like esophagus, stomach and intestines. You might have seen a commonly available decorative lamp with fine plastic fibres with their free ends forming a fountain like structure. The other end of the fibres is fixed over an electric lamp. When the lamp is switched on, the light travels from the bottom of each fibre and appears at the tip of its free end as a dot of light. The fibres in such decorative lamps are optical fibres.
The main requirement in fabricating optical fibres is that there should be very little absorption of light as it travels for long distances inside them. This has been achieved by purification and special preparation of materials such as quartz. In silica glass fibres, it is possible to transmit more than $95 %$ of the light over a fibre length of $1 \mathrm{~km}$. (Compare with what you expect for a block of ordinary window glass $1 \mathrm{~km}$ thick.)
9.5 Refraction at Spherical Surfaces And By Lenses
We have so far considered refraction at a plane interface. We shall now consider refraction at a spherical interface between two transparent media. An infinitesimal part of a spherical surface can be regarded as planar and the same laws of refraction can be applied at every point on the surface. Just as for reflection by a spherical mirror, the normal at the point of incidence is perpendicular to the tangent plane to the spherical surface at that point and, therefore, passes through its centre of curvature. We first consider refraction by a single spherical surface and follow it by thin lenses. A thin lens is a transparent optical medium bounded by two surfaces; at least one of which should be spherical. Applying the formula for image formation by a single spherical surface successively at the two surfaces of a lens, we shall obtain the lens maker’s formula and then the lens formula.
9.5.1 Refraction at a spherical surface
FIGURE 9.15 Refraction at a spherical surface separating two media.
Figure 9.15 shows the geometry of formation of image $I$ of an object $O$ on the principal axis of a spherical surface with centre of curvature $\mathrm{C}$, and radius of curvature $R$. The rays are incident from a medium of refractive index $n_{1}$, to another of refractive index $n_{2}$. As before, we take the aperture (or the lateral size) of the surface to be small compared to other distances involved, so that small angle approximation can be made. In particular, NM will be taken to be nearly equal to the length of the perpendicular from the point $\mathrm{N}$ on the principal axis. We have, for small angles,
$$ \begin{aligned} &\tan \angle \mathrm{NOM}=\frac{\mathrm{MN}}{\mathrm{OM}} \\ & \tan \angle \mathrm{NCM}=\frac{\mathrm{MN}}{\mathrm{MC}} \\ & \tan \angle \mathrm{NIM}=\frac{\mathrm{MN}}{\mathrm{MI}} \end{aligned} $$
Now, for $\triangle \mathrm{NOC}, i$ is the exterior angle. Therefore,
$$ \begin{aligned} & i=\angle \mathrm{NOM}+\angle \mathrm{NCM} \\ \end{aligned} $$
$$ \begin{equation*} i=\frac{\mathrm{MN}}{\mathrm{OM}}+\frac{\mathrm{MN}}{\mathrm{MC}} \tag{9.13} \end{equation*} $$
Similarly,
$$ r=\angle \mathrm{NCM}-\angle \mathrm{NIM} $$
i.e.,
$$ \begin{equation*} r=\frac{\mathrm{MN}}{\mathrm{MC}}-\frac{\mathrm{MN}}{\mathrm{MI}} \tag{9.14} \end{equation*} $$
Now, by Snell’s law
$$ n_{1} \sin i=n_{2} \sin r $$
or for small angles
$$ n_{1} i=n_{2} r $$
Substituting $i$ and $r$ from Eqs. (9.13) and (9.14), we get
$$ \begin{equation*} \frac{n _{1}}{\mathrm{OM}}+\frac{n _{2}}{\mathrm{MI}}=\frac{n _{2}-n _{1}}{\mathrm{MC}} \tag{9.15} \end{equation*} $$
Here, OM, MI and MC represent magnitudes of distances. Applying the Cartesian sign convention,
$$ \mathrm{OM}=-u, \mathrm{MI}=+v, \mathrm{MC}=+R $$
Substituting these in Eq. (9.15), we get
$$ \begin{equation*} \frac{n_{2}}{v}-\frac{n_{1}}{u}=\frac{n_{2}-n_{1}}{R} \tag{9.16} \end{equation*} $$
Equation (9.16) gives us a relation between object and image distance in terms of refractive index of the medium and the radius of curvature of the curved spherical surface. It holds for any curved spherical surface.
Example 9.5 Light from a point source in air falls on a spherical glass surface ( $n=1.5$ and radius of curvature $=20 \mathrm{~cm}$ ). The distance of the light source from the glass surface is $100 \mathrm{~cm}$. At what position the image is formed?
Solution We use the relation given by Eq. (9.16). Here $u=-100 \mathrm{~cm}, v=?, R=+20 \mathrm{~cm}, n_{1}=1$, and $n_{2}=1.5$. We then have
$$\frac{1.5}{v}+\frac{1}{100}=\frac{0.5}{20}$$
or
$$v=+100 \mathrm{~cm}$$
The image is formed at a distance of $100 \mathrm{~cm}$ from the glass surface, in the direction of incident light.
9.5.2 Refraction by a lens
FIGURE 9.16 (a) The position of object, and the image formed by a double convex lens, (b) Refraction at the first spherical surface and (c) Refraction at the second spherical surface.
Figure 9.16(a) shows the geometry of image formation by a double convex lens. The image formation can be seen in terms of two steps: (i) The first refracting surface forms the image $I_{1}$ of the object $O$ [Fig. 9.16(b)]. The image $I_{1}$ acts as a virtual object for the second surface that forms the image at I [Fig. 9.16(c)]. Applying Eq. (9.15) to the first interface $A B C$, we get
$$ \begin{equation*} \frac{n_{1}}{\mathrm{OB}}+\frac{n_{2}}{\mathrm{BI_1}}=\frac{n_{2}-n_{1}}{\mathrm{BC_1}} \tag{9.17} \end{equation*} $$
A similar procedure applied to the second interface* $\mathrm{ADC}$ gives,
$$ \begin{equation*} -\frac{n_{2}}{\mathrm{DI_1}}+\frac{n_{1}}{\mathrm{DI}}=\frac{n_{2}-n_{1}}{\mathrm{DC_2}} \tag{9.18} \end{equation*} $$
For a thin lens, $\mathrm{BI_1}=\mathrm{DI_1}$. Adding Eqs. (9.17) and (9.18), we get
$$ \begin{equation*} \frac{n_{1}}{\mathrm{OB}}+\frac{n_{1}}{\mathrm{DI}}=\left(n_{2}-n_{1}\right) \frac{1}{\mathrm{BC_1}}+\frac{1}{\mathrm{DC_2}} \tag{9.19} \end{equation*} $$
Suppose the object is at infinity, i.e., $\mathrm{OB} \rightarrow \infty$ and $\mathrm{DI}=f$, Eq. (9.19) gives
$$ \frac{n_{1}}{f}=\left(n_{2}-n_{1}\right) \quad \frac{1}{\mathrm{BC_1}}+\frac{1}{\mathrm{DC_2}}\tag{9.20} $$
The point where image of an object placed at infinity is formed is called the focus $\mathrm{F}$, of the lens and the distance $f$ gives its focal length. A lens has two foci, $\mathrm{F}$ and $\mathrm{F}^{\prime}$, on either side of it (Fig. 9.16). By the sign convention,
$$ \begin{array}{ll} \mathrm{BC} _{1}=+R _{1} & \text { [चित्र 9.16(b)] } \\ \mathrm{DC} _{2}=-R _{2} & \text { [चित्र 9.16(c)] } \end{array} $$
So Eq. (9.20) can be written as
$$ \frac{1}{f}=\left(n_{21}-1\right)\left(\frac{1}{R_{1}}-\frac{1}{R_{2}}\right) \quad\left(\because n_{21}=\frac{n_{2}}{n_{1}}\right) \tag{9.21} $$
- Note that now the refractive index of the medium on the right side of ADC is $n_{1}$ while on its left it is $n_{2}$. Further $\mathrm{DI_1}$ is negative as the distance is measured against the direction of incident light.
Equation (9.21) is known as the lens maker’s formula. It is useful to design lenses of desired focal length using surfaces of suitable radii of curvature. Note that the formula is true for a concave lens also. In that case $R_{1}$ is negative, $R_{2}$ positive and therefore, $f$ is negative. From Eqs. (9.19) and (9.20), we get
$$ \begin{equation*} \frac{n_{1}}{\mathrm{OB}}+\frac{n_{1}}{\mathrm{DI}}=\frac{n_{1}}{f} \tag{9.22} \end{equation*} $$
Again, in the thin lens approximation, B and D are both close to the optical centre of the lens. Applying the sign convention, $\mathrm{BO}=-u, \mathrm{DI}=+v$, we get
$$ \begin{equation*} \frac{1}{v}-\frac{1}{u}=\frac{1}{f} \tag{9.23} \end{equation*} $$
Equation (9.23) is the familiar thin lens formula. Though we derived it for a real image formed by a convex lens, the formula is valid for both convex as well as concave lenses and for both real and virtual images.
It is worth mentioning that the two foci, $\mathrm{F}$ and $\mathrm{F}^{\prime}$, of a double convex or concave lens are equidistant from the optical centre. The focus on the side of the (original) source of light is called the first focal point, whereas the other is called the second focal point.
FIGURE 9.17 Tracing rays through (a) convex lens (b) concave lens. in the same way as for spherical mirrors, it is easily seen that for a lens
To find the image of an object by a lens, we can, in principle, take any two rays emanating from a point on an object; trace their paths using the laws of refraction and find the point where the refracted rays meet (or appear to meet). In practice, however, it is convenient to choose any two of the following rays:
(i) A ray emanating from the object parallel to the principal axis of the lens after refraction passes through the second principal focus $\mathrm{F}^{\prime}$ (in a convex lens) or appears to diverge (in a concave lens) from the first principal focus $\mathrm{F}$.
(ii) A ray of light, passing through the optical centre of the lens, emerges without any deviation after refraction.
(iii) (a) A ray of light passing through the first principal focus of a convex lens [Fig. 9.17(a)] emerges parallel to the principal axis after refraction.
(b) A ray of light incident on a concave lens appearing to meet the principal axis at second focus point emerges parallel to the principal axis after refraction [Fig. 9.17(b)].
Figures 9.17(a) and (b) illustrate these rules for a convex and a concave lens, respectively. You should practice drawing similar ray diagrams for different positions of the object with respect to the lens and also verify that the lens formula, Eq. (9.23), holds good for all cases.
Here again it must be remembered that each point on an object gives out infinite number of rays. All these rays will pass through the same image point after refraction at the lens.
Magnification $(m)$ produced by a lens is defined, like that for a mirror, as the ratio of the
$$ \begin{equation*} \mathrm{m}=\frac{h^{\prime}}{h}=\frac{v}{u} \tag{9.24} \end{equation*} $$
When we apply the sign convention, we see that, for erect (and virtual) image formed by a convex or concave lens, $m$ is positive, while for an inverted (and real) image, $m$ is negative.
Example 9.6 A magician during a show makes a glass lens with $n=1.47$ disappear in a trough of liquid. What is the refractive index of the liquid? Could the liquid be water?
Solution The refractive index of the liquid must be equal to 1.47 in order to make the lens disappear. This means $n_{1}=n_{2}$. This gives $1 / f=0$ or $f \rightarrow \infty$. The lens in the liquid will act like a plane sheet of glass. No, the liquid is not water. It could be glycerine.
9.5.3 Power of a lens
FIGURE 9.18 Power of a lens.
Power of a lens is a measure of the convergence or divergence, which a lens introduces in the light falling on it. Clearly, a lens of shorter focal length bends the incident light more, while converging it in case of a convex lens and diverging it in case of a concave lens. The power $P$ of a lens is defined as the tangent of the angle by which it converges or diverges a beam of light parallel to the principal axis falling at unit distance from the optical centre (Fig. 9.18).
$$ \tan \delta=\frac{h}{f} ; \text { if } h=1 \quad \tan \delta=\frac{1}{f} $$
or
$$ \begin{equation*} \delta=\frac{1}{f} \quad \text{ (for small value of } \delta.) \end{equation*} $$
Thus,
$$ \begin{equation*} P=\frac{1}{f} \tag{9.25} \end{equation*} $$
The SI unit for power of a lens is dioptre (D): $1 \mathrm{D}=1 \mathrm{~m}^{-1}$. The power of a lens of focal length of 1 metre is one dioptre. Power of a lens is positive for a converging lens and negative for a diverging lens. Thus, when an optician prescribes a corrective lens of power +2.5 D, the required lens is a convex lens of focal length $+40 \mathrm{~cm}$. A lens of power of $-4.0 \mathrm{D}$ means a concave lens of focal length $-25 \mathrm{~cm}$.
Example 9.7 (i) If $f=0.5 \mathrm{~m}$ for a glass lens, what is the power of the lens? (ii) The radii of curvature of the faces of a double convex lens are $10 \mathrm{~cm}$ and $15 \mathrm{~cm}$. Its focal length is $12 \mathrm{~cm}$. What is the refractive index of glass? (iii) A convex lens has $20 \mathrm{~cm}$ focal length in air. What is focal length in water? (Refractive index of air-water $=1.33$, refractive index for air-glass $=1.5$.)
Solution
(i) Power $=+2$ dioptre.
(ii) Here, we have $f=+12 \mathrm{~cm}, R_{1}=+10 \mathrm{~cm}, R_{2}=-15 \mathrm{~cm}$. Refractive index of air is taken as unity. We use the lens formula of Eq. (9.22). The sign convention has to be applied for $f, R_{1}$ and $R_{2}$. Substituting the values, we have
$$\frac{1}{12}=(n-1) \quad \frac{1}{10}-\frac{1}{-15}$$
This gives $n=1.5$.
(iii) For a glass lens in air, $n_{2}=1.5, n_{1}=1, f=+20 \mathrm{~cm}$. Hence, the lens formula gives
$$ \frac{1}{20}=0.5 \frac{1}{R_{1}}-\frac{1}{R_{2}} $$
For the same glass lens in water, $n_{2}=1.5, n_{1}=1.33$. Therefore,
$$ \begin{equation*} \frac{1.33}{f}=(1.5-1.33) \frac{1}{R_{1}}-\frac{1}{R_{2}} \tag{9.26} \end{equation*} $$
Combining these two equations, we find $f=+78.2 \mathrm{~cm}$.
9.5.4 Combination of thin lenses in contact
Consider two lenses $\mathrm{A}$ and $\mathrm{B}$ of focal length $f_{1}$ and $f_{2}$ placed in contact with each other. Let the object be placed at a point $\mathrm{O}$ beyond the focus of the first lens A (Fig. 9.19). The first lens produces an image at $I_{1}$. Since image $I_{1}$ is real, it serves as a virtual object for the second lens B, producing the final image at I. It must, however, be borne in mind that formation of image by the first lens is presumed only to facilitate determination of the position of the final image. In fact, the direction of rays emerging from the first lens gets modified in accordance withthe angle at which they strike the second lens. Since the lenses are thin, we assume the optical centres of the lenses to be coincident. Let this central point be denoted by $P$.
FIGURE 9.19 Image formation by a combination of two thin lenses in contact.
For the image formed by the first lens $\mathrm{A}$, we get
$$ \begin{equation*} \frac{1}{v_{1}}-\frac{1}{u}=\frac{1}{f_{1}} \tag{9.27} \end{equation*} $$
For the image formed by the second lens B, we get
$$ \begin{equation*} \frac{1}{v}-\frac{1}{v_{1}}=\frac{1}{f_{2}} \tag{9.28} \end{equation*} $$
Adding Eqs. (9.27) and (9.28), we get
$$ \begin{equation*} \frac{1}{v}-\frac{1}{u}=\frac{1}{f_{1}}+\frac{1}{f_{2}} \tag{9.29} \end{equation*} $$
If the two lens-system is regarded as equivalent to a single lens of focal length $f$, we have
$$ \frac{1}{v}-\frac{1}{u}=\frac{1}{f} $$
so that we get
$$ \begin{equation*} \frac{1}{f}=\frac{1}{f_{1}}+\frac{1}{f_{2}} \tag{9.30} \end{equation*} $$
The derivation is valid for any number of thin lenses in contact. If several thin lenses of focal length $f_{1}, f_{2}, f_{3}, \ldots$ are in contact, the effective focal length of their combination is given by
$$ \begin{equation*} \frac{1}{f}=\frac{1}{f_{1}}+\frac{1}{f_{2}}+\frac{1}{f_{3}}+\ldots \tag{9.31} \end{equation*} $$
In terms of power, Eq. (9.31) can be written as
$$ \begin{equation*} P=P_{1}+P_{2}+P_{3}+\ldots \tag{9.32} \end{equation*} $$
where $P$ is the net power of the lens combination. Note that the sum in Eq. (9.32) is an algebraic sum of individual powers, so some of the terms on the right side may be positive (for convex lenses) and some negative (for concave lenses). Combination of lenses helps to obtain diverging or converging lenses of desired magnification. It also enhances sharpness of the image. Since the image formed by the first lens becomes the object for the second, Eq. (9.25) implies that the total magnification $m$ of the combination is a product of magnification $\left(m_{1}, m_{2}, m_{3}, \ldots\right)$ of individual lenses
$$ \begin{equation*} m=m_{1} m_{2} m_{3} \ldots \tag{9.33} \end{equation*} $$
Such a system of combination of lenses is commonly used in designing lenses for cameras, microscopes, telescopes and other optical instruments.
Example 9.8 Find the position of the image formed by the lens combination given in the Fig. 9.20.
FIGURE 9.20
Solution Image formed by the first lens
$$ \frac{1}{v_{1}}-\frac{1}{u_{1}}=\frac{1}{f_{1}} $$
$$ \frac{1}{v_{1}}-\frac{1}{-30}=\frac{1}{10} $$
or
$$v_{1}=15 \mathrm{~cm}$$
The image formed by the first lens serves as the object for the second. This is at a distance of $(15-5) \mathrm{cm}=10 \mathrm{~cm}$ to the right of the second lens. Though the image is real, it serves as a virtual object for the second lens, which means that the rays appear to come from it for the second lens.
$$ \frac{1}{v_{2}}-\frac{1}{10}=\frac{1}{-10} $$
or
$$v_{2}=\infty$$
The virtual image is formed at an infinite distance to the left of the second lens. This acts as an object for the third lens.
$$ \frac{1}{v_{3}}-\frac{1}{u_{3}}=\frac{1}{f_{3}} $$
or
$$ \frac{1}{v_{3}}=\frac{1}{\infty}+\frac{1}{30} $$
or
$$ v_{3}=30 \mathrm{~cm} $$
The final image is formed $30 \mathrm{~cm}$ to the right of the third lens.
9.6 Refraction through a Prism
Figure 9.21 shows the passage of light through a triangular prism $\mathrm{ABC}$. The angles of incidence and refraction at the first face $\mathrm{AB}$ are $i$ and $r_{1}$, while the angle of incidence (from glass to air) at the second face $\mathrm{AC}$ is $r_{2}$ and the angle of refraction or emergence $e$. The angle between the emergent ray $\mathrm{RS}$ and the direction of the incident ray $\mathrm{PQ}$ is called the angle of deviation, $\delta$.
FIGURE 9.21 A ray of light passing through a triangular glass prism.
In the quadrilateral AQNR, two of the angles (at the vertices $\mathrm{Q}$ and $\mathrm{R}$ ) are right angles. Therefore, the sum of the other angles of the quadrilateral is $180^{\circ}$.
$\angle A+\angle \mathrm{QNR}=180^{\circ}$ From the triangle $\mathrm{QNR}$,
$$ r_{1}+r_{2}+\angle \mathrm{QNR}=180^{\circ} $$
Comparing these two equations, we get
$$ \begin{equation*} r_{1}+r_{2}=A \tag{9.34} \end{equation*} $$
The total deviation $\delta$ is the sum of deviations at the two faces,
$$ \delta=\left(i-r_{1}\right)+\left(e-r_{2}\right) $$
that is,
$$ \begin{equation*} \delta=i+e-A \tag{9.35} \end{equation*} $$
FIGURE 9.22 Plot of angle of deviation ( $\delta$ ) versus angle of incidence $(i)$ for a triangular prism.
Thus, the angle of deviation depends on the angle of incidence. A plot between the angle of deviation and angle of incidence is shown in Fig. 9.22. You can see that, in general, any given value of $\delta$, except for $i=e$, corresponds to two values $i$ and hence of $e$. This, in fact, is expected from the symmetry of $i$ and $e$ in Eq. (9.35), i.e., $\delta$ remains the same if $i$ and $e$ are interchanged. Physically, this is related to the fact that the path of ray in Fig. 9.21 can be traced back, resulting in the same angle of deviation. At the minimum deviation $D_{m}$, the refracted ray inside the prism becomes parallel to its base. We have
$$ \delta=D_{m}, i=e \text { which implies } r_{1}=r_{2} $$
Equation (9.34) gives
$$ \begin{equation*} 2 r=A \text { or } r=\frac{A}{2} \tag{9.36} \end{equation*} $$
In the same way, Eq. (9.35) gives
$$ \begin{equation*} D_{\mathrm{m}}=2 i-A, \text { or } i=\left(A+D_{\mathrm{m}}\right) / 2 \tag{9.37} \end{equation*} $$
The refractive index of the prism is
$$ \begin{equation*} n_{21}=\frac{n_{2}}{n_{1}}=\frac{\sin \left[\left(A+D_{m}\right) / 2\right]}{\sin [A / 2]} \tag{9.38} \end{equation*} $$
The angles $A$ and $D_{m}$ can be measured experimentally. Equation (9.38) thus provides a method of determining refractive index of the material of the prism.
For a small angle prism, i.e., a thin prism, $D_{m}$ is also very small, and we get
$$ \begin{aligned} & n_{21}=\frac{\sin \left[\left(A+D_{m}\right) / 2\right]}{\sin [A / 2]} \simeq \frac{\left(A+D_{m}\right) / 2}{A / 2} \end{aligned} $$
$$ \begin{aligned} & D_{m}=\left(n_{21}-1\right) A \end{aligned} $$
It implies that, thin prisms do not deviate light much.
9.7 OPTICAL INSTRUMENTS
A number of optical devices and instruments have been designed utilising reflecting and refracting properties of mirrors, lenses and prisms. Periscope, kaleidoscope, binoculars, telescopes, microscopes are some examples of optical devices and instruments that are in common use. Our eye is, of course, one of the most important optical device the nature has endowed us with. We have already studied about the human eye in Class X. We now go on to describe the principles of working of the microscope and the telescope.
9.7.1 The microscope
FIGURE 9.23 A simple microscope; (a) the magnifying lens is located such that the image is at the near point, (b) the angle subtanded by the object, is the same as that at the near point, and (c) the object near the focal point of the lens; the image is far off but closer than infinity.
A simple magnifier or microscope is a converging lens of small focal length (Fig. 9.23). In order to use such a lens as a microscope, the lens is held near the object, one focal length away or less, and the eye is positioned close to the lens on the other side. The idea is to get an erect, magnified and virtual image of the object at a distance so that it can be viewed comfortably, i.e., at $25 \mathrm{~cm}$ or more. If the object is at a distance $f$, the image is at infinity. However, if the object is at a distance slightly less than the focal length of the lens, the image is virtual and closer than infinity. Although the closest comfortable distance for viewing the image is when it is at the near point (distance $D \cong 25 \mathrm{~cm}$ ), it causes some strain on the eye. Therefore, the image formed at infinity is often considered most suitable for viewing by the relaxed eye. We show both cases, the first in Fig. 9.23(a), and the second in Fig. 9.23(b) and (c).
The linear magnification $m$, for the image formed at the near point $D$, by a simple microscope can be obtained by using the relation
$$ m=\frac{v}{u}=v\left(\frac{1}{v}-\frac{1}{f}\right)=\left(1-\frac{v}{f}\right) $$
Now according to our sign convention, $v$ is negative, and is equal in magnitude to $D$. Thus, the magnification is
$$ \begin{equation*} m=\left(1+\frac{D}{f}\right) \tag{9.39} \end{equation*} $$
Since $D$ is about $25 \mathrm{~cm}$, to have a magnification of six, one needs a convex lens of focal length, $f=5 \mathrm{~cm}$.
Note that $m=h^{\prime} / h$ where $h$ is the size of the object and $h^{\prime}$ the size of the image. This is also the ratio of the angle subtended by the image to that subtended by the object, if placed at $D$ for comfortable viewing. (Note that this is not the angle actually subtended by the object at the eye, which is $h / u$.) What a single-lens simple magnifier achieves is that it allows the object to be brought closer to the eye than $D$.
We will now find the magnification when the image is at infinity. In this case we will have to obtained the angular magnification. Suppose the object has a height $h$. The maximum angle it can subtend, and be clearly visible (without a lens), is when it is at the near point, i.e., a distance $D$. The angle subtended is then given by
$$ \begin{equation*} \tan \theta _{0}=\left(\frac{h}{D}\right) \approx \theta _{0} \tag{9.40} \end{equation*} $$
We now find the angle subtended at the eye by the image when the object is at $u$. From the relations
$$ \frac{h^{\prime}}{h}=m=\frac{v}{u} $$
we have the angle subtended by the image
$\tan \theta_{i}=\frac{h^{\prime}}{-v}=\frac{h}{-v} \cdot \frac{v}{u}=\frac{h}{-u} \approx \theta$. The angle subtended by the object, when it is at $u=-f$.
$$ \begin{equation*} \theta_{i}=\frac{h}{f} \tag{9.41} \end{equation*} $$
as is clear from Fig. 9.23(c). The angular magnification is, therefore
$$ \begin{equation*} m=\frac{\theta_{i}}{\theta_{o}}=\frac{D}{f} \tag{9.42} \end{equation*} $$
This is one less than the magnification when the image is at the near point, Eq. (9.39), but the viewing is more comfortable and the difference in magnification is usually small. In subsequent discussions of optical instruments (microscope and telescope) we shall assume the image to be at infinity.
FIGURE 9.24 Ray diagram for the formation of image by a compound microscope.
A simple microscope has a limited maximum magnification $(\leq)$ for realistic focal lengths. For much larger magnifications, one uses two lenses, one compounding the effect of the other. This is known as a compound microscope. A schematic diagram of a compound microscope is shown in Fig. 9.24. The lens nearest the object, called the objective, forms a real, inverted, magnified image of the object. This serves as the object for the second lens, the eyepiece, which functions essentially like a simple microscope or magnifier, produces the final image, which is enlarged and virtual. The first inverted image is thus near (at or within) the focal plane of the eyepiece, at a distance appropriate for final image formation at infinity, or a little closer for image formation at the near point. Clearly, the final image is inverted with respect to the original object.
We now obtain the magnification due to a compound microscope. The ray diagram of Fig. 9.24 shows that the (linear) magnification due to the objective, namely $h^{\prime} / h$, equals
$$ \begin{equation*} m_{O}=\frac{h^{\prime}}{h}=\frac{L}{f_{o}} \tag{9.43} \end{equation*} $$
where we have used the result
$$ \tan \beta=\left(\frac{h}{f _{0}}\right)=\left(\frac{h^{\prime}}{L}\right) $$
Here $h^{\prime}$ is the size of the first image, the object size being $h$ and $f_{o}$ being the focal length of the objective. The first image is formed near the focal point of the eyepiece. The distance $L$, i.e., the distance between the second focal point of the objective and the first focal point of the eyepiece (focal length $f_{e}$ ) is called the tube length of the compound microscope.
As the first inverted image is near the focal point of the eyepiece, we use the result from the discussion above for the simple microscope to obtain the (angular) magnification $m_{e}$ due to it [Eq. (9.39)], when the final image is formed at the near point, is
$$ \begin{equation*} m _{e}=\left(1+\frac{D}{f _{e}}\right) \tag{9.44a} \end{equation*} $$
When the final image is formed at infinity, the angular magnification due to the eyepiece [Eq. (9.42)] is
$$ \begin{equation*} m_{e}=\left(D / f_{e}\right) \tag{9.44b} \end{equation*} $$
Thus, the total magnification [according to Eq. (9.33)], when the image is formed at infinity, is
$$ \begin{equation*} m=m _{0} m _{e}=\left(\frac{L}{f _{0}}\right)\left(\frac{D}{f _{e}}\right) \tag{9.45} \end{equation*} $$
Clearly, to achieve a large magnification of a small object (hence the name microscope), the objective and eyepiece should have small focal lengths. In practice, it is difficult to make the focal length much smaller than $1 \mathrm{~cm}$. Also large lenses are required to make L large.
For example, with an objective with $f_{o}=1.0 \mathrm{~cm}$, and an eyepiece with focal length $f_{e}=2.0 \mathrm{~cm}$, and a tube length of $20 \mathrm{~cm}$, the magnification is
$$ \begin{aligned} m=m _{0} m _{e}= & \left(\frac{L}{f _{0}}\right)\left(\frac{D}{f _{e}}\right) \end{aligned} $$
$$ \begin{aligned} & =\frac{20}{1} \times \frac{25}{2}=250 \end{aligned} $$
Various other factors such as illumination of the object, contribute to the quality and visibility of the image. In modern microscopes, multicomponent lenses are used for both the objective and the eyepiece to improve image quality by minimising various optical aberrations (defects) in lenses.
9.7.2 Telescope
The telescope is used to provide angular magnification of distant objects (Fig. 9.25). It also has an objective and an eyepiece. But here, the objective has a large focal length and a much larger aperture than the eyepiece. Light from a distant object enters the objective and a real image is formed in the tube at its second focal point. The eyepiece magnifies this image producing a final inverted image. The magnifying power $m$ is the ratio of the angle $\beta$ subtended at the eye by the final image to the angle $\alpha$ which the object subtends at the lens or the eye. Hence
$$ \begin{equation*} m \approx \frac{\beta}{\alpha} \approx \frac{h}{f_{e}} \cdot \frac{f_{o}}{h}=\frac{f_{o}}{f_{e}} \tag{9.46} \end{equation*} $$
In this case, the length of the telescope tube is $f_{o}+f_{e}$.
Terrestrial telescopes have, in addition, a pair of inverting lenses to make the final image erect. Refracting telescopes can be used both for terrestrial and astronomical observations. For example, consider a telescope whose objective has a focal length of $100 \mathrm{~cm}$ and the eyepiece a focal length of $1 \mathrm{~cm}$. The magnifying power of this telescope is $\mathrm{m}=100 / 1=100$.
Let us consider a pair of stars of actual separation 1’ (one minute of arc). The stars appear as though they are separated by an angle of $100 \times$ $1^{\prime}=100^{\prime}=1.67^{\circ}$.
FIGURE 9.25 A refracting telescope.
The main considerations with an astronomical telescope are its light gathering power and its resolution or resolving power. The former clearly depends on the area of the objective. With larger diameters, fainter objects can be observed. The resolving power, or the ability to observe two objects distinctly, which are in very nearly the same direction, also depends on the diameter of the objective. So, the desirable aim in optical telescopes is to make them with objective of large diameter. The largest lens objective in use has a diameter of $40 \mathrm{inch}(\sim 1.02 \mathrm{~m})$. It is at the Yerkes Observatory in Wisconsin, USA. Such big lenses tend to be very heavy and therefore, difficult to make and support by their edges. Further, it is rather difficult and expensive to make such large sized lenses which form images that are free from any kind of chromatic aberration and distortions.
FIGURE 9.26 Schematic diagram of a reflecting telescope (Cassegrain).
For these reasons, modern telescopes use a concave mirror rather than a lens for the objective. Telescopes with mirror objectives are called reflecting telescopes. There is no chromatic aberration in a mirror. Mechanical support is much less of a problem since a mirror weighs much less than a lens of equivalent optical quality, and can be supported over its entire back surface, not just over its rim. One obvious problem with a reflecting telescope is that the objective mirror focusses light inside the telescope tube. One must have an eyepiece and the observer right there, obstructing some light (depending on the size of the observer cage). This is what is done in the very large 200 inch ( 5.08 m) diameters, Mt. Palomar telescope, California. The viewer sits near the focal point of the mirror, in a small cage. Another solution to the problem is to deflect the light being focussed by another mirror. One such arrangement using a convex secondary mirror to focus the incident light, which now passes through a hole in the objective primary mirror, is shown in Fig. 9.26. This is known as a Cassegrain telescope, after its inventor. It has the advantages of a large focal length in a short telescope. The largest telescope in India is in Kavalur, Tamil Nadu. It is a $2.34 \mathrm{~m}$ diameter reflecting telescope (Cassegrain). It was ground, polished, set up, and is being used by the Indian Institute of Astrophysics, Bangalore. The largest reflecting telescopes in the world are the pair of Keck telescopes in Hawaii, USA, with a reflector of 10 metre in diameter.
SUMMARY
1. Reflection is governed by the equation $\angle i=\angle r^{\prime}$ and refraction by the Snell’s law, $\sin i / \sin r=n$, where the incident ray, reflected ray, refracted ray and normal lie in the same plane. Angles of incidence, reflection and refraction are $i, r^{\prime}$ and $r$, respectively.
2. The critical angle of incidence $i_{c}$ for a ray incident from a denser to rarer medium, is that angle for which the angle of refraction is $90^{\circ}$. For $i>i_{c}$, total internal reflection occurs. Multiple internal reflections in diamond $\left(i_{c} \cong 24.4^{\circ}\right)$, totally reflecting prisms and mirage, are some examples of total internal reflection. Optical fibres consist of glass fibres coated with a thin layer of material of lower refractive index. Light incident at an angle at one end comes out at the other, after multiple internal reflections, even if the fibre is bent.
3. Cartesian sign convention: Distances measured in the same direction as the incident light are positive; those measured in the opposite direction are negative. All distances are measured from the pole/optic centre of the mirror/lens on the principal axis. The heights measured upwards above $x$-axis and normal to the principal axis of the mirror/ lens are taken as positive. The heights measured downwards are taken as negative.
4. Mirror equation:
$\frac{1}{v}+\frac{1}{u}=\frac{1}{f}$
where $u$ and $v$ are object and image distances, respectively and $f$ is the focal length of the mirror. $f$ is (approximately) half the radius of curvature R. $f$ is negative for concave mirror; $f$ is positive for a convex mirror.
5. For a prism of the angle $A$, of refractive index $n_2$ placed in a medium of refractive index $n_1$, $$ n_{21}=\frac{n_2}{n_1}=\frac{\sin \left[\left(A+D_m\right) / 2\right]}{\sin (A / 2)} $$
where $D_m$ is the angle of minimum deviation.
6. For refraction through a spherical interface (from medium 1 to 2 of refractive index $n_1$ and $n_2$, respectively)
$$ \frac{n_2}{v}-\frac{n_1}{u}=\frac{n_2-n_1}{R} $$
Thin lens formula
$$ \frac{1}{v}-\frac{1}{u}=\frac{1}{f} $$
Lens maker’s formula
$$ \frac{1}{f}=\frac{\left(n_2-n_1\right)}{n_1}\left(\frac{1}{R_1}-\frac{1}{R_2}\right) $$
$R_1$ and $R_2$ are the radil of curvature of the lens surfaces. $f$ is positive for a converging lens; $f$ is negative for a diverging lens. The power of a lens $P=1 / f$. The SI unit for power of a lens is dioptre (D): $1 \mathrm{D}=1 \mathrm{~m}^{-1}$. If several thin lenses of focal length $f_1, f_2, f_3, \ldots$ are in contact, the effective focal length of their combination, is given by
$$ \frac{1}{f}=\frac{1}{f_1}+\frac{1}{f_2}+\frac{1}{f_3}+\ldots $$
The total power of a combination of several lenses is
$$ P=P_1+P_2+P_3+\ldots $$
7. Dispersion is the splitting of light into its constituent colour.
8. Magnifying power $m$ of a simple microscope is given by $m=1+(D / f)$, where $D=25 \mathrm{~cm}$ is the least distance of distinct vision and $f$ is the focal length of the convex lens. If the image is at infinity, $m=D / f$. For a compound microscope, the magnifying power is given by $m=m_{e} \times m_{0}$ where $m_{e}=1+\left(D / f_{e}\right)$, is the magnification due to the eyepiece and $m_{o}$ is the magnification produced by the objective. Approximately,
$$ m=\frac{L}{f_{o}} \times \frac{D}{f_{e}} $$
where $f_{\mathrm{o}}$ and $f_{e}$ are the focal lengths of the objective and eyepiece, respectively, and $L$ is the distance between their focal points.
9. Magnifying power $m$ of a telescope is the ratio of the angle $\beta$ subtended at the eye by the image to the angle $\alpha$ subtended at the eye by the object.
$$ m=\frac{\beta}{\alpha}=\frac{f_{o}}{f_{e}} $$
where $f_{0}$ and $f_{e}$ are the focal lengths of the objective and eyepiece, respectively.
POINTS TO PONDER
1. The laws of reflection and refraction are true for all surfaces and pairs of media at the point of the incidence.
2. The real image of an object placed between $f$ and $2 f$ from a convex lens can be seen on a screen placed at the image location. If the screen is removed, is the image still there? This question puzzles many, because it is difficult to reconcile ourselves with an image suspended in air without a screen. But the image does exist. Rays from a given point on the object are converging to an image point in space and diverging away. The screen simply diffuses these rays, some of which reach our eye and we see the image. This can be seen by the images formed in air during a laser show.
3. Image formation needs regular reflection/refraction. In principle, all rays from a given point should reach the same image point. This is why you do not see your image by an irregular reflecting object, say the page of a book.
4. Thick lenses give coloured images due to dispersion. The variety in colour of objects we see around us is due to the constituent colours of the light incident on them. A monochromatic light may produce an entirely different perception about the colours on an object as seen in white light.
5. For a simple microscope, the angular size of the object equals the angular size of the image. Yet it offers magnification because we can keep the small object much closer to the eye than $25 \mathrm{~cm}$ and hence have it subtend a large angle. The image is at $25 \mathrm{~cm}$ which we can see. Without the microscope, you would need to keep the small object at $25 \mathrm{~cm}$ which would subtend a very small angle.
Exercises
9.1 A small candle, $2.5 \mathrm{~cm}$ in size is placed at $27 \mathrm{~cm}$ in front of a concave mirror of radius of curvature $36 \mathrm{~cm}$. At what distance from the mirror should a screen be placed in order to obtain a sharp image? Describe the nature and size of the image. If the candle is moved closer to the mirror, how would the screen have to be moved?
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Size of the candle, $h=2.5 \mathrm{~cm}$
Image size $=h$,
Object distance, $u=-27 \mathrm{~cm}$
Radius of curvature of the concave mirror, $R=-36 \mathrm{~cm}$
Focal length of the concave mirror, $f=\frac{R}{2}=-18 \mathrm{~cm}$
Image distance $=v$
The image distance can be obtained using the mirror formula:
$\frac{1}{u}+\frac{1}{v}=\frac{1}{f}$
$\frac{1}{v}=\frac{1}{f}-\frac{1}{u}$
$$ =\frac{1}{-18}-\frac{1}{-27}=\frac{-3+2}{54}=-\frac{1}{54} $$
$\therefore v=-54 \mathrm{~cm}$
Therefore, the screen should be placed $54 \mathrm{~cm}$ away from the mirror to obtain a sharp image.
The magnification of the image is given as:
$$ \begin{aligned} & m=\frac{h^{\prime}}{h}=-\frac{v}{u} \\ & \therefore h^{\prime}=-\frac{v}{u} \times h \\ & \quad=-\left(\frac{-54}{-27}\right) \times 2.5=-5 \mathrm{~cm} \end{aligned} $$
The height of the candle’s image is $5 \mathrm{~cm}$. The negative sign indicates that the image is inverted and virtual.
If the candle is moved closer to the mirror, then the screen will have to be moved away from the mirror in order to obtain the image.
9.2 A $4.5 \mathrm{~cm}$ needle is placed $12 \mathrm{~cm}$ away from a convex mirror of focal length $15 \mathrm{~cm}$. Give the location of the image and the magnification. Describe what happens as the needle is moved farther from the mirror.
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Height of the needle, $h_{1}=4.5 \mathrm{~cm}$
Object distance, $u=-12 \mathrm{~cm}$
Focal length of the convex mirror, $f=15 \mathrm{~cm}$
Image distance $=v$
The value of $v$ can be obtained using the mirror formula:
$$ \begin{aligned} & \frac{1}{u}+\frac{1}{v}=\frac{1}{f} \\ & \frac{1}{v}=\frac{1}{f}-\frac{1}{u} \\ & \quad=\frac{1}{15}+\frac{1}{12}=\frac{4+5}{60}=\frac{9}{60} \\ & \therefore v=\frac{60}{9}=6.7 \mathrm{~cm} \end{aligned} $$
Hence, the image of the needle is $6.7 \mathrm{~cm}$ away from the mirror. Also, it is on the other side of the mirror.
The image size is given by the magnification formula:
$$ \begin{aligned} m= & \frac{h_{2}}{h_{1}}=-\frac{v}{u} \\ \therefore h_{2} & =-\frac{v}{u} \times h_{1} \\ & =\frac{-6.7}{-12} \times 4.5=+2.5 \mathrm{~cm} \end{aligned} $$
Hence, magnification of the image, $m=\frac{h_{2}}{h_{1}}=\frac{2.5}{4.5}=0.56$
The height of the image is $2.5 \mathrm{~cm}$. The positive sign indicates that the image is erect, virtual, and diminished.
If the needle is moved farther from the mirror, the image will also move away from the mirror, and the size of the image will reduce gradually.
9.3 A tank is filled with water to a height of $12.5 \mathrm{~cm}$. The apparent depth of a needle lying at the bottom of the tank is measured by a microscope to be $9.4 \mathrm{~cm}$. What is the refractive index of water? If water is replaced by a liquid of refractive index 1.63 up to the same height, by what distance would the microscope have to be moved to focus on the needle again?
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Actual depth of the needle in water, $h_{1}=12.5 \mathrm{~cm}$
Apparent depth of the needle in water, $h_{2}=9.4 \mathrm{~cm}$
Refractive index of water $=\mu$
The value of $\mu$ can be obtained as follows:
$$ \begin{aligned} \mu & =\frac{h_{1}}{h_{2}} \\ & =\frac{12.5}{9.4} \approx 1.33 \end{aligned} $$
Hence, the refractive index of water is about 1.33.
Water is replaced by a liquid of refractive index, $\mu^{\prime}=1.63$
The actual depth of the needle remains the same, but its apparent depth changes. Let $y$ be the new apparent depth of the needle. Hence, we can write the relation:
$$ \begin{aligned} \mu^{\prime} & =\frac{h_{1}}{y} \\ \therefore y & =\frac{h_{1}}{\mu^{\prime}} \\ & =\frac{12.5}{1.63}=7.67 \mathrm{~cm} \end{aligned} $$
Hence, the new apparent depth of the needle is $7.67 \mathrm{~cm}$. It is less than $h_{2}$. Therefore, to focus the needle again, the microscope should be moved up.
$\therefore$ Distance by which the microscope should be moved up $=9.4-7.67$
$=1.73 \mathrm{~cm}$
9.4 Figures 9.27(a) and (b) show refraction of a ray in air incident at $60^{\circ}$ with the normal to a glass-air and water-air interface, respectively. Predict the angle of refraction in glass when the angle of incidence in water is $45^{\circ}$ with the normal to a water-glass interface [Fig. 9.27(c)].
FIGURE 9.27
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As per the given figure, for the glass - air interface:
Angle of incidence, $i=60^{\circ}$
Angle of refraction, $r=35^{\circ}$
The relative refractive index of glass with respect to air is given by Snell’s law as:
$$ \begin{align*} \mu_{\mathrm{g}}^{\mathrm{a}} & =\frac{\sin i}{\sin r} \\ & =\frac{\sin 60^{\circ}}{\sin 35^{\circ}}=\frac{0.8660}{0.5736}=1.51 \tag{1} \end{align*} $$
As per the given figure, for the air - water interface:
Angle of incidence, $i=60^{\circ}$
Angle of refraction, $r=47^{\circ}$
The relative refractive index of water with respect to air is given by Snell’s law as:
$$ \begin{align*} \mu_{\mathrm{w}}^{\mathrm{a}} & =\frac{\sin i}{\sin r} \\ & =\frac{\sin 60}{\sin 47}=\frac{0.8660}{0.7314}=1.184 \tag{2} \end{align*} $$
Using (1) and (2), the relative refractive index of glass with respect to water can be obtained as:
$$ \begin{aligned} \mu_{\mathrm{g}}^{\mathrm{w}} & =\frac{\mu_{\mathrm{g}}^{\mathrm{a}}}{\mu_{\mathrm{w}}^{\mathrm{a}}} \\ & =\frac{1.51}{1.184}=1.275 \end{aligned} $$
The following figure shows the situation involving the glass - water interface.
Angle of incidence, $i=45^{\circ}$
Angle of refraction $=r$
From Snell’s law, $r$ can be calculated as:
$$ \begin{aligned} & \frac{\sin i}{\sin r}=\mu_{\mathrm{g}}^{\mathrm{w}} \\ & \frac{\sin 45^{\circ}}{\sin r}=1.275 \\ & \sin r=\frac{\frac{1}{\sqrt{2}}}{1.275}=0.5546 \\ & \therefore r=\sin ^{-1}(0.5546)=38.68^{\circ} \end{aligned} $$
Hence, the angle of refraction at the water - glass interface is $38.68^{\circ}$.
9.5 A small bulb is placed at the bottom of a tank containing water to a depth of $80 \mathrm{~cm}$. What is the area of the surface of water through which light from the bulb can emerge out? Refractive index of water is 1.33. (Consider the bulb to be a point source.)
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Actual depth of the bulb in water, $d_{1}=80 \mathrm{~cm}=0.8 \mathrm{~m}$
Refractive index of water, $\mu=1.33$
The given situation is shown in the following figure:
Where,
$i=$ Angle of incidence
$r=$ Angle of refraction $=90^{\circ}$
Since the bulb is a point source, the emergent light can be considered as a circle of radius, $R=\frac{A C}{2}=A O=O B$
Using Snell’ law, we can write the relation for the refractive index of water as:
$$ \begin{aligned} & \mu=\frac{\sin r}{\sin i} \\ & 1.33=\frac{\sin 90^{\circ}}{\sin i} \\ & \therefore i=\sin ^{-1}\left(\frac{1}{1.33}\right)=48.75^{\circ} \end{aligned} $$
Using the given figure, we have the relation:
$\tan i=\frac{O C}{O B}=\frac{R}{d_{1}}$
$\therefore R=\tan 48.75^{\circ} \times 0.8=0.91 \mathrm{~m}$
$\therefore$ Area of the surface of water $=\pi R^{2}=\pi(0.91)^{2}=2.61 \mathrm{~m}^{2}$
Hence, the area of the surface of water through which the light from the bulb can emerge is approximately $2.61 \mathrm{~m}^{2}$.
9.6 A prism is made of glass of unknown refractive index. A parallel beam of light is incident on a face of the prism. The angle of minimum deviation is measured to be $40^{\circ}$. What is the refractive index of the material of the prism? The refracting angle of the prism is $60^{\circ}$. If the prism is placed in water (refractive index 1.33), predict the new angle of minimum deviation of a parallel beam of light.
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Angle of minimum deviation, $\delta_{\mathrm{m}}=40^{\circ}$
Angle of the prism, $A=60^{\circ}$
Refractive index of water, $\mu=1.33$
Refractive index of the material of the prism $=\mu^{\prime}$
The angle of deviation is related to refractive index $\left(\mu^{\prime}\right)$ as:
$$ \begin{aligned} \mu^{\prime} & =\frac{\sin \frac{\left(A+\delta_{m}\right)}{2}}{\sin \frac{A}{2}} \\ & =\frac{\sin \frac{\left(60^{\circ}+40^{\circ}\right)}{2}}{\sin \frac{60^{\circ}}{2}}=\frac{\sin 50^{\circ}}{\sin 30^{\circ}}=1.532 \end{aligned} $$
Hence, the refractive index of the material of the prism is 1.532 .
Since the prism is placed in water, let $\delta_{\mathrm{m}}{ }^{\prime}$ be the new angle of minimum deviation for the same prism.
The refractive index of glass with respect to water is given by the relation:
$$ \begin{aligned} & \mu_{\mathrm{g}}^{\mathrm{w}}=\frac{\mu^{\prime}}{\mu}=\frac{\sin \frac{\left(A+\delta_{\mathrm{m}}{ }^{\prime}\right)}{2}}{\sin \frac{A}{2}} \\ & \sin \frac{\left(A+\delta_{\mathrm{m}}{ }^{\prime}\right)}{2}=\frac{\mu^{\prime}}{\mu} \sin \frac{A}{2} \\ & \sin \frac{\left(A+\delta_{\mathrm{m}}{ }^{\prime}\right)}{2}=\frac{1.532}{1.33} \times \sin \frac{60^{\circ}}{2}=0.5759 \\ & \frac{\left(A+\delta_{\mathrm{m}}{ }^{\prime}\right)}{2}=\sin ^{-1} 0.5759=35.16^{\circ} \\ & 60^{\circ}+\delta_{\mathrm{m}}{ }^{\prime}=70.32^{\circ} \\ & \therefore \delta_{\mathrm{m}}{ }^{\circ}=70.32^{\circ}-60^{\circ}=10.32^{\circ} \end{aligned} $$
Hence, the new minimum angle of deviation is $10.32^{\circ}$.
9.7 Double-convex lenses are to be manufactured from a glass of refractive index 1.55, with both faces of the same radius of curvature. What is the radius of curvature required if the focal length is to be $20 \mathrm{~cm}$ ?
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Refractive index of glass, $\mu=1.55$
Focal length of the double-convex lens, $f=20 \mathrm{~cm}$
Radius of curvature of one face of the lens $=R_{1}$
Radius of curvature of the other face of the lens $=R_{2}$
Radius of curvature of the double-convex lens $=R$
$\therefore R_{1}=R$ and $R_{2}=-R$
The value of $R$ can be calculated as:
$$ \begin{aligned} & \frac{1}{f}=(\mu-1)\left[\frac{1}{R_{1}}-\frac{1}{R_{2}}\right] \\ & \frac{1}{20}=(1.55-1)\left[\frac{1}{R}+\frac{1}{R}\right] \\ & \frac{1}{20}=0.55 \times \frac{2}{R} \\ & \therefore R=0.55 \times 2 \times 20=22 \mathrm{~cm} \end{aligned} $$
Hence, the radius of curvature of the double-convex lens is $22 \mathrm{~cm}$.
9.8 A beam of light converges at a point P. Now a lens is placed in the path of the convergent beam $12 \mathrm{~cm}$ from $\mathrm{P}$. At what point does the beam converge if the lens is (a) a convex lens of focal length $20 \mathrm{~cm}$, and (b) a concave lens of focal length $16 \mathrm{~cm}$ ?
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In the given situation, the object is virtual and the image formed is real.
Object distance, $u=+12 \mathrm{~cm}$
Focal length of the convex lens, $f=20 \mathrm{~cm}$
Image distance $=v$
According to the lens formula, we have the relation:
$$ \begin{aligned} & \frac{1}{v}-\frac{1}{u}=\frac{1}{f} \\ & \frac{1}{v}-\frac{1}{12}=\frac{1}{20} \\ & \frac{1}{v}=\frac{1}{20}+\frac{1}{12}=\frac{3+5}{60}=\frac{8}{60} \\ & \therefore v=\frac{60}{8}=7.5 \mathrm{~cm} \end{aligned} $$
Hence, the image is formed $7.5 \mathrm{~cm}$ away from the lens, toward its right.
Focal length of the concave lens, $f=-16 \mathrm{~cm}$
Image distance $=v$
According to the lens formula, we have the relation:
$$ \begin{aligned} & \frac{1}{v}-\frac{1}{u}=\frac{1}{f} \\ & \frac{1}{v}=-\frac{1}{16}+\frac{1}{12}=\frac{-3+4}{48}=\frac{1}{48} \\ & \therefore v=48 \mathrm{~cm} \end{aligned} $$
Hence, the image is formed $48 \mathrm{~cm}$ away from the lens, toward its right.
9.9 An object of size $3.0 \mathrm{~cm}$ is placed $14 \mathrm{~cm}$ in front of a concave lens of focal length $21 \mathrm{~cm}$. Describe the image produced by the lens. What happens if the object is moved further away from the lens?
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Size of the object, $h_{1}=3 \mathrm{~cm}$
Object distance, $u=-14 \mathrm{~cm}$
Focal length of the concave lens, $f=-21 \mathrm{~cm}$
Image distance $=v$
According to the lens formula, we have the relation:
$$ \begin{aligned} & \frac{1}{v}-\frac{1}{u}=\frac{1}{f} \\ & \frac{1}{v}=-\frac{1}{21}-\frac{1}{14}=\frac{-2-3}{42}=\frac{-5}{42} \\ & \therefore v=-\frac{42}{5}=-8.4 \mathrm{~cm} \end{aligned} $$
Hence, the image is formed on the other side of the lens, $8.4 \mathrm{~cm}$ away from it. The negative sign shows that the image is erect and virtual.
The magnification of the image is given as:
$$ \begin{aligned} & m=\frac{\text { Image height }\left(h_{2}\right)}{\text { Object height }\left(h_{1}\right)}=\frac{v}{u} \\ & \therefore h_{2}=\frac{-8.4}{-14} \times 3=0.6 \times 3=1.8 \mathrm{~cm} \end{aligned} $$
Hence, the height of the image is $1.8 \mathrm{~cm}$.
If the object is moved further away from the lens, then the virtual image will move toward the focus of the lens, but not beyond it. The size of the image will decrease with the increase in the object distance.
9.10 What is the focal length of a convex lens of focal length $30 \mathrm{~cm}$ in contact with a concave lens of focal length $20 \mathrm{~cm}$ ? Is the system a converging or a diverging lens? Ignore thickness of the lenses.
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Focal length of the convex lens, $f_{1}=30 \mathrm{~cm}$
Focal length of the concave lens, $f_{2}=-20 \mathrm{~cm}$
Focal length of the system of lenses $=f$
The equivalent focal length of a system of two lenses in contact is given as:
$\frac{1}{f}=\frac{1}{f_{1}}+\frac{1}{f_{2}}$
$\frac{1}{f}=\frac{1}{30}-\frac{1}{20}=\frac{2-3}{60}=-\frac{1}{60}$
$\therefore f=-60 \mathrm{~cm}$
Hence, the focal length of the combination of lenses is $60 \mathrm{~cm}$. The negative sign indicates that the system of lenses acts as a diverging lens.
9.11 A compound microscope consists of an objective lens of focal length $2.0 \mathrm{~cm}$ and an eyepiece of focal length $6.25 \mathrm{~cm}$ separated by a distance of $15 \mathrm{~cm}$. How far from the objective should an object be placed in order to obtain the final image at (a) the least distance of distinct vision $(25 \mathrm{~cm})$, and (b) at infinity? What is the magnifying power of the microscope in each case?
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Focal length of the objective lens, $f_{1}=2.0 \mathrm{~cm}$
Focal length of the eyepiece, $f_{2}=6.25 \mathrm{~cm}$
Distance between the objective lens and the eyepiece, $d=15 \mathrm{~cm}$
Least distance of distinct vision, $d^{\prime}=25 \mathrm{~cm}$
$\therefore$ Image distance for the eyepiece, $v_{2}=-25 \mathrm{~cm}$
Object distance for the eyepiece $=u_{2}$
According to the lens formula, we have the relation:
$$ \begin{aligned} & \frac{1}{v_{2}}-\frac{1}{u_{2}}=\frac{1}{f_{2}} \\ & \frac{1}{u_{2}}=\frac{1}{v_{2}}-\frac{1}{f_{2}} \\ & \quad=\frac{1}{-25}-\frac{1}{6.25}=\frac{-1-4}{25}=\frac{-5}{25} \\ & \therefore u_{2}=-5 \mathrm{~cm} \end{aligned} $$
Image distance for the objective lens, $v_{1}=d+u_{2}=15-5=10 \mathrm{~cm}$
Object distance for the objective lens $=u_{1}$
According to the lens formula, we have the relation:
$$ \begin{aligned} & \frac{1}{v_{1}}-\frac{1}{u_{1}}=\frac{1}{f_{1}} \\ & \frac{1}{u_{1}}=\frac{1}{v_{1}}-\frac{1}{f_{1}} \\ & \quad=\frac{1}{10}-\frac{1}{2}=\frac{1-5}{10}=\frac{-4}{10} \\ & \therefore u_{1}=-2.5 \mathrm{~cm} \end{aligned} $$
Magnitude of the object distance, $\left|u_{1}\right|=2.5 \mathrm{~cm}$
The magnifying power of a compound microscope is given by the relation:
$$ \begin{aligned} m & =\frac{v_{1}}{\left|u_{1}\right|}\left(1+\frac{d^{\prime}}{f_{2}}\right) \\ & =\frac{10}{2.5}\left(1+\frac{25}{6.25}\right)=4(1+4)=20 \end{aligned} $$
Hence, the magnifying power of the microscope is 20 .
The final image is formed at infinity.
$\therefore$ Image distance for the eyepiece, ${ }^{v_{2}}=\infty$
Object distance for the eyepiece $=u_{2}$
According to the lens formula, we have the relation:
$$ \begin{aligned} & \frac{1}{v_{2}}-\frac{1}{u_{2}}=\frac{1}{f_{2}} \\ & \frac{1}{\infty}-\frac{1}{u_{2}}=\frac{1}{6.25} \\ & \therefore u_{2}=-6.25 \mathrm{~cm} \end{aligned} $$
Image distance for the objective lens, $v_{1}=d+u_{2}=15-6.25=8.75 \mathrm{~cm}$
Object distance for the objective lens $=u_{1}$
According to the lens formula, we have the relation:
$$ \begin{aligned} & \frac{1}{v_{1}}-\frac{1}{u_{1}}=\frac{1}{f_{1}} \\ & \frac{1}{u_{1}}=\frac{1}{v_{1}}-\frac{1}{f_{1}} \\ & \quad=\frac{1}{8.75}-\frac{1}{2.0}=\frac{2-8.75}{17.5} \\ & \therefore u_{1}=-\frac{17.5}{6.75}=-2.59 \mathrm{~cm} \end{aligned} $$
Magnitude of the object distance, $\left|u_{1}\right|=2.59 \mathrm{~cm}$
The magnifying power of a compound microscope is given by the relation:
$$ \begin{aligned} m & =\frac{v_{1}}{\left|u_{1}\right|}\left(\frac{d^{\prime}}{\left|u_{2}\right|}\right) \\ & =\frac{8.75}{2.59} \times \frac{25}{6.25}=13.51 \end{aligned} $$
Hence, the magnifying power of the microscope is 13.51 .
9.12 A person with a normal near point $(25 \mathrm{~cm})$ using a compound microscope with objective of focal length $8.0 \mathrm{~mm}$ and an eyepiece of focal length $2.5 \mathrm{~cm}$ can bring an object placed at $9.0 \mathrm{~mm}$ from the objective in sharp focus. What is the separation between the two lenses? Calculate the magnifying power of the microscope,
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Answer
Focal length of the objective lens, $f_{0}=8 \mathrm{~mm}=0.8 \mathrm{~cm}$
Focal length of the eyepiece, $f_{\mathrm{e}}=2.5 \mathrm{~cm}$
Object distance for the objective lens, $u_{0}=-9.0 \mathrm{~mm}=-0.9 \mathrm{~cm}$
Least distance of distant vision, $d=25 \mathrm{~cm}$
Image distance for the eyepiece, $v_{\mathrm{e}}=-d=-25 \mathrm{~cm}$
Object distance for the eyepiece $=u_{\mathrm{e}}$
Using the lens formula, we can obtain the value of $u_{\mathrm{e}}$ as:
$$ \begin{aligned} & \frac{1}{v_{\mathrm{e}}}-\frac{1}{u_{\mathrm{e}}}=\frac{1}{f_{\mathrm{e}}} \\ & \frac{1}{u_{\mathrm{e}}}=\frac{1}{v_{\mathrm{e}}}-\frac{1}{f_{\mathrm{e}}} \\ & =\frac{1}{-25}-\frac{1}{2.5}=\frac{-1-10}{25}=\frac{-11}{25} \\ & \therefore u_{\mathrm{e}}=-\frac{25}{11}=-2.27 \mathrm{~cm} \end{aligned} $$
We can also obtain the value of the image distance for the objective lens $\left(v_{o}\right)$ using the lens formula.
$$ \begin{aligned} & \frac{1}{v_{0}}-\frac{1}{u_{0}}=\frac{1}{f_{0}} \\ & \frac{1}{v_{0}}=\frac{1}{f_{0}}+\frac{1}{u_{0}} \\ & =\frac{1}{0.8}-\frac{1}{0.9}=\frac{0.9-0.8}{0.72}=\frac{0.1}{0.72} \\ & \therefore v_{0}=7.2 \mathrm{~cm} \end{aligned} $$
The distance between the objective lens and the eyepiece $=\left|u_{\mathrm{e}}\right|+v_{\mathrm{o}}$
$=2.27+7.2$
$=9.47 \mathrm{~cm}$
The magnifying power of the microscope is calculated as:
$$ \begin{aligned} & \frac{v_{\mathrm{o}}}{\left|u_{\mathrm{o}}\right|}\left(1+\frac{d}{f_{\mathrm{e}}}\right) \\ & =\frac{7.2}{0.9}\left(1+\frac{25}{2.5}\right)=8(1+10)=88 \end{aligned} $$
Hence, the magnifying power of the microscope is 88 .
9.13 A small telescope has an objective lens of focal length $144 \mathrm{~cm}$ and an eyepiece of focal length $6.0 \mathrm{~cm}$. What is the magnifying power of the telescope? What is the separation between the objective and the eyepiece?
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Focal length of the objective lens, $f_{\mathrm{o}}=144 \mathrm{~cm}$
Focal length of the eyepiece, $f_{\mathrm{e}}=6.0 \mathrm{~cm}$
The magnifying power of the telescope is given as:
$$ \begin{aligned} m & =\frac{f_{\mathrm{o}}}{f_{\mathrm{e}}} \\ & =\frac{144}{6}=24 \end{aligned} $$
The separation between the objective lens and the eyepiece is calculated as:
$$ \begin{aligned} & f_{\mathrm{o}}+f_{\mathrm{e}} \\ & =144+6=150 \mathrm{~cm} \end{aligned} $$
Hence, the magnifying power of the telescope is 24 and the separation between the objective lens and the eyepiece is $150 \mathrm{~cm}$.
9.14 (a) A giant refracting telescope at an observatory has an objective lens of focal length $15 \mathrm{~m}$. If an eyepiece of focal length $1.0 \mathrm{~cm}$ is used, what is the angular magnification of the telescope?
(b) If this telescope is used to view the moon, what is the diameter of the image of the moon formed by the objective lens? The diameter of the moon is $3.48 \times 10^{6} \mathrm{~m}$, and the radius of lunar orbit is $3.8 \times 10^{8} \mathrm{~m}$.
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Focal length of the objective lens, $f_{\mathrm{o}}=15 \mathrm{~m}=15 \times 10^{2} \mathrm{~cm}$
Focal length of the eyepiece, $f_{\mathrm{e}}=1.0 \mathrm{~cm}$
The angular magnification of a telescope is given as:
$$ \begin{aligned} \alpha & =\frac{f_{\mathrm{o}}}{f_{\mathrm{e}}} \\ & =\frac{15 \times 10^{2}}{1.0}=1500 \end{aligned} $$
Hence, the angular magnification of the given refracting telescope is 1500 .
Diameter of the moon, $d=3.48 \times 10^{6} \mathrm{~m}$
Radius of the lunar orbit, $r_{0}=3.8 \times 10^{8} \mathrm{~m}$
Let $d^{\prime}$ be the diameter of the image of the moon formed by the objective lens.
The angle subtended by the diameter of the moon is equal to the angle subtended by the image.
$$ \begin{aligned} & \frac{d}{r_{0}}=\frac{d^{\prime}}{f_{0}} \\ & \frac{3.48 \times 10^{6}}{3.8 \times 10^{8}}=\frac{d^{\prime}}{15} \\ & \therefore d^{\prime}=\frac{3.48}{3.8} \times 10^{-2} \times 15 \\ & \quad=13.74 \times 10^{-2} \mathrm{~m}=13.74 \mathrm{~cm} \end{aligned} $$
Hence, the diameter of the moon’s image formed by the objective lens is $13.74 \mathrm{~cm}$
9.15 Use the mirror equation to deduce that:
(a) an object placed between $f$ and $2 f$ of a concave mirror produces a real image beyond $2 f$.
(b) a convex mirror always produces a virtual image independent of the location of the object.
(c) the virtual image produced by a convex mirror is always diminished in size and is located between the focus and the pole.
(d) an object placed between the pole and focus of a concave mirror produces a virtual and enlarged image.
[Note: This exercise helps you deduce algebraically properties of images that one obtains from explicit ray diagrams.]
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For a concave mirror, the focal length $(f)$ is negative.
$\therefore f<0$
When the object is placed on the left side of the mirror, the object distance $(u)$ is negative.
$\therefore u<0$
For image distance $v$, we can write the lens formula as:
$\frac{1}{v}-\frac{1}{u}=\frac{1}{f}$
$\frac{1}{v}=\frac{1}{f}-\frac{1}{u}$
The object lies between $f$ and $2 f$.
$$ \begin{align*} & \therefore 2 f<u<f \quad(\because u \text { and } f \text { are negative }) \\ & \frac{1}{2 f}>\frac{1}{u}>\frac{1}{f} \\ & -\frac{1}{2 f}<-\frac{1}{u}<-\frac{1}{f} \\ & \frac{1}{f}-\frac{1}{2 f}<\frac{1}{f}-\frac{1}{u}<0 \tag{2} \end{align*} $$
Using equation (1), we get:
$\frac{1}{2 f}<\frac{1}{v}<0$
$$ \begin{aligned} & \therefore \frac{1}{v} \text { is negative, i.e., } v \text { is negative. } \\ & \frac{1}{2 f}<\frac{1}{v} \\ & 2 f>v \\ & -v>-2 f \end{aligned} $$
Therefore, the image lies beyond $2 f$.
For a convex mirror, the focal length $(f)$ is positive.
$\therefore f>0$
When the object is placed on the left side of the mirror, the object distance $(u)$ is negative.
$\therefore u<0$
For image distance $v$, we have the mirror formula:
$\frac{1}{v}+\frac{1}{u}=\frac{1}{f}$
$\frac{1}{v}=\frac{1}{f}-\frac{1}{u}$
Using equation (2), we can conclude that:
$\frac{1}{v}<0$
$v>0$
Thus, the image is formed on the back side of the mirror.
Hence, a convex mirror always produces a virtual image, regardless of the object distance.
For a convex mirror, the focal length $(f)$ is positive.
$\therefore f>0$
When the object is placed on the left side of the mirror, the object distance $(u)$ is negative, $\therefore u<0$
For image distance $v$, we have the mirror formula: $\frac{1}{v}+\frac{1}{u}=\frac{1}{f}$ $\frac{1}{v}=\frac{1}{f}-\frac{1}{u}$
But we have $u<0$
$\therefore \frac{1}{v}>\frac{1}{f}$
$v<f$
Hence, the image formed is diminished and is located between the focus $(f)$ and the pole.
For a concave mirror, the focal length $(f)$ is negative.
$\therefore f<0$
When the object is placed on the left side of the mirror, the object distance $(u)$ is negative.
$\therefore u<0$
It is placed between the focus $(f)$ and the pole.
$\therefore f>u>0$
$\frac{1}{f}<\frac{1}{u}<0$
$\frac{1}{f}-\frac{1}{u}<0$
For image distance $v$, we have the mirror formula:
$\frac{1}{v}+\frac{1}{u}=\frac{1}{f}$
$\frac{1}{v}=\frac{1}{f}-\frac{1}{u}$
$\therefore \frac{1}{v}<0$
$v>0$
The image is formed on the right side of the mirror. Hence, it is a virtual image.
For $u<0$ and $v>0$, we can write:
$\frac{1}{u}>\frac{1}{v}$
$v>u$
Magnification, $m=\frac{v}{u}$
Hence, the formed image is enlarged.
9.16 A small pin fixed on a table top is viewed from above from a distance of $50 \mathrm{~cm}$. By what distance would the pin appear to be raised if it is viewed from the same point through a $15 \mathrm{~cm}$ thick glass slab held parallel to the table? Refractive index of glass $=1.5$. Does the answer depend on the location of the slab?
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Actual depth of the pin, $d=15 \mathrm{~cm}$
Apparent dept of the pin $=d^{\prime}$
Refractive index of glass, $\mu=1.5$
Ratio of actual depth to the apparent depth is equal to the refractive index of glass, i.e.
$$ \begin{aligned} & \mu=\frac{d}{d^{\prime}} \\ & \therefore d^{\prime}=\frac{d}{\mu} \\ & \quad=\frac{15}{1.5}=10 \mathrm{~cm} \end{aligned} $$
The distance at which the pin appears to be raised $=d^{\prime}-d$
$$ =15-10=5 \mathrm{~cm} $$
For a small angle of incidence, this distance does not depend upon the location of the slab.
9.17 (a) Figure 9.28 shows a cross-section of a ’light pipe’ made of a glass fibre of refractive index 1.68. The outer covering of the pipe is made of a material of refractive index 1.44. What is the range of the angles of the incident rays with the axis of the pipe for which total reflections inside the pipe take place, as shown in the figure.
(b) What is the answer if there is no outer covering of the pipe?
FIGURE 9.28
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Refractive index of the glass fibre, $\mu_{1}=1.68$
Refractive index of the outer covering of the pipe, ${ }_{2}=1.44$
Angle of incidence $=i$
Angle of refraction $=r$
Angle of incidence at the interface $=i$
The refractive index $(\mu)$ of the inner core - outer core interface is given as:
$$ \begin{aligned} & \mu=\frac{\mu_{2}}{\mu_{1}}=\frac{1}{\sin i^{\prime}} \\ & \sin i^{\prime}=\frac{\mu_{1}}{\mu_{2}} \\ & \quad=\frac{1.44}{1.68}=0.8571 \\ & \therefore i^{\prime}=59^{\circ} \end{aligned} $$
For the critical angle, total internal reflection (TIR) takes place only when $i>i^{\prime}$, i.e., $i>$ $59^{\circ}$
Maximum angle of reflection, ${ }^{r_{\max }}=90^{\circ}-i^{\prime}=90^{\circ}-59^{\circ}=31^{\circ}$
Let, ${ }_{\max }$ be the maximum angle of incidence.
The refractive index at the air - glass interface, $\mu_{1}=1.68$
We have the relation for the maximum angles of incidence and reflection as:
$$ \begin{aligned} & \mu_{1}=\frac{\sin i_{\max }}{\sin r_{\max }} \\ & \sin i_{\max }=\mu_{1} \sin r_{\max } \\ & =1.68 \sin 31^{\circ} \\ & =1.68 \times 0.5150 \\ & =0.8652 \\ & \therefore i_{\max }=\sin ^{-1} 0.8652 \approx 60^{\circ} \end{aligned} $$
Thus, all the rays incident at angles lying in the range $0<i<60^{\circ}$ will suffer total internal reflection.
If the outer covering of the pipe is not present, then:
Refractive index of the outer pipe, $\mu_{1}=$ Refractive index of air $=1$
For the angle of incidence $i=90^{\circ}$, we can write Snell’s law at the air - pipe interface as:
$$ \begin{aligned} & \frac{\sin i}{\sin r}=\mu_{2}=1.68 \\ & \sin r=\frac{\sin 90^{\circ}}{1.68}=\frac{1}{1.68} \\ & r=\sin ^{-1}(0.5952) \\ & \quad=36.5^{\circ} \\ & \therefore i^{\prime}=90^{\circ}-36.5^{\circ}=53.5^{\circ} \end{aligned} $$
Since $i^{\prime}>r$, all incident rays will suffer total internal reflection.
9.18 The image of a small electric bulb fixed on the wall of a room is to be obtained on the opposite wall $3 \mathrm{~m}$ away by means of a large convex lens. What is the maximum possible focal length of the lens required for the purpose?
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Distance between the object and the image, $d=3 \mathrm{~m}$
Maximum focal length of the convex lens $=f_{\max }$
For real images, the maximum focal length is given as:
$$ \begin{aligned} f_{\max } & =\frac{d}{4} \\ & =\frac{3}{4}=0.75 \mathrm{~m} \end{aligned} $$
Hence, for the required purpose, the maximum possible focal length of the convex lens is $0.75 \mathrm{~m}$.
9.19 A screen is placed $90 \mathrm{~cm}$ from an object. The image of the object on the screen is formed by a convex lens at two different locations separated by $20 \mathrm{~cm}$. Determine the focal length of the lens.
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Distance between the image (screen) and the object, $D=90 \mathrm{~cm}$
Distance between two locations of the convex lens, $d=20 \mathrm{~cm}$
Focal length of the lens $=f$
Focal length is related to $d$ and $D$ as:
$$ \begin{aligned} f & =\frac{D^{2}-d^{2}}{4 D} \\ & =\frac{(90)^{2}-(20)^{2}}{4 \times 90}=\frac{770}{36}=21.39 \mathrm{~cm} \end{aligned} $$
Therefore, the focal length of the convex lens is $21.39 \mathrm{~cm}$.
9.20 (a) Determine the ’effective focal length’ of the combination of the two lenses in Exercise 9.10, if they are placed $8.0 \mathrm{~cm}$ apart with their principal axes coincident. Does the answer depend on which side of the combination a beam of parallel light is incident? Is the notion of effective focal length of this system useful at all?
(b) An object $1.5 \mathrm{~cm}$ in size is placed on the side of the convex lens in the arrangement (a) above. The distance between the object and the convex lens is $40 \mathrm{~cm}$. Determine the magnification produced by the two-lens system, and the size of the image.
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Focal length of the convex lens, $f_{1}=30 \mathrm{~cm}$
Focal length of the concave lens, $f_{2}=-20 \mathrm{~cm}$
Distance between the two lenses, $d=8.0 \mathrm{~cm}$
When the parallel beam of light is incident on the convex lens first:
According to the lens formula, we have:
$\frac{1}{v_{1}}-\frac{1}{u_{1}}=\frac{1}{f_{1}}$
Where,
$u_{1}=$ Object distance $=\infty$
$v_{1}=$ Image distance
$\frac{1}{v_{1}}=\frac{1}{30}-\frac{1}{\infty}=\frac{1}{30}$
$\therefore v_{1}=30 \mathrm{~cm}$
The image will act as a virtual object for the concave lens.
Applying lens formula to the concave lens, we have:
$\frac{1}{v_{2}}-\frac{1}{u_{2}}=\frac{1}{f_{2}}$
Where,
$u_{2}=$ Object distance
$=(30-d)=30-8=22 \mathrm{~cm}$
$v_{2}=$ Image distance
$\frac{1}{v_{2}}=\frac{1}{22}-\frac{1}{20}=\frac{10-11}{220}=\frac{-1}{220}$
$\therefore v_{2}=-220 \mathrm{~cm}$
The parallel incident beam appears to diverge from a point that is $\left(220-\frac{d}{2}=220-4\right) 216 \mathrm{~cm}$
from the centre of the combination of the two lenses.
(ii) When the parallel beam of light is incident, from the left, on the concave lens first:
According to the lens formula, we have:
$\frac{1}{v_{2}}-\frac{1}{u_{2}}=\frac{1}{f_{2}}$ $\frac{1}{v_{2}}=\frac{1}{f_{2}}+\frac{1}{u_{2}}$
Where,
$u_{2}=$ Object distance $=-\infty$
$v_{2}=$ Image distance
$\frac{1}{v_{2}}=\frac{1}{-20}+\frac{1}{-\infty}=-\frac{1}{20}$
$\therefore v_{2}=-20 \mathrm{~cm}$
The image will act as a real object for the convex lens.
Applying lens formula to the convex lens, we have:
$\frac{1}{v_{1}}-\frac{1}{u_{1}}=\frac{1}{f_{1}}$
Where,
$u_{1}=$ Object distance
$=-(20+d)=-(20+8)=-28 \mathrm{~cm}$
$v_{1}=$ Image distance
$\frac{1}{v_{1}}=\frac{1}{30}+\frac{1}{-28}=\frac{14-15}{420}=\frac{-1}{420}$
$\therefore v_{2}=-420 \mathrm{~cm}$
Hence, the parallel incident beam appear to diverge from a point that is $(420-4) 416 \mathrm{~cm}$ from the left of the centre of the combination of the two lenses.
The answer does depend on the side of the combination at which the parallel beam of light is incident. The notion of effective focal length does not seem to be useful for this combination.
Height of the image, $h_{1}=1.5 \mathrm{~cm}$
Object distance from the side of the convex lens, $u_{1}=-40 \mathrm{~cm}$
$\left|u_{1}\right|=40 \mathrm{~cm}$
According to the lens formula: $\frac{1}{v_{1}}-\frac{1}{u_{1}}=\frac{1}{f_{1}}$
Where,
$v_{1}=$ Image distance
$\frac{1}{v_{1}}=\frac{1}{30}+\frac{1}{-40}=\frac{4-3}{120}=\frac{1}{120}$
$\therefore v_{1}=120 \mathrm{~cm}$
Magnification, $\quad m=\frac{v_{1}}{\left|u_{1}\right|}$
$=\frac{120}{40}=3$
Hence, the magnification due to the convex lens is 3 .
The image formed by the convex lens acts as an object for the concave lens.
According to the lens formula:
$\frac{1}{v_{2}}-\frac{1}{u_{2}}=\frac{1}{f_{2}}$
Where,
$u_{2}=$ Object distance
$=+(120-8)=112 \mathrm{~cm}$.
$v_{2}=$ Image distance
$\frac{1}{v_{2}}=\frac{1}{-20}+\frac{1}{112}=\frac{-112+20}{2240}=\frac{-92}{2240}$
$\therefore v_{2}=\frac{-2240}{92} \mathrm{~cm}$
Magnification, $\quad m^{\prime}=\left|\frac{v_{2}}{u_{2}}\right|$
$=\frac{2240}{92} \times \frac{1}{112}=\frac{20}{92}$
Hence, the magnification due to the concave lens is $\frac{20}{92}$.
The magnification produced by the combination of the two lenses is calculated as:
$m \times m^{\prime}$
$=3 \times \frac{20}{92}=\frac{60}{92}=0.652$
The magnification of the combination is given as:
$\frac{h_{2}}{h_{1}}=0.652$ $h_{2}=0.652 \times h_{1}$
Where,
$h_{1}=$ Object size $=1.5 \mathrm{~cm}$
$h_{2}=$ Size of the image
$\therefore h_{2}=0.652 \times 1.5=0.98 \mathrm{~cm}$
Hence, the height of the image is $0.98 \mathrm{~cm}$.
9.21 At what angle should a ray of light be incident on the face of a prism of refracting angle $60^{\circ}$ so that it just suffers total internal reflection at the other face? The refractive index of the material of the prism is 1.524 .
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Answer
The incident, refracted, and emergent rays associated with a glass prism $\mathrm{ABC}$ are shown in the given figure.
Angle of prism, $\angle A=60^{\circ}$
Refractive index of the prism, $\mu=1.524$
$i_{1}=$ Incident angle
$r_{1}=$ Refracted angle
$r_{2}=$ Angle of incidence at the face AC
$e=$ Emergent angle $=90^{\circ}$
According to Snell’s law, for face AC, we can have:
$$ \begin{aligned} \frac{\sin e}{\sin r_{2}} & =\mu \\ \sin r_{2} & =\frac{1}{\mu} \times \sin 90^{\circ} \\ & =\frac{1}{1.524}=0.6562 \\ \therefore r_{2} & =\sin ^{-1} 0.6562 \approx 41^{\circ} \end{aligned} $$
It is clear from the figure that angle $A=r_{1}+r_{2}$
$\therefore r_{1}=A-r_{2}=60-41=19^{\circ}$
According to Snell’s law, we have the relation:
$$ \begin{aligned} & \mu=\frac{\sin i_{1}}{\sin r_{1}} \\ & \begin{aligned} \sin i_{1} & =\mu \sin r_{1} \\ & =1.524 \times \sin 19^{\circ}=0.496 \\ \therefore i_{1}= & 29.75^{\circ} \end{aligned} \end{aligned} $$
Hence, the angle of incidence is $29.75^{\circ}$.
9.22 A card sheet divided into squares each of size $1 \mathrm{~mm}^{2}$ is being viewed at a distance of $9 \mathrm{~cm}$ through a magnifying glass (a converging lens of focal length $9 \mathrm{~cm}$ ) held close to the eye.
(a) What is the magnification produced by the lens? How much is the area of each square in the virtual image?
(b) What is the angular magnification (magnifying power) of the lens?
(c) Is the magnification in (a) equal to the magnifying power in (b)? Explain.
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Answer
Area of each square, $A=1 \mathrm{~mm}^{2}$
Object distance, $u=-9 \mathrm{~cm}$
Focal length of a converging lens, $f=10 \mathrm{~cm}$
For image distance $v$, the lens formula can be written as:
$$ \begin{aligned} & \frac{1}{f}=\frac{1}{v}-\frac{1}{u} \\ & \frac{1}{10}=\frac{1}{v}+\frac{1}{9} \\ & \frac{1}{v}=-\frac{1}{90} \\ & \therefore v=-90 \mathrm{~cm} \end{aligned} $$
Magnification, $\quad m=\frac{v}{u}$
$$ =\frac{-90}{-9}=10 $$
$\therefore$ Area of each square in the virtual image $=(10)^{2} A$
$=10^{2} \times 1=100 \mathrm{~mm}^{2}$
$=1 \mathrm{~cm}^{2}$
Magnifying power of the lens
$$ =\frac{d}{|u|}=\frac{25}{9}=2.8 $$
The magnification in (a) is not the same as the magnifying power in (b).
The magnification magnitude is $\left(\left|\frac{v}{u}\right|\right)$ and the magnifying power is $\left(\frac{d}{|u|}\right)$.
The two quantities will be equal when the image is formed at the near point $(25 \mathrm{~cm})$.
9.23 (a) At what distance should the lens be held from the card sheet in Exercise 9.22 in order to view the squares distinctly with the maximum possible magnifying power?
(b) What is the magnification in this case?
(c) Is the magnification equal to the magnifying power in this case? Explain.
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Answer
The maximum possible magnification is obtained when the image is formed at the near point $(d=25 \mathrm{~cm})$.
Image distance, $v=-d=-25 \mathrm{~cm}$
Focal length, $f=10 \mathrm{~cm}$
Object distance $=u$
According to the lens formula, we have:
$$ \begin{aligned} \frac{1}{f} & =\frac{1}{v}-\frac{1}{u} \\ \frac{1}{u} & =\frac{1}{v}-\frac{1}{f} \\ & =\frac{1}{-25}-\frac{1}{10}=\frac{-2-5}{50}=-\frac{7}{50} \\ \therefore u & =-\frac{50}{7}=-7.14 \mathrm{~cm} \end{aligned} $$
Hence, to view the squares distinctly, the lens should be kept $7.14 \mathrm{~cm}$ away from them.
Magnification $=$
$$ \left|\frac{v}{u}\right|=\frac{25}{50}=3.5 $$
Magnifying power $=$
$$ \frac{d}{u}=\frac{25}{50}=3.5 $$
Since the image is formed at the near point $(25 \mathrm{~cm})$, the magnifying power is equal to the magnitude of magnification.
9.24 What should be the distance between the object in Exercise 9.23 and the magnifying glass if the virtual image of each square in the figure is to have an area of $6.25 \mathrm{~mm}^{2}$. Would you be able to see the squares distinctly with your eyes very close to the magnifier?
[Note: Exercises 9.22 to 9.24 will help you clearly understand the difference between magnification in absolute size and the angular magnification (or magnifying power) of an instrument.]
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Area of the virtual image of each square, $A=6.25 \mathrm{~mm}^{2}$
Area of each square, $A_{0}=1 \mathrm{~mm}^{2}$
Hence, the linear magnification of the object can be calculated as:
$$ \begin{aligned} m & =\sqrt{\frac{A}{A_{0}}} \\ & =\sqrt{\frac{6.25}{1}}=2.5 \end{aligned} $$
But $m=\frac{\text { Image distance }(v)}{\text { Object distance }(u)}$
$$ \begin{align*} \therefore v & =m u \\ & =2.5 u \tag{1} \end{align*} $$
Focal length of the magnifying glass, $f=10 \mathrm{~cm}$
According to the lens formula, we have the relation:
$$ \begin{aligned} & \frac{1}{f}=\frac{1}{v}-\frac{1}{u} \\ & \frac{1}{10}=\frac{1}{2.5 u}-\frac{1}{u}=\frac{1}{u}\left(\frac{1}{2.5}-\frac{1}{1}\right)=\frac{1}{u}\left(\frac{1-2.5}{2.5}\right) \\ & \therefore u=-\frac{1.5 \times 10}{2.5}=-6 \mathrm{~cm} \end{aligned} $$
And $v=2.5 u$
$$ =2.5 \times 6=-15 \mathrm{~cm} $$
The virtual image is formed at a distance of $15 \mathrm{~cm}$, which is less than the near point (i.e., $25 \mathrm{~cm}$ ) of a normal eye. Hence, it cannot be seen by the eyes distinctly.
9.25 Answer the following questions:
(a) The angle subtended at the eye by an object is equal to the angle subtended at the eye by the virtual image produced by a magnifying glass. In what sense then does a magnifying glass provide angular magnification?
(b) In viewing through a magnifying glass, one usually positions one’s eyes very close to the lens. Does angular magnification change if the eye is moved back?
(c) Magnifying power of a simple microscope is inversely proportional to the focal length of the lens. What then stops us from using a convex lens of smaller and smaller focal length and achieving greater and greater magnifying power?
(d) Why must both the objective and the eyepiece of a compound microscope have short focal lengths?
(e) When viewing through a compound microscope, our eyes should be positioned not on the eyepiece but a short distance away from it for best viewing. Why? How much should be that short distance between the eye and eyepiece?
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(a)Though the image size is bigger than the object, the angular size of the image is equal to the angular size of the object. A magnifying glass helps one see the objects placed closer than the least distance of distinct vision (i.e., $25 \mathrm{~cm}$ ). A closer object causes a larger angular size. A magnifying glass provides angular magnification. Without magnification, the object cannot be placed closer to the eye. With magnification, the object can be placed much closer to the eye.
Yes, the angular magnification changes. When the distance between the eye and a magnifying glass is increased, the angular magnification decreases a little. This is because the angle subtended at the eye is slightly less than the angle subtended at the lens. Image distance does not have any effect on angular magnification.
The focal length of a convex lens cannot be decreased by a greater amount. This is because making lenses having very small focal lengths is not easy. Spherical and chromatic aberrations are produced by a convex lens having a very small focal length.
The angular magnification produced by the eyepiece of a compound microscope is $\left[\left(\frac{25}{f_{\mathrm{e}}}\right)+1\right]$
Where,
$f_{\mathrm{e}}=$ Focal length of the eyepiece
It can be inferred that if $f_{\mathrm{e}}$ is small, then angular magnification of the eyepiece will be large.
The angular magnification of the objective lens of a compound microscope is given as
$$ \frac{1}{\left(\left|u_{\mathrm{o}}\right| f_{\mathrm{o}}\right)} $$
Where,
$u_{\mathrm{o}}=$ Object distance for the objective lens
$f_{\mathrm{o}}=$ Focal length of the objective
The magnification is large when $u_{\mathrm{o}}>f_{\mathrm{o}}$. In the case of a microscope, the object is kept close to the objective lens. Hence, the object distance is very little. Since ${ }^{u_{\mathrm{o}}}$ is small, $f_{\mathrm{o}}$ will be even smaller. Therefore, $f_{\mathrm{e}}$ and $f_{\mathrm{o}}$ are both small in the given condition.
(e)When we place our eyes too close to the eyepiece of a compound microscope, we are unable to collect much refracted light. As a result, the field of view decreases substantially. Hence, the clarity of the image gets blurred.
The best position of the eye for viewing through a compound microscope is at the eyering attached to the eyepiece. The precise location of the eye depends on the separation between the objective lens and the eyepiece.
9.26 An angular magnification (magnifying power) of $30 \mathrm{X}$ is desired using an objective of focal length $1.25 \mathrm{~cm}$ and an eyepiece of focal length $5 \mathrm{~cm}$. How will you set up the compound microscope?
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Focal length of the objective lens, $f_{\mathrm{o}}=1.25 \mathrm{~cm}$
Focal length of the eyepiece, $f_{\mathrm{e}}=5 \mathrm{~cm}$
Least distance of distinct vision, $d=25 \mathrm{~cm}$
Angular magnification of the compound microscope $=30 \mathrm{X}$
Total magnifying power of the compound microscope, $m=30$
The angular magnification of the eyepiece is given by the relation:
$$ \begin{aligned} m_{\mathrm{e}} & =\left(1+\frac{d}{f_{\mathrm{e}}}\right) \\ & =\left(1+\frac{25}{5}\right)=6 \end{aligned} $$
The angular magnification of the objective lens $\left(m_{\mathrm{o}}\right)$ is related to $m_{\mathrm{e}}$ as:
$$ \begin{aligned} & m_{\mathrm{o}} m_{\mathrm{e}}=m \\ & m_{\mathrm{o}}=\frac{m}{m_{\mathrm{e}}} \\ &= \frac{30}{6}=5 \end{aligned} $$
We also have the relation:
$m_{\mathrm{o}}=\frac{\text { Image distance for the objective lens }\left(v_{\mathrm{o}}\right)}{\text { Object distance for the objective lens }\left(-u_{\mathrm{o}}\right)}$
$5=\frac{v_{\mathrm{o}}}{-u_{\mathrm{o}}}$
$\therefore v_{\mathrm{o}}=-5 u_{\mathrm{o}}$
Applying the lens formula for the objective lens:
$$ \begin{aligned} & \frac{1}{f_{0}}=\frac{1}{v_{0}}-\frac{1}{u_{0}} \\ & \frac{1}{1.25}=\frac{1}{-5 u_{0}}-\frac{1}{u_{0}}=\frac{-6}{5 u_{\mathrm{o}}} \\ & \begin{aligned} \therefore u_{\mathrm{o}} & =\frac{-6}{5} \times 1.25=-1.5 \mathrm{~cm} \\ \text { And } v_{\mathrm{o}} & =-5 u_{\mathrm{o}} \\ & =-5 \times(-1.5)=7.5 \mathrm{~cm} \end{aligned} \end{aligned} $$
The object should be placed $1.5 \mathrm{~cm}$ away from the objective lens to obtain the desired magnification.
Applying the lens formula for the eyepiece:
$\frac{1}{v_{\mathrm{e}}}-\frac{1}{u_{\mathrm{e}}}=\frac{1}{f_{\mathrm{e}}}$
Where,
$v_{\mathrm{e}}=$ Image distance for the eyepiece $=-d=-25 \mathrm{~cm}$
$u_{\mathrm{e}}=$ Object distance for the eyepiece
$$ \begin{aligned} & \frac{1}{u_{\mathrm{e}}}=\frac{1}{v_{\mathrm{e}}}-\frac{1}{f_{\mathrm{e}}} \\ & =\frac{-1}{25}-\frac{1}{5}=-\frac{6}{25} \\ & \therefore u_{\mathrm{e}}=-4.17 \mathrm{~cm} \end{aligned} $$
Separation between the objective lens and the eyepiece $=\left|u_{\mathrm{e}}\right|+\left|v_{\mathrm{o}}\right|$
$$ \begin{aligned} & =4.17+7.5 \\ & =11.67 \mathrm{~cm} \end{aligned} $$
Therefore, the separation between the objective lens and the eyepiece should be $11.67 \mathrm{~cm}$.
9.27 A small telescope has an objective lens of focal length $140 \mathrm{~cm}$ and an eyepiece of focal length $5.0 \mathrm{~cm}$. What is the magnifying power of the telescope for viewing distant objects when
(a) the telescope is in normal adjustment (i.e., when the final image is at infinity)?
(b) the final image is formed at the least distance of distinct vision $(25 \mathrm{~cm})$ ?
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# Content Missing9.28 (a) For the telescope described in Exercise 9.27 (a), what is the separation between the objective lens and the eyepiece?
(b) If this telescope is used to view a $100 \mathrm{~m}$ tall tower $3 \mathrm{~km}$ away, what is the height of the image of the tower formed by the objective lens?
(c) What is the height of the final image of the tower if it is formed at $25 \mathrm{~cm}$ ?
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# Content Missing9.29 A Cassegrain telescope uses two mirrors as shown in Fig. 9.26. Such a telescope is built with the mirrors $20 \mathrm{~mm}$ apart. If the radius of curvature of the large mirror is $220 \mathrm{~mm}$ and the small mirror is $140 \mathrm{~mm}$, where will the final image of an object at infinity be?
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Focal length of the objective lens, $f_{\mathrm{o}}=140 \mathrm{~cm}$
Focal length of the eyepiece, $f_{\mathrm{e}}=5 \mathrm{~cm}$
In normal adjustment, the separation between the objective lens and the eyepiece $=f_{\mathrm{o}}+f_{\mathrm{e}}=140+5=145 \mathrm{~cm}$
Height of the tower, $h_{1}=100 \mathrm{~m}$
Distance of the tower (object) from the telescope, $u=3 \mathrm{~km}=3000 \mathrm{~m}$
The angle subtended by the tower at the telescope is given as:
$$ \begin{aligned} \theta & =\frac{h_{1}}{u} \\ & =\frac{100}{3000}=\frac{1}{30} \mathrm{rad} \end{aligned} $$
The angle subtended by the image produced by the objective lens is given as:
$$ \theta=\frac{h_{2}}{f_{0}}=\frac{h_{2}}{140} \mathrm{rad} $$
Where,
$h_{2}=$ Height of the image of the tower formed by the objective lens
$$ \begin{aligned} & \frac{1}{30}=\frac{h_{2}}{140} \\ & \therefore h_{2}=\frac{140}{30}=4.7 \mathrm{~cm} \end{aligned} $$
Therefore, the objective lens forms a $4.7 \mathrm{~cm}$ tall image of the tower.
Image is formed at a distance, $d=25 \mathrm{~cm}$
The magnification of the eyepiece is given by the relation:
$$ \begin{aligned} m & =1+\frac{d}{f_{\mathrm{e}}} \\ & =1+\frac{25}{5}=1+5=6 \end{aligned} $$
Height of the final image $=m h_{2}=6 \times 4.7=28.2 \mathrm{~cm}$
Hence, the height of the final image of the tower is $28.2 \mathrm{~cm}$.
9.30 Light incident normally on a plane mirror attached to a galvanometer coil retraces backwards as shown in Fig. 9.29. A current in the coil produces a deflection of $3.5^{\circ}$ of the mirror. What is the displacement of the reflected spot of light on a screen placed $1.5 \mathrm{~m}$ away?
FIGURE 9.29
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Angle of deflection, $\theta=3.5^{\circ}$
Distance of the screen from the mirror, $D=1.5 \mathrm{~m}$
The reflected rays get deflected by an amount twice the angle of deflection i.e., $2 \theta=7.0^{\circ}$
The displacement $(d)$ of the reflected spot of light on the screen is given as:
$\tan 2 \theta=\frac{d}{1.5}$
$\therefore d=1.5 \times \tan 7^{\circ}=0.184 \mathrm{~m}=18.4 \mathrm{~cm}$
Hence, the displacement of the reflected spot of light is $18.4 \mathrm{~cm}$.
9.31 Figure 9.30 shows an equiconvex lens (of refractive index 1.50) in contact with a liquid layer on top of a plane mirror. A small needle with its tip on the principal axis is moved along the axis until its inverted image is found at the position of the needle. The distance of the needle from the lens is measured to be $45.0 \mathrm{~cm}$. The liquid is removed and the experiment is repeated. The new distance is measured to be $30.0 \mathrm{~cm}$. What is the refractive index of the liquid?
FIGURE 9.30
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Focal length of the convex lens, $f_{1}=30 \mathrm{~cm}$
The liquid acts as a mirror. Focal length of the liquid $=f_{2}$
Focal length of the system (convex lens + liquid), $f=45 \mathrm{~cm}$
For a pair of optical systems placed in contact, the equivalent focal length is given as:
$$ \begin{aligned} & \frac{1}{f}=\frac{1}{f_{1}}+\frac{1}{f_{2}} \\ & \begin{aligned} \frac{1}{f_{2}} & =\frac{1}{f}-\frac{1}{f_{1}} \\ & =\frac{1}{45}-\frac{1}{30}=-\frac{1}{90} \\ \therefore f_{2} & =-90 \mathrm{~cm} \end{aligned} \end{aligned} $$
Let the refractive index of the lens be ${ }^{\mu_{1}}$ and the radius of curvature of one surface be $R$. Hence, the radius of curvature of the other surface is $-R$.
$R$ can be obtained using the relation:
$$ \begin{aligned} & \frac{1}{f_{1}}=\left(\mu_{1}-1\right)\left(\frac{1}{R}+\frac{1}{-R}\right) \\ & \frac{1}{30}=(1.5-1)\left(\frac{2}{R}\right) \\ & \therefore R=\frac{30}{0.5 \times 2}=30 \mathrm{~cm} \end{aligned} $$
Let ${ }^{\mu_{2}}$ be the refractive index of the liquid.
Radius of curvature of the liquid on the side of the plane mirror $=\infty$
Radius of curvature of the liquid on the side of the lens, $R=-30 \mathrm{~cm}$
The value of ${ }^{\mu_{2}}$ can be calculated using the relation:
$\frac{1}{f_{2}}=\left(\mu_{2}-1\right)\left[\frac{1}{-R}-\frac{1}{\infty}\right]$
$\frac{-1}{90}=\left(\mu_{2}-1\right)\left[\frac{1}{+30}-0\right]$
$\mu_{2}-1=\frac{1}{3}$
$\therefore \mu_{2}=\frac{4}{3}=1.33$
Hence, the refractive index of the liquid is 1.33 .
9.1 भूमिका
प्रकृति ने मानव नेत्र (दृष्टि पटल) को वैद्युतचुंबकीय स्पेक्ट्रम के एक छोटे परिसर में वैद्युत चुंबकीय तरंगों को सुग्राहिता सहित संसूचित कर सकने योग्य बनाया है। इस वैद्युतचुंबकीय स्पेक्ट्रम से संबंधित विकिरणों (तरंगदैर्घ्य लगभग $400 \mathrm{~nm}$ से $750 \mathrm{~nm}$ ) को प्रकाश कहते हैं। मुख्य रूप से प्रकाश एवं दृष्टि की संवेदना के कारण ही हम अपने चारों ओर के संसार को समझते एवं उसकी व्याख्या करते हैं।
अपने सामान्य अनुभव से हम प्रकाश के विषय में अपनी अंतदृष्टि द्वारा दो बातों का उल्लेख कर सकते हैं। पहली, यह अत्यधिक तीव्र चाल से गमन करता है तथा, दूसरी, यह सरल रेखा में गमन करता है। इस तथ्य को पूर्ण रूप से समझने में लोगों को कुछ समय लगा कि प्रकाश की चाल (c) परिमित है तथा इसे मापा जा सकता है। वर्तमान में, इसका निर्वात में मान्य मान $c=2.99792458 \times 10^{8} \mathrm{~m} \mathrm{~s}^{-1}$ है। अनेक प्रयोजनों के लिए, इसका मान $c=3 \times 10^{8} \mathrm{~m} \mathrm{~s}^{-1}$ पर्याप्त है। निर्वात में प्रकाश की चाल प्रकृति में प्राप्य उच्चतम चाल है।
हमारी अंतर्दर्शी धारणा कि प्रकाश सरल रेखा में गमन करता है, (जो कुछ हमने अध्याय 8 में सीखा था) का खंडन करती प्रतीत होती है क्योंकि वहाँ हमने प्रकाश को वैद्युतचुंबकीय तरंग माना था जिसकी तरंगदैर्घ्य स्पेक्ट्रम के दृश्य भाग में होती है। इन दोनों तथ्यों में सामंजस्य कैसे स्थापित किया जाए? इसका उत्तर यह है कि दैनिक जीवन की सामान्य वस्तुओं के साइज़ (व्यापक रूप में कुछ सेंटीमीटर की कोटि अथवा इससे अधिक) की तुलना में प्रकाश की तरंगदैर्घ्य काफ़ी कम होती है। जैसा कि आप अध्याय 10 में सीखेंगे, इस स्थिति में, प्रकाश तरंग को एक बिंदु से दूसरे बिंदु तक किसी सरल रेखा के अनुदिश गमन करते हुए माना जा सकता है। इस पथ को प्रकाश किरण कहते हैं तथा इसी प्रकार की किरणों के समूह से प्रकाश-पुंज बनता है।
इस अध्याय में, हम प्रकाश के किरण रूप का उपयोग करते हुए, प्रकाश के परावर्तन, अपवर्तन तथा विक्षेपण की परिघटनाओं के बारे में विचार करेंगे। परावर्तन तथा अपवर्तन के मूल नियमों का उपयोग करते हुए हम समतल तथा गोलीय परावर्ती एवं अपवर्ती पृष्ठों द्वारा प्रतिबिंबों की रचना का अध्ययन करेंगे। तत्पश्चात हम मानव नेत्र सहित कुछ महत्वपूर्ण प्रकाशिक यंत्रों की रचना एवं कार्य विधि का वर्णन करेंगे।
9.2 गोलीय दर्पणों द्वारा प्रकाश का परावर्तन
चित्र 9.1 आपतित किरण, परावर्तित किरण तथा परावर्तक पृष्ठ के आपतन बिंदु पर अभिलंब एक ही तल में होते हैं।
हम परावर्तन के नियमों से परिचित हैं। परावर्तन कोण (अर्थात, परावर्तित किरण तथा परावर्तक पृष्ठ अथवा दर्पण के आपतन बिंदु पर अभिलंब के बीच का कोण), आपतन कोण (आपतित किरण तथा दर्पण के आपतन बिंदु अभिलंब के बीच का कोण) के बराबर होता है। इसके अतिरिक्त, आपतित किरण, परावर्तित किरण तथा परावर्तक पृष्ठ के आपतन बिंदु पर अभिलंब एक ही समतल में होते हैं (चित्र 9.1)। ये नियम किसी भी परावर्तक पृष्ठ, चाहे वह समतल हो या वक्रित हो, के प्रत्येक बिंदु के लिए वैध हैं। तथापि, हम अपने विवेचन को वक्रित पृष्ठों की विशेष स्थिति, अर्थात गोलीय पृष्ठों तक ही सीमित रखेंगे। इस स्थिति में अभिलंब खींचने का तात्पर्य, पृष्ठ के आपतन बिंदु पर खींचे गए स्पर्शी पर लंब खींचना है। इसका अर्थ यह हुआ कि अभिलंब वक्रता त्रिज्या के अनुदिश अर्थात आपतन बिंदु को दर्पण के वक्रता केंद्र से मिलाने वाली रेखा पर है।
हम पहले ही अध्ययन कर चुके हैं कि गोलीय दर्पण का ज्यामितीय केंद्र इसका ध्रुव कहलाता है, जबकि गोलीय लेंस के ज्यामितीय केंद्र को प्रकाशिक केंद्र कहते हैं। गोलीय दर्पण के ध्रुव तथा वक्रता केंद्र को मिलाने वाली सरल रेखा मुख्य अक्ष कहलाती है। गोलीय लेंसों में जैसा कि आप बाद में देखेंगे, प्रकाशिक केंद्र को मुख्य फोकस से मिलाने वाली रेखा मुख्य अक्ष कहलाती है।
9.2.1 चिह्न परिपाटी
चित्र 9.2 कार्तीय चिह्न परिपाटी।
गोलीय दर्पणों द्वारा परावर्तन तथा गोलीय लेंसों द्वारा अपवर्तन के लिए प्रासंगिक सूत्र व्युत्पन्न करने के लिए, सर्वप्रथम हमें दूरियाँ मापने के लिए कोई चि्न परिपाटी अपनानी होगी। इस पुस्तक में हम कार्तीय चिह्न परिपाटी (cartesian sign convention) का पालन करेंगे। इस परिपाटी के अनुसार वस्तु को दर्पण/लेंस के बायीं ओर रखते हैं तथा सभी दूरियाँ दर्पण के ध्रुव अथवा लेंस के प्रकाशिक केंद्र से मापी जाती हैं। आपतित प्रकाश की दिशा में मापी गई दूरियाँ धनात्मक मानी जाती हैं तथा जो दूरियाँ आपतित प्रकाश की दिशा के विपरीत दिशा में मापी जाती हैं वे ऋणात्मक मानी जाती हैं (चित्र 9.2)। धनात्मक मानी जाती हैं (चित्र 9.2)। अधोमुखी मापित ऊँचाइयों को ऋणात्मक लिया जाता है।
सामान्य मान्य परिपाटी के साथ हमें गोलीय दर्पणों के लिए एकल सूत्र तथा गोलीय लेंसों के लिए एकल सूत्र मिल जाते हैं तथा इन सूत्रों द्वारा हम विभिन्न स्थितियों का निपटान कर सकते हैं।
9.2.2 गोलीय दर्पणों की फोकस दूरी
चित्र 9.3 में दर्शाया गया है कि जब कोई समांतर प्रकाश-पुंज किसी (a) अवतल दर्पण तथा (b) उत्तल दर्पण, पर आपतित होता है तो क्या होता है। हम यहाँ यह मानते हैं कि किरणें उपाक्षीय (paraxial) हैं, अर्थात वे दर्पण के ध्रुव $\mathrm{P}$ के निकट के बिंदुओं पर आपतित हैं तथा मुख्य अक्ष से छोटे कोण बनाती हैं। परावर्तित किरणें अवतल दर्पण के मुख्य अक्ष पर बिंदु $\mathrm{F}$ पर अभिसरित होती हैं [चित्र 9.3 (a)]। उत्तल दर्पण के लिए, परावर्तित किरणें इसके मुख्य अक्ष पर बिंदु $F$ से अपसरित होती प्रतीत होती हैं [चित्र 9.3 (b)]। बिंदु $\mathrm{F}$ दर्पण का मुख्य फ़ोकस कहलाता है। यदि समांतर उपाक्षीय प्रकाश-पुंज अक्ष से कोई कोण बनाते हुए दर्पण पर आपतित होता है तो परावर्तित किरणें मुख्य अक्ष के बिंदु $\mathrm{F}$ से गुज़रने वाले तथा मुख्य अक्ष के अभिलंबवत तल के किसी बिंदु पर अभिसरित (अथवा उस बिंदु से अपसरित होती प्रतीत) होंगी। इस तल को दर्पण का फ़ोकस समतल कहते हैं [चित्र 9.3 (c)]।
चित्र 9.3 अवतल तथा उत्तल दर्पण के फोकस।
दर्पण के फ़ोकस $\mathrm{F}$ तथा ध्रुव $\mathrm{P}$ के बीच की दूरी दर्पण की फ़ोकस दूरी कहलाती है तथा इसे $f$ द्वारा निर्दिष्ट किया जाता है। अब हम यह दर्शाते हैं कि $f=R / 2$, यहाँ $R$ दर्पण की वक्रता त्रिज्या है। किसी आपतित प्रकाश किरण के परावर्तन की ज्यामिति चित्र 9.4 में दर्शायी गई है।
चित्र 9.4 (a) अवतल गोलीय दर्पण, तथा (b) उत्तल गोलीय दर्पण, पर किसी आपतित किरण के परावर्तन की ज्यामिति।
मान लीजिए $\mathrm{C}$ दर्पण का वक्रता केंद्र है। मुख्य अक्ष के समांतर एक प्रकाश किरण पर विचार कीजिए जो दर्पण से $M$ पर टकराती है। तब $C M$ बिंदु $M$ पर दर्पण पर अभिलंब होगा। मान लीजिए $\theta$ आपतन कोण है तथा $\mathrm{MD}$ बिंदु $\mathrm{M}$ से मुख्य अक्ष पर लंब है। तब,
$$\angle \mathrm{MCP}=\theta \text { तथा } \angle \mathrm{MFP}=2 \theta$$
अब,
$$ \begin{equation*} \tan \theta=\frac{\mathrm{MD}}{\mathrm{CD}} \text { तथा } \tan 2 \theta=\frac{\mathrm{MD}}{\mathrm{FD}} \tag{9.1} \end{equation*} $$
$\theta$ के लघु मानों के लिए, जो कि उपाक्षीय किरणों के लिए सत्य है, $\tan \theta \approx \theta, \tan 2 \theta \approx 2 \theta$ इसलिए समीकरण (9.1) से प्राप्त होता है
$$ \begin{equation*} \frac{\mathrm{MD}}{\mathrm{FD}}=2 \frac{\mathrm{MD}}{\mathrm{CD}} \tag{9.2} \end{equation*} $$
अथवा,
$$\mathrm{FD}=\frac{\mathrm{CD}}{2} {(9.3)} $$
अथवा, $\theta$ के लघु मान के लिए, बिंदु $\mathrm{D}$ बिंदु $\mathrm{P}$ के बहुत निकट है, इसलिए $\mathrm{FD}=f$ तथा $\mathrm{CD}=R$ । अतः समीकरण (9.2) से प्राप्त होता है $f=R / 2$
9.2.3 दर्पण समीकरण
चित्र 9.5 किसी अवतल दर्पण द्वारा प्रतिबिंब रचना का किरण आरेख
यदि किसी बिंदु से आरंभ होकर प्रकाश किरणें परावर्तन तथा/अथवा अपवर्तन के पश्चात किसी अन्य बिंदु पर मिलती हैं तो वह बिंदु पहले बिंदु का प्रतिबिंब कहलाता है। यदि किरणें वास्तव में इस बिंदु पर अभिसरित होती हैं तो प्रतिबिंब वास्तविक होता है। इसके विपरीत, यदि किरणें वास्तव में नहीं मिलतीं, परंतु पीछे की ओर बढ़ाए जाने पर उस बिंदु से अपसरित होती प्रतीत होती हैं तो वह प्रतिबिंब आभासी होता है। इस प्रकार किसी वस्तु का परावर्तन तथा/अथवा अपवर्तन द्वारा स्थापित प्रतिबिंब उस वस्तु का बिंदु-दर-बिंदु तदनुरूप होता है।
सिद्धांत रूप में, हम वस्तु के किसी बिंदु से निकलने वाली कोई दो किरणें ले सकते हैं, उनके पथ अनुरेखित करते हैं, उनका प्रतिच्छेद बिंदु ज्ञात करते हैं और इस प्रकार, किसी गोलीय दर्पण द्वारा परावर्तन के कारण बना किसी बिंदु का प्रतिबिंब प्राप्त करते हैं। तथापि, व्यवहार में निम्नलिखित किरणों में से कोई सी दो किरणें लेना सुविधाजनक होता है:
(i) किसी बिंदु से आने वाली वह किरण जो मुख्य अक्ष के समांतर है। परावर्तित किरण दर्पण के फ़ोकस से गुज़रती है।
(ii) वह किरण जो किसी अवतल दर्पण के वक्रता केंद्र से गुज़रती है अथवा उत्तल दर्पण के वक्रता केंद्र से जाती प्रतीत होती है। परावर्तित किरण केवल अपना पथ पुनः अनुरेखित करती है।
(iii) वह किरण जो किसी अवतल दर्पण के मुख्य फ़ोकस से गुज़रती है अथवा उत्तल दर्पण के मुख्य फ़ोकस से गुज़रती (की ओर दिष्ट) प्रतीत होती है। परावर्तित किरण मुख्य अक्ष के समांतर गमन करती है।
(iv) कोई किरण जो ध्रुव पर किसी भी कोण पर आपतित होती है। परावर्तित किरण, परावर्तन के नियमों का पालन करती है।
चित्र 9.5 बिंब के बिंदु $A$ से निकलने वाली तीन किरणों को ध्यान में रखकर किरण-आरेख दर्शाता है। इसमें अवतल दर्पण द्वारा बनाया गया बिंब $\mathrm{AB}$ का प्रतिबिंब $\mathrm{A}^{\prime} \mathrm{B}^{\prime}$ (इस स्थिति में वास्तविक) दर्शाया गया है। इसका यह अर्थ नहीं है कि बिंदु $\mathrm{A}$ से केवल तीन किरणें ही निकलती हैं। किसी भी स्रोत से सभी दिशाओं में अनंत किरणें निकलती हैं। अतः यदि बिंदु $A$ से निकलने वाली प्रत्येक किरण, अवतल दर्पण द्वारा परावर्तन के पश्चात बिंदु $A^{\prime}$ से होकर गुज़रती है तो बिंदु $A^{\prime}$ बिंदु $A$ का वास्तविक प्रतिबिंब है।
अब हम दर्पण समीकरण अथवा बिंब दूरी $(u)$, प्रतिबिंब दूरी $(v)$ तथा फ़ोकस दूरी $(f)$ के बीच संबंध व्युत्पन्न करेंगे।
चित्र 9.5 से, दोनों समकोण त्रिभुज $\mathrm{A}^{\prime} \mathrm{B}^{\prime} \mathrm{F}$ तथा $\mathrm{MPF}$ समरूप हैं। (उपाक्षीय किरणों के लिए, MP को सरल रेखा $\mathrm{CP}$ के लंबवत माना जा सकता है।) अत:
$$ \frac{\mathrm{B}^{\prime} \mathrm{A}^{\prime}}{\mathrm{PM}}=\frac{\mathrm{B}^{\prime} \mathrm{F}}{\mathrm{FP}} $$
$$ \text {अथवा }\frac{\mathrm{B}^{\prime} \mathrm{A}^{\prime}}{\mathrm{BA}}=\frac{\mathrm{B}^{\prime} \mathrm{F}}{\mathrm{FP}}(\mathrm{QPM}=\mathrm{AB})$$
क्योंकि $\angle \mathrm{APB}=\angle \mathrm{A}^{\prime} \mathrm{PB}^{\prime}$, समकोण त्रिभुज $\mathrm{A}^{\prime} \mathrm{B}^{\prime} \mathrm{P}$ तथा $\mathrm{ABP}$ भी समरूप हैं। अतः
$$ \begin{equation*} \frac{\mathrm{B}^{\prime} \mathrm{A}^{\prime}}{\mathrm{B} \mathrm{A}}=\frac{\mathrm{B}^{\prime} \mathrm{P}}{\mathrm{BP}} \tag{9.5} \end{equation*} $$
समीकरण (9.4) तथा (9.5) की तुलना करने पर हमें प्राप्त होगा
$$ \begin{equation*} \frac{\mathrm{B}^{\prime} \mathrm{F}}{\mathrm{FP}}=\frac{\mathrm{B}^{\prime} \mathrm{P}-\mathrm{FP}}{\mathrm{FP}}=\frac{\mathrm{B}^{\prime} \mathrm{P}}{\mathrm{BP}} \tag{9.6} \end{equation*} $$
समीकरण (9.6) में दूरियों के परिमाण सम्मिलित हैं। अब हम चिह्न परिपाटी को लागू करते हैं। हम नोट करते हैं कि प्रकाश बिंब से दर्पण MPN की ओर गमन करता है। इस प्रकार इस दिशा को धनात्मक लिया जाता है। ध्रुव $P$ से बिंब $A B$, प्रतिबिंब $A^{\prime} B^{\prime}$ तथा फ़ोकस $F$ तक पहुँचने के लिए हमें आपतित प्रकाश की दिशा के विपरीत दिशा में गमन करना पड़ता है। इसलिए, इन तीनों के चिह्न ॠणात्मक होंगे। अत:
$$ \mathrm{B}^{\prime} \mathrm{P}=-v, \mathrm{FP}=-f, \mathrm{BP}=-u $$
समीकरण (9.6) में इनका उपयोग करने पर प्राप्त होता है
$$ \frac{-v+f}{-f}=\frac{-v}{-u} $$
अथवा
$$\frac{v-f}{f}=\frac{v}{u}$$
$$ \frac{v}{f}=1+\frac{v}{u} $$
इसे $v$ से भाग देने पर हमें प्राप्त होगा
$$ \begin{equation*} \frac{1}{v}+\frac{1}{u}=\frac{1}{f} \tag{9.7} \end{equation*} $$
यह संबंध दर्पण समीकरण कहलाता है।
वस्तु के साइज़ के सापेक्ष प्रतिबिंब का साइज़ भी एक महत्वपर्ण विचारणीय राशि है। हम किसी दर्पण के रैखिक आवर्धन $(m)$ को प्रतिबिंब के साइज़ $\left(h^{\prime}\right)$ तथा बिंब के साइज़ $(h)$ के अनुपात के रूप में परिभाषित करते हैं। अत:
$$ \begin{equation*} m=\frac{h^{\prime}}{h} \tag{9.8} \end{equation*} $$
$h$ तथा $h^{\prime}$ को मान्य चिह्न परिपाटी के अनुसार धनात्मक अथवा ऋणात्मक लिया जाएगा। त्रिभुजों $\mathrm{A}^{\prime} \mathrm{B}^{\prime} \mathrm{P}$ तथा $\mathrm{ABP}$, में हमें मिलता है,
$$ \frac{\mathrm{B}^{\prime} \mathrm{A}^{\prime}}{\mathrm{BA}}=\frac{\mathrm{B}^{\prime} \mathrm{P}}{\mathrm{BP}} $$
चिह्न परिपाटी लगाने पर, यह हो जाएगा
$$ \frac{-h^{\prime}}{h}=\frac{-v}{-u} $$
इस प्रकार
$$ \begin{equation*} m=\frac{h^{\prime}}{h}=-\frac{v}{u} \tag{9.9} \end{equation*} $$
यहाँ पर हमने दर्पण समीकरण [समीकरण (9.7)] तथा आवर्धन सूत्र [समीकरण (9.9)] अवतल दर्पण द्वारा बने वास्तविक तथा उलटे प्रतिबिंब के लिए व्युत्पन्न किए हैं। परंतु वास्तव में उचित चिह्न परिपाटी का उपयोग करने पर, ये संबंध गोलीय दर्पणों (अवतल तथा उत्तल) द्वारा परावर्तन के सभी उदाहरणों (चाहे प्रतिबिंब वास्तविक बने या आभासी) पर लागू होते हैं। चित्र 9.6 में अवतल तथा उत्तल दर्पण द्वारा आभासी प्रतिबिबों की रचना के किरण-आरेख दर्शाए गए हैं। आप स्वयं यह सत्यापित कर सकते हैं कि समीकरण (9.7) तथा (9.9) इन उदाहरणों के लिए भी मान्य हैं।
चित्र 9.6 (a) अवतल दर्पण द्वारा प्रतिबिंब की रचना जबकि बिंब बिंदु $\mathrm{P}$ तथा $\mathrm{F}$ के बीच स्थित है, तथा (b) उत्तल दर्पण द्वारा प्रतिबिंब की रचना।
उदाहरण 9.1 मान लीजिए चित्र 9.5 में दर्शाए अवतल दर्पण के परावर्तक पृष्ठ के नीचे का आधा भाग किसी अपारदर्शी (अपरावर्ती) पदार्थ से ढक दिया गया है। दर्पण के सामने स्थित किसी बिंब के दर्पण द्वारा बने प्रतिबिंब पर इसका क्या प्रभाव पड़ेगा?
हल आप सोच सकते हैं कि प्रतिबिंब में बिंब का आधा भाग दिखाई देगा। परंतु यह मानते हुए कि परावर्तन के नियम दर्पण के शेष भाग पर भी लागू होते हैं, अतः दर्पण द्वारा बिंब का पूर्ण प्रतिबिंब बनेगा। तथापि, क्योंकि परावर्ती पृष्ठ का क्षेत्रफल कम हो गया है। इसलिए प्रतिबिंब की तीव्रता कम हो जाएगी (इस उदाहरण में आधी)।
उदाहरण 9.2 किसी अवतल दर्पण के मुख्य अक्ष पर एक मोबाइल फोन रखा है। उचित किरण आरेख द्वारा प्रतिबिंब की रचना दर्शाइए। व्याख्या कीजिए कि आवर्धन एकसमान क्यों नहीं है। क्या प्रतिबिंब की विकृति दर्पण के सापेक्ष फोन की स्थिति पर निर्भर करती है?
चित्र 9.7
हल चित्र 9.7 में फ़ोन के प्रतिबिंब की रचना का प्रकाश-किरण आरेख दर्शाया गया है। मुख्य अक्ष के लंबवत समतल में स्थित भाग का प्रतिबिंब उसी समतल में होगा। यह उसी साइज़ का होगा, अर्थात $\mathrm{B}^{\prime} \mathrm{C}=\mathrm{BC}$ । आप स्वयं ही पूर्ण रूप से समझ सकते हैं कि प्रतिबिंब में विकृति क्यों है?
उदाहरण 9.3 कोई वस्तु $15 \mathrm{~cm}$ वक्रता त्रिज्या के अवतल दर्पण से (i) $10 \mathrm{~cm}$ तथा (ii) $5 \mathrm{~cm}$ दूरी पर रखी है। प्रत्येक स्थिति में प्रतिबिंब की स्थिति, प्रकृति तथा आवर्धन परिकलित कीजिए।
हल
फोकस दूरी $f=-15 / 2 \mathrm{~cm}=-7.5 \mathrm{~cm}$
(i) बिंब दूरी $u=-10 \mathrm{~cm}$ । तब समीकरण (9.7) से प्राप्त होगा
$$ \frac{1}{v}+\frac{1}{-10}=\frac{1}{-7.5} $$
अथवा
$$ v=\frac{10 \times 7.5}{-2.5}=-30 \mathrm{~cm} $$
प्रतिबिंब बिंब की दिशा में दर्पण से $30 \mathrm{~cm}$ दूरी पर बनेगा। आवर्धन
$$m=-\frac{v}{u}=-\frac{(-30)}{(-10)}=-3$$
प्रतिबिंब आवर्धित, वास्तविक तथा उलटा है।
(ii) बिंब दूरी $u=-5 \mathrm{~cm}$ तब समीकरण (9.7) से
$$ \begin{aligned} & \frac{1}{v}+\frac{1}{-5}=\frac{1}{-7.5} \\ & \text { अथवा } v=\frac{5 \times 7.5}{(7.5-5)}=15 \mathrm{~cm} \end{aligned} $$
प्रतिबिंब दर्पण के पीछे $15 \mathrm{~cm}$ दूरी पर बनता है। यह प्रतिबिंब आभासी है।
$$ \text { आवर्धन } m=-\frac{v}{u}=-\frac{15}{(-5)}=3 $$
यह प्रतिबिंब आवर्धित, आभासी तथा सीधा है।
उदाहरण 9.4 मान लीजिए कि आप किसी स्थिर कार में बैठे हैं। आप $2 \mathrm{~m}$ वक्रता त्रिज्या के पार्श्व दृश्य दर्पण में किसी धावक को अपनी ओर आता हुआ देखते हैं। यदि धावक $5 \mathrm{~m} \mathrm{~s}^{-1}$ की चाल से दौड़ रहा हो, तो उसका प्रतिबिंब कितनी चाल से दौड़ता प्रतीत होगा जबकि धावक (a) $39 \mathrm{~m}$, (b) $29 \mathrm{~m}$, (c) $19 \mathrm{~m}$, तथा (d) $9 \mathrm{~m}$ दूर है।
हल दर्पण समीकरण (9.7), से हमें प्राप्त होता है $v=\frac{f u}{u-f}$ उत्तल दर्पण के लिए, क्योंकि $R=2 \mathrm{~m}, f=1 \mathrm{~m}$. तब $u=-39 \mathrm{~m}, v=\frac{(-39) \times 1}{-39-1}=\frac{39}{40} \mathrm{~m}$
क्योंकि धावक $5 \mathrm{~m} \mathrm{~s}^{-1}$ की अपरिवर्ती चाल से चलता है, $1 \mathrm{~s}$ के पश्चात $(u=-39+5=-34 \mathrm{~m})$ के लिए प्रतिबिंब की स्थिति $v$ होगी $(34 / 35) \mathrm{m}$, अतः $1 \mathrm{~s}$ में प्रतिबिंब की स्थिति में विस्थापन होगा
$$ \frac{39}{40}-\frac{34}{35}=\frac{1365-1360}{1400}=\frac{5}{1400}=\frac{1}{280} \mathrm{~m} $$
इसलिए जब धावक दर्पण से $39 \mathrm{~m}$ तथा $34 \mathrm{~m}$ के बीच में है, तो प्रतिबिंब की औसत चाल है (1/280) $\mathrm{m} \mathrm{s}^{-1}$
इसी प्रकार यह देखा जा सकता है कि जब $u=-29 \mathrm{~m},-19 \mathrm{~m}$ तथा $-9 \mathrm{~m}$ है तब जिस चाल से प्रतिबिंब गति करता प्रतीत होगा वह क्रमशः
$$ \frac{1}{150} \mathrm{~m} \mathrm{~s}^{-1}, \frac{1}{60} \mathrm{~m} \mathrm{~s}^{-1} \text { तथा } \frac{1}{10} \mathrm{~m} \mathrm{~s}^{-1} \text { होंगी। } $$
यद्यपि धावक एक अपरिवर्ती चाल से गतिमान है तथापि धावक दर्पण के जैसे-जैसे निकट आएगा उसके प्रतिबिंब की चाल में पर्याप्त वृद्धि प्रतीत होती जाएगी। यह परिघटना किसी स्थिर कार अथवा स्थिर बस में बैठा कोई भी व्यक्ति देख सकता है। यदि पीछे से आने वाला वाहन एक अपरिवर्ती चाल से लगातार पास आ रहा हो तो, चलते हुए वाहनों में इसी प्रकार की परिघटना देखी जा सकती है।
9.3 अपवर्तन
जब किसी पारदर्शी माध्यम में गमन करता कोई प्रकाश किरण-पुंज किसी दूसरे पारदर्शी माध्यम से टकराता है, तो प्रकाश का एक भाग पहले माध्यम में वापस परावर्तित हो जाता है। जबकि शेष भाग दूसरे माध्यम में प्रवेश करता है। हम प्रायः किसी किरण-पुंज को प्रकाश की किरण द्वारा निरूपित करते हैं। जब कोई प्रकाश की किरण एक माध्यम से दूसरे माध्यम में तिर्यक आपतित $\left(0^{\circ}<\mathrm{i}<90^{\circ}\right)$ होकर गमन करती है तो दोनों माध्यमों के अंतरापृष्ठ पर इसके संचरण की दिशा परिवर्तित हो जाती है। इस परिघटना को प्रकाश का अपवर्तन कहते हैं। स्नेल ने प्रयोगों द्वारा अपवर्तन के निम्नलिखित नियम प्रतिपादित किए।
चित्र 9.8 प्रकाश का अपवर्तन तथा परावर्तन।
(i) आपतित किरण, अपवर्तित किरण तथा अंतरापृष्ठ के आपतन बिंदु पर अभिलंब, एक ही समतल में होते हैं।
(ii) किन्हीं दो माध्यमों के युगल के लिए, आपतन कोण की ज्या (sine) तथा अपवर्तन कोण की ज्या का अनुपात एक स्थिरांक होता है। याद रखिए, आपतन कोण $(i)$ तथा अपवर्तन कोण $(r)$ वे कोण हैं जो आपतित किरण तथा अपवर्तित किरण क्रमशः अभिलंब के साथ बनाती हैं। अत:
$$ \begin{equation*} \frac{\sin i}{\sin r}=n _{21} \tag{9.10} \end{equation*} $$
यहाँ $n _{21}$ एक स्थिरांक है, जिसे पहले माध्यम के सापेक्ष दूसरे माध्यम का अपवर्तनांक कहते हैं। समीकरण (9.10) अपवर्तन के स्नेल के नियम के नाम से जानी जाती है। ध्यान देने योग्य बात यह है कि $n _{21}$ दो माध्यम के युगल का अभिलक्षण है (तथा यह प्रकाश की तरंगदैर्घ्य पर भी निर्भर करता है), परंतु यह आपतन कोण पर निर्भर नहीं करता।
समीकरण (9.10) से यदि $n _{21}>1, r<i$, अर्थात अपवर्तित किरण अभिलंब की ओर मुड़ जाती है। इस दशा में माध्यम 2 को माध्यम 1 की तुलना में प्रकाशतः सघन (अथवा संक्षेप में, सघन) माध्यम कहते हैं। इसके विपरीत यदि $n _{21}<1, r>i$, तो अपवर्तित किरण अभिलंब से दूर मुड़ती है। यह वह स्थिति है जिसमें आपतित किरण किसी सघन माध्यम से गमन करती हुई विरल माध्यम में अपवर्तित होती है।
नोट : प्रकाशिक घनत्व तथा द्रव्यमान घनत्व के बीच भ्रम उत्पन्न नहीं होना चाहिए। द्रव्यमान घनत्व एकांक आयतन का द्रव्यमान है। यह संभव है कि किसी प्रकाशिक सघन माध्यम का द्रव्यमान घनत्व प्रकाशिक विरल माध्यम के द्रव्यमान घनत्व से कम हो (प्रकाशिक घनत्व दो माध्यमों में प्रकाश की चाल का अनुपात है)। उदाहरण के लिए, तारपीन का तेल तथा जल। तारपीन के तेल का द्रव्यमान घनत्व जल के द्रव्यमान घनत्व से कम होता है। लेकिन इसका प्रकाशिक घनत्व अधिक होता है।
यदि $n _{21}$ माध्यम 2 का माध्यम 1 के सापेक्ष अपवर्तनांक है तथा $n _{12}$ माध्यम 1 का माध्यम 2 के सापेक्ष अपवर्तनांक है, तब यह स्पष्ट है कि
$$ \begin{equation*} n _{12}=\frac{1}{n _{21}} \tag{9.11} \end{equation*} $$
चित्र 9.9 समांतर फलकों के स्लैब से अपवर्तित किसी प्रकाश किरण का पार्शिवक विस्थापन।
यदि $n _{32}$ माध्यम 3 का माध्यम 2 के सापेक्ष अपवर्तनांक है तो यह भी स्पष्ट है कि $n _{32}=n _{31} \times n _{12}$, यहाँ $n _{31}$ माध्यम चित्र 9.9 समांतर फलकों के स्लैब से अपवर्तित किसी प्रकाश किरण का पार्शिवक विस्थापन। 3 का माध्यम 1 के सापेक्ष अपवर्तनांक है।
अपवर्तन के नियमों पर आधारित कुछ प्रारंभिक परिणाम तुरंत प्राप्त किए जा सकते हैं। किसी आयताकार स्लैब में, अपवर्तन दो अंतरापृष्ठों पर होता है (वायु-काँच तथा काँच-वायु)। चित्र 9.9 द्वारा यह आसानी से देखा जा सकता है कि $r _{2}=i _{1}$, अर्थात निर्गत किरण आपतित किरण के समांतर होती है-आपतित किरण के सापेक्ष निर्गत किरण में कोई विचलन नहीं होता, परंतु इसमें आपतित किरण के सापेक्ष पार्शिवक विस्थापन हो जाता है। एक दूसरा सुपरिचित प्रेक्षण यह भी है कि जल से भरे किसी तालाब की पेंदी ऊपर उठी प्रतीत होती है (चित्र 9.10)। अभिलंबवत दिशा के निकट से देखने पर यह दर्शाया जा सकता है कि आभासी गहराई $\left(h _{1}\right)$ वास्तविक गहराई $\left(h _{2}\right)$ को माध्यम (जल) के अपवर्तनांक से विभाजित करने पर प्राप्त होती है।
चित्र 9.10 (a) अभिलंबवत, तथा (b) तिर्यक दर्शन के लिए आभासी गहराई।
9.4 पूर्ण आंतरिक परावर्तन
जब प्रकाश किसी प्रकाशतः सघन माध्यम से प्रकाशतः विरल माध्यम में गमन करता है, तब अंतरापृष्ठ पर वह अंशतः वापस उसी माध्यम में परावर्तित हो जाता है तथा अंशतः दूसरे माध्यम में अपवर्तित हो जाता है। इस परावर्तन को आंतरिक परावर्तन कहते हैं।
जब कोई प्रकाश किरण सघन माध्यम से विरल माध्यम में प्रवेश करती है तो यह अभिलंब से दूर मुड़ जाती है, उदाहरणार्थ, चित्र 9.11 में किरण $\mathrm{AO} _{1} \mathrm{~B}$ आपतित किरण $A O _{1}$ अंशतः परावर्तित $\left(O _{1} \mathrm{C}\right)$ तथा अंशतः पारगमित अथवा अपवर्तित $\left(\mathrm{O} _{1} \mathrm{~B}\right)$ होती है, तथा अपवर्तन कोण $(r)$ आपतन कोण $(i)$ से अधिक होता है। जैसे-जैसे आपतन कोण में वृद्धि होती है, अपवर्तन कोण में भी वृद्धि होती है, जब तक कि किरण $\mathrm{AO} _{3}$ के लिए अपवर्तन कोण का मान $\pi / 2\left(90^{\circ}\right)$ हो जाए। अपवर्तित किरण अभिलंब से इतनी अधिक मुड़ जाती है कि वह दोनों माध्यमों के अंतरापृष्ठ को छूने लगती है। इसे चित्र 9.11 में किरण $\mathrm{AO} _{3} \mathrm{D}$ द्वारा दर्शाया गया है। यदि आपतन कोण में इससे अधिक वृद्धि की जाती है (उदाहरण के लिए किरण $\mathrm{AO} _{4}$ ) तो अपवर्तन संभव नहीं होता तथा आपतित किरण पूर्णतः परावर्तित हो जाती है। इसे पूर्ण आंतरिक परावर्तन कहते हैं। जब किसी पृष्ठ द्वारा प्रकाश परावर्तित होता है तो सामान्यतः इसका कुछ भाग पारगमित हो जाता है। इसलिए परावर्तक पृष्ठ चाहे जितना भी चिकना क्यों न हो, परावर्तित किरण सदैव आपतित किरण से कम तीव्रता की होती है। दूसरी ओर पूर्ण आंतरिक परावर्तन में प्रकाश का कोई पारगमन नहीं होता।
चित्र 9.11 सघन माध्यम (जल) तथा विरल माध्यम (वायु) के अंतरापृष्ठ पर बिंदु $\mathrm{A}$ (सघन माध्यम में) से विभिन्न कोणों पर आपतित किरणों का अपवर्तन तथा पूर्ण आंतरिक परावर्तन।
वह आपतन कोण जिसका तदनुरूपी अपवर्तन कोण $90^{\circ}$ होता है, जैसे $\angle \mathrm{AO} _{3} \mathrm{~N}$, दिए हुए माध्यमों के युगल के लिए क्रांतिक कोण $\left(i _{c}\right)$ कहलाता है। स्नेल के नियम [समीकरण (9.10)] के अनुसार हम देखते हैं कि यदि अपवर्तक माध्यम का आपेक्षिक अपवर्तनांक एक से कम है, तो क्योंकि $\sin r$ का अधिकतम मान एक होता है, अतः $\sin i$ के मान की कोई ऊपरी सीमा है जिस तक यह नियम लागू किया जा सकता है। यह है $i=i _{c}$ इस प्रकार
$$ \begin{equation*} \sin i _{c}=n _{21} \tag{9.12} \end{equation*} $$
$i$ के $i _{c}$ से अधिक मानों के लिए स्नेल के अपवर्तन के नियम को लागू नहीं किया जा सकता, अतः कोई अपवर्तन संभव नहीं होता।
सघन माध्यम 1 का विरल माध्यम 2 के सापेक्ष अपवर्तनांक होगा $n _{12}=1 / \sin i _{\mathrm{c}}$ । सारणी 9.1 में कुछ प्ररूपी क्रांतिक कोणों को सूचीबद्ध किया गया है।
सारणी 9.1 कुछ पारदर्शी माध्यमों का वायु के सापेक्ष क्रांतिक कोण
पदार्थ माध्यम | अपवर्तनांक | क्रांतिक कोण |
---|---|---|
जल | 1.33 | 48.75 |
क्राउन काँच | 1.52 | 41.14 |
सघन फ्लिंट काँच | 1.62 | 37.31 |
हीरा | 2.42 | 24.41 |
पूर्ण आंतरिक परावर्तन के लिए एक प्रदर्शन
सभी प्रकाशिक परिघटनाओं को आजकल आसानी से उपलब्ध लेसर टॉर्च या संकेतक का प्रयोग करके बड़ी सरलता से प्रदर्शित किया जा सकता है। एक काँच का बीकर लीजिए जिसमें स्वच्छ जल भरा हो। जल में दूध या किसी अन्य निलंबन की कुछ बूँदें मिलाकर हिलाइए जिससे जल थोड़ा आविल हो जाए। एक लेसर संकेतक लीजिए और इसके किरण-पुंज को आविल जल से गुज़ारिए। आप देखेंगे कि जल के अंदर किरण-पुंज का पथ चमकीला दिखाई देता है।
चित्र 9.12 लेसर किरण-पुंज से जल में पूर्ण आंतरिक परावर्तन का प्रेक्षण करना (काँच का बीकर अत्यंत पतला होने के कारण इसमें होने वाले अपवर्तन को नगण्य माना गया है)।
किरण-पुंज को बीकर के नीचे से इस प्रकार डालिए कि यह दूसरे सिरे पर जल के ऊपरी पृष्ठ पर टकराए। क्या आप देख पाते हैं कि इसमें आंशिक परावर्तन (जो मेज़ के नीचे एक बिंदु के रूप में दिखाई देगा) तथा आंशिक अपवर्तन (जो वायु में निकलकर छत पर एक बिंदु के रूप में दिखाई देगा) तथा आंशिक अपवर्तन (जो वायु में निकलकर छत पर एक बिंदु के रूप में दिखाई देता है ) होता है [चित्र 9.12 (a)] ? अब लेसर किरण-पुंज को बीकर के एक ओर से इस प्रकार डालिए कि यह जल के ऊपरी पृष्ठ पर तिर्यक टकराए [चित्र 9.12 (b)]। लेसर किरण-पुंज की दिशा को इस प्रकार समायोजित कीजिए कि आपको ऐसा कोण प्राप्त हो जाए जिससे जल के पृष्ठ के ऊपर अपवर्तन पूर्ण रूप से समाप्त हो जाए तथा किरण-पुंज पूर्ण रूप से जल में वापस परावर्तित हो जाए। यह सरलतम रूप में पूर्ण आंतरिक परावर्तन है।
इस जल को एक लंबी परखनली में उलटिए तथा लेसर प्रकाश को इसके ऊपर से डालिए जैसा कि चित्र 9.12 (c) में दर्शाया गया है। लेसर किरण-पुंज की दिशा को इस प्रकार समायोजित कीजिए कि प्रत्येक बार जब यह परखनली की दीवारों से टकराए तो इसका पूर्ण आंतरिक परावर्तन हो। यह दृश्य ऐसा ही है जैसा कि प्रकाशिक तंतुओं में होता है।
ध्यान रखिए कि लेसर किरण-पुंज में कभी भी सीधा न देखें और न ही इसे किसी के चेहरे पर डालें।
9.4.1 प्रकृति में पूर्ण आंतरिक परावर्तन तथा इसके प्रौद्योगिकीय अनुप्रयोग
चित्र 9.13 किरणों को $\pi / 2$ तथा $\pi$ पर मोड़ने के लिए या प्रतिबिंब के साइज़ में परिवर्तन किए बगैर उलटने के लिए डिज़ाइन किए गए प्रिज्मों में पूर्ण आंतरिक परावर्तन का उपयोग किया जाता है।
(i) प्रिज़्म : प्रकाश को $90^{\circ}$ अथवा $180^{\circ}$ पर मोड़ने के लिए डिज़ाइन किए गए प्रिज्मों में पूर्ण आंतरिक परावर्तन का उपयोग किया जाता है [चित्र 9.13 (a) तथा (b)]। ऐसे प्रिज़्म को प्रतिबिंब के साइज़ में बिना कोई परिवर्तन किए उलटने के लिए भी प्रयोग किया जाता है [चित्र 9.13 (c)]। पहली दो स्थितियों के लिए, प्रिज्म के पदार्थ के क्रांतिक कोण $i _{c}$ को $45^{\circ}$ से कम होना चाहिए। सारणी 9.1 देखने पर हम यह पाते हैं कि दोनों ही प्रकार के काँच क्राउन तथा फ़्लिंट के लिए यह सत्य है।
(ii) प्रकाशिक तंतु : आजकल प्रकाशिक तंतुओं का, श्रव्य तथा दृश्य संकेतों को लंबी दूरी तक संचरित करने के लिए व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है। प्रकाशिक तंतुओं में भी पूर्ण आंतरिक परावर्तन की परिघटना का उपयोग किया जाता है। प्रकाशिक तंतु उच्च गुणता के संयुक्त काँच/क्वार्ट्ज़ तंतुओं से रचित किया जाता है। प्रत्येक तंतु में एक क्रोड (core) तथा आच्छद (cladding) होता है। क्रोड के पदार्थ का अपवर्तनांक आच्छद के अपवर्तनांक की तुलना में अधिक होता है।
जब प्रकाश के रूप में कोई संकेत उचित कोण पर तंतु के एक सिरे पर दिष्ट होता है तब यह उसकी लंबाई के अनुदिश बार-बार पूर्ण आंतरिक परावर्तित होता है तथा अंततः दूसरे सिरे से बाहर निकल आता है (चित्र 9.14)। क्योंकि प्रत्येक चरण में प्रकाश का पूर्ण आंतरिक परावर्तन होता है इसलिए प्रकाश संकेत की तीव्रता में कोई विशेष हानि नहीं होती। प्रकाश तंतु इस प्रकार बनाए जाते हैं कि एक ओर के आंतरिक पृष्ठ पर परावर्तित होने के पश्चात दूसरे पृष्ठ पर प्रकाश क्रांतिक कोण से अधिक कोण पर आपतित होता है। यहाँ तक कि तंतु में मुड़ाव होने पर भी प्रकाश तंतु के भीतर उसकी लंबाई के अनुदिश सरलतापूर्वक गमन कर सकता है। इस प्रकार एक प्रकाश तंतु प्रकाशित पाइप (लाइट पाइप) के रूप में प्रयोग किया जा सकता है।
चित्र 9.14 जब प्रकाश किसी प्रकाशिक तंतु में चलता है तो इसका क्रमिक पूर्ण आंतरिक परावर्तन होता है।
प्रकाशिक तंतुओं के बंडल (गुच्छ) का कई प्रकार से उपयोग किया जा सकता है। प्रकाशिक तंतुओं का बड़े पैमाने पर वैद्युत संकेतों, जिन्हें उचित ट्रांसड्यूरों द्वारा प्रकाश में परिवर्तित कर लेते हैं, के प्रेषण तथा अभिग्रहण में उपयोग किया जाता है। स्पष्ट है कि प्रकाशिक तंतुओं का उपयोग प्रकाशिक संकेत प्रेषण के लिए भी किया जा सकता है। उदाहरण के लिए, इन्हें आंतरिक अंगों; जैसे- ग्रसिका, आमाशय तथा आंत्रों के दृश्य अवलोकन के लिए ‘लाइट पाइप’ के रूप में प्रयोग किया जाता है। आपने सामान्य रूप से उपलब्ध महीन प्लास्टिक तंतुओं से बने सजावटी लैंप देखे होंगे। इन प्लास्टिक के तंतुओं के स्वतंत्र सिरे एक फव्वारे जैसी संरचना बनाते हैं। इन तंतुओं का दूसरा सिरा एक विद्युत लैंप के ऊपर जुड़ा होता है। जब लैंप के स्विच को ‘ऑन’ करते हैं, तो प्रकाश प्रत्येक तंतु के नीचे से चलता हुआ इसके स्वतंत्र सिरे की नोक पर एक प्रकाश बिंदु के रूप में दिखाई देता है। इस प्रकार के सजावटी लैंपों के तंतु प्रकाशिक तंतु हैं।
प्रकाशिक तंतुओं के निर्माण में प्रमुख आवश्यकता यह है कि इनके भीतर लंबी दूरियाँ तय करते समय प्रकाश का अवशोषण बहुत कम होना चाहिए। इसे क्वार्ट्ज़ जैसे पदार्थों के शोधन तथा विशिष्ट विरचन द्वारा बनाया जाता है। सिलिका काँच तंतुओं में $1 \mathrm{~km}$ लंबे तंतु में प्रकाश के $95 %$ से भी अधिक भाग को संचरित करना संभव है। (इसकी तुलना $1 \mathrm{~km}$ मोटाई के खिड़की के काँच के ब्लॉक में जितने प्रतिशत प्रकाश के संचरण की आप अपेक्षा करते हैं, से कीजिए।)
9.5 गोलीय पृष्ठों तथा लेंसों द्वारा अपवर्तन
अब तक हमने समतल अंतरापृष्ठों पर अपवर्तन के विषय में विचार किया है। अब हम दो पारदर्शी माध्यमों के गोलीय अंतरापृष्ठों पर अपवर्तन के विषय में विचार करेंगे। किसी गोलीय पृष्ठ के अत्यंत सूक्ष्म भाग को समतलीय माना जा सकता है तथा उसके पृष्ठ के प्रत्येक बिंदु पर समान अपवर्तन के नियमों का अनुप्रयोग किया जा सकता है। गोलीय दर्पण द्वारा परावर्तन की ही भाँति आपतन बिंदु पर अभिलंब पृष्ठ के उस बिंदु पर स्पर्शी तल के लंबवत होता है, तथा वह इसीलिए पृष्ठ के वक्रता केंद्र से गुज़रता है। हम पहले एकल गोलीय पृष्ठ द्वारा अपवर्तन पर विचार करेंगे तथा इसके पश्चात पतले लेंसों की चर्चा करेंगे। कोई पतला लेंस दो गोलीय पृष्ठों से घिरा पारदर्शी माध्यम होता है; जिसका कम से कम एक पृष्ठ अवश्य गोलीय होना चाहिए। एक गोलीय पृष्ठ द्वारा निर्मित प्रतिबिंब के लिए सूत्र का अनुप्रयोग, किसी लेंस के दो पृष्ठों पर, क्रमिक रूप में करके हम पतले लेंसों के लिए लेंस मेकर सूत्र तथा उसके पश्चात लेंस सूत्र प्राप्त करेंगे।
9.5.1 किसी गोलीय पृष्ठ पर अपवर्तन
चित्र 9.15 दो माध्यमों को पृथक करने वाले किसी गोलीय पृष्ठ पर अपवर्तन।
चित्र 9.15 में वक्रता त्रिज्या $R$ तथा वक्रता केंद्र $C$ के गोलीय पृष्ठ के मुख्य अक्ष पर स्थित किसी वस्तु के बिंदु $\mathrm{O}$ के प्रतिबिंब $I$ की रचना की ज्यामिति दर्शायी गई है। प्रकाश किरणें $n _{1}$ अपवर्तनांक के किसी माध्यम से आपतित होकर $n _{2}$ अपवर्तनांक के किसी अन्य माध्यम में जाती हैं। पहले की भाँति, हम पृष्ठ का द्वारक (अथवा पार्श्व साइज़) अन्य संबद्ध दूरियों की तुलना में काफ़ी छोटा लेते हैं ताकि आवश्यकतानुसार लघु कोण सन्निकटन किया जा सके। विशेष रूप से हम $\mathrm{NM}$ को $\mathrm{N}$ से मुख्य अक्ष पर लंब की लंबाई के लगभग बराबर लेंगे। यहाँ पर
$$ \begin{aligned} & \tan \angle \mathrm{NOM}=\frac{\mathrm{MN}}{\mathrm{OM}} \\ & \tan \angle \mathrm{NCM}=\frac{\mathrm{MN}}{\mathrm{MC}} \\ & \tan \angle \mathrm{NIM}=\frac{\mathrm{MN}}{\mathrm{MI}} \end{aligned} $$
अब $\triangle \mathrm{NOC}$ के लिए, $i$ बहिर्कोण है। अतः
$$ \begin{aligned} & i=\angle \mathrm{NOM}+\angle \mathrm{NCM} \\ \end{aligned} $$
$$ \begin{equation*} i=\frac{\mathrm{MN}}{\mathrm{OM}}+\frac{\mathrm{MN}}{\mathrm{MC}} \tag{9.13} \end{equation*} $$
इसी प्रकार
$$ r=\angle \mathrm{NCM}-\angle \mathrm{NIM} $$
अर्थात,
$$ \begin{equation*} r=\frac{\mathrm{MN}}{\mathrm{MC}}-\frac{\mathrm{MN}}{\mathrm{MI}} \tag{9.14} \end{equation*} $$
अब स्नेल के नियम के अनुसार
$$ n _{1} \sin i=n _{2} \sin r $$
अथवा कोणों के छोटे मानों के लिए
$$ n _{1} i=n _{2} r $$
समीकरणों (9.13) तथा (9.14) से $i$ तथा $r$ के मान रखने पर हमें प्राप्त होता है
$$ \begin{equation*} \frac{n _{1}}{\mathrm{OM}}+\frac{n _{2}}{\mathrm{MI}}=\frac{n _{2}-n _{1}}{\mathrm{MC}} \tag{9.15} \end{equation*} $$
यहाँ $\mathrm{OM}, \mathrm{MI}$ तथा $\mathrm{MC}$ दूरियों के परिमाणों को निरूपित करते हैं। कार्तीय चिह्न परिपाटी का अनुप्रयोग करने पर,
$$ \mathrm{OM}=-u, \mathrm{MI}=+v, \mathrm{MC}=+R $$
इनका मान समीकरण (9.15) में रखने पर हमें प्राप्त होता है,
$$ \begin{equation*} \frac{n _{2}}{v}-\frac{n _{1}}{u}=\frac{n _{2}-n _{1}}{R} \tag{9.16} \end{equation*} $$
समीकरण (9.16) से हमें बिंब तथा प्रतिबिंब के बीच में माध्यम के अपवर्तनांक तथा गोलीय वक्रित पृष्ठ की वक्रता त्रिज्या के पदों के रूप में संबंध प्राप्त होता है। समीकरण (9.16) किसी भी प्रकार के वक्रित गोलीय पृष्ठ के लिए मान्य है।
उदाहरण 9.5 वायु में रखे किसी बिंदु स्रोत से प्रकाश काँच के किसी गोलीय पृष्ठ पर पड़ता है। ( $n=1.5$ तथा वक्रता त्रिज्या $=20 \mathrm{~cm})$ । प्रकाश स्रोत की काँच के पृष्ठ से दूरी $100 \mathrm{~cm}$ है। प्रतिबिंब कहाँ बनेगा?
हल यहाँ पर, समीकरण (9.16) में दिए सूत्र में $u=-100 \mathrm{~cm}, v=?, R=+20 \mathrm{~cm}, n _{1}=1$, तथा $n _{2}=1.5$ रखने पर हमें प्राप्त होता है
$$\frac{1.5}{v}+\frac{1}{100}=\frac{0.5}{20}$$
अथवा
$$v=+100 \mathrm{~cm}$$
प्रतिबिंब आपतित प्रकाश की दिशा में काँच के पृष्ठ से $100 \mathrm{~cm}$ की दूरी पर बनेगा।
9.5.2 किसी लेंस द्वारा अपवर्तन
चित्र 9.16 (a) बिंब की स्थिति तथा उभयोत्तल लेंस द्वारा निर्मित प्रतिबिंब (b) पहले गोलीय पृष्ठ पर अपवर्तन (c) दूसरे गोलीय पृष्ठ पर अपवर्तन।
चित्र 9.16 (a) में किसी उभयोत्तल लेंस द्वारा प्रतिबिंब-रचना की ज्यामिति दर्शायी गई है। इस प्रतिबिंब की रचना को दो चरणों में देखा जा सकता है : (i) पहला अपवर्ती पृष्ठ बिंब $O$ का प्रतिबिंब $I _{1}$ बनाता है [चित्र 9.16 (b)]। प्रतिबिंब $I _{1}$ दूसरे पृष्ठ द्वारा प्रतिबिंब I बनने के लिए आभासी बिंब की भाँति कार्य करता है [चित्र 9.16 (c)]। समीकरण (9.15) का उपयोग पहले अंतरापृष्ठ $\mathrm{ABC}$ पर करने पर हमें प्राप्त होता है :
$$ \begin{equation*} \frac{n _{1}}{\mathrm{OB}}+\frac{n _{2}}{\mathrm{BI} _{1}}=\frac{n _{2}-n _{1}}{\mathrm{BC} _{1}} \tag{9.17} \end{equation*} $$
दूसरे अंतरापृष्ठ* $\mathrm{ADC}$ के लिए भी समान प्रक्रिया का अनुप्रयोग करने पर हमें प्राप्त होता है :
$$ \begin{equation*} -\frac{n _{2}}{\mathrm{DI} _{1}}+\frac{n _{1}}{\mathrm{DI}}=\frac{n _{2}-n _{1}}{\mathrm{DC} _{2}} \tag{9.18} \end{equation*} $$
किसी पतले लेंस के लिए $\mathrm{BI} _{1}=\mathrm{DI} _{1}$ । समीकरणों (9.17) तथा $(9.18)$ को जोड़ने पर हमें प्राप्त होता है :
$$ \begin{equation*} \frac{n _{1}}{\mathrm{OB}}+\frac{n _{1}}{\mathrm{DI}}=\left(n _{2}-n _{1}\right)\left(\frac{1}{\mathrm{BC} _{1}}+\frac{1}{\mathrm{DC} _{2}}\right) \tag{9.19} \end{equation*} $$
मान लीजिए बिंब अनंत पर है तो, $\mathrm{OB} \rightarrow \infty$ तथा $\mathrm{DI}=f$, तब समीकरण (9.19) से प्राप्त होगा :
$$ \frac{n _{1}}{f}=\left(n _{2}-n _{1}\right)\left(\frac{1}{\mathrm{BC} _{1}}+\frac{1}{\mathrm{DC} _{2}}\right) \tag{9.20} $$
वह बिंदु जहाँ अनंत पर रखे बिंब का प्रतिबिंब बनता है, लेंस का फ़ोकस $\mathrm{F}$ कहलाता है तथा दूरी $f$ द्वारा इसकी फ़ोकस दूरी प्राप्त होती है। किसी लेंस के इसके दोनों ओर दो फ़ोकस होते हैं $\mathrm{F}$ तथा $\mathrm{F}^{\prime}$ । चिन्न परिपाटी द्वारा
$$ \begin{array}{ll} \mathrm{BC} _{1}=+R _{1} & \text { [चित्र 9.16(b)] } \\ \mathrm{DC} _{2}=-R _{2} & \text { [चित्र 9.16(c)] } \end{array} $$
इसलिए समीकरण (9.20) को लिखा जा सकता है :
$$ \begin{equation*} \frac{1}{f}=\left(n _{21}-1\right)\left(\frac{1}{R _{1}}-\frac{1}{R _{2}}\right) \quad\left(\because n _{21}=\frac{n _{2}}{n _{1}}\right) \tag{9.21} \end{equation*} $$
- नोट कीजिए अब $\mathrm{ADC}$ के दायीं ओर के माध्यम का अपवर्तनांक $n _{1}$ है जबकि इसके बायीं ओर यह $n _{2}$ है। इसके अतिरिक्त $\mathrm{DI} _{1}$ ॠणात्मक है क्योंकि दूरी आपतित प्रकाश की दिशा के विपरीत दिशा में मापी गई है।
समीकरण (9.21) को लेंस-मेकर सूत्र के रूप में जाना जाता है। स्पष्ट रूप से यह सूत्र उचित वक्रता त्रिज्याओं के पृष्ठों के उपयोग द्वारा वांछित फोकस दूरी के लेंसों की अभिकल्पना (डिज़ाइन) करने में उपयोगी है। ध्यान देने योग्य बात यह है कि यही सूत्र अवतल लेंसों पर भी समान रूप से लागू होता है। उस स्थिति में $R _{1}$ ॠणात्मक तथा $R _{2}$ धनात्मक होता है, इसलिए $f$ ॠणात्मक होता है। समीकरण (9.19) तथा (9.20) से हमें प्राप्त होता है :
$$ \frac{n _{1}}{\mathrm{OB}}+\frac{n _{1}}{\mathrm{DI}}=\frac{n _{1}}{f} \tag{9.22} $$
पुनः पतले लेंस-सन्निकटन में बिंदु $\mathrm{B}$ तथा $\mathrm{D}$ दोनों ही लेंस के प्रकाशिक केंद्र के बहुत निकट माने जाते हैं। चिह्न परिपाटी का उपयोग करने पर $\mathrm{BO}=-u, \mathrm{DI}=+v$ । इन मानों को (9.22) में रखने पर हमें प्राप्त होता है
$$ \begin{equation*} \frac{1}{v}-\frac{1}{u}=\frac{1}{f} \tag{9.23} \end{equation*} $$
समीकरण (9.23) लेंसों के लिए परिचित पतले लेंस सूत्र है। यद्यपि यहाँ हमने इसे उत्तल लेंस द्वारा निर्मित वास्तविक प्रतिबिंब के लिए व्युत्पन्न किया है, तथापि यह सूत्र दोनों ही लेंसों अर्थात, उत्तल तथा अवतल तथा दोनों ही प्रकार के प्रतिबिंबों, वास्तविक तथा आभासी के लिए मान्य है।
यह बताना आवश्यक है कि किसी उभयोत्तल अथवा उभयावतल लेंस के दो फ़ोकस $F$ तथा $\mathrm{F}^{\prime}$ लेंस के प्रकाशिक केंद्र से समान दूरी पर हैं। प्रकाश के स्रोत की ओर स्थित फ़ोकस को प्रथम फ़ोकस बिंदु कहते हैं जबकि दूसरा द्वितीय फ़ोकस बिंदु कहलाता है।
चित्र 9.17 (a) उत्तल लेंस, (b) अवतल लेंस से गुज़रने वाली प्रकाश किरणों का अनुरेखण।
लेंसों द्वारा बने किसी बिंब के प्रतिबिंब की स्थिति ज्ञात करने के लिए सिद्धांत रूप में हम बिंब के किसी बिंदु से आने वाली कोई भी दो किरणें लेकर तथा अपवर्तन के नियमों द्वारा उनके पथ अनुरेखित करके उस बिंदु की स्थिति ज्ञात करते हैं, जहाँ अपवर्तित किरणें वास्तव में मिलती हैं (अथवा मिलती प्रतीत होती हैं)। तथापि, व्यवहार में निम्नलिखित में से कोई सी दो किरणों का चयन करना कार्य को सहज बना देता है।
(i) बिंब से निकलने वाली वह किरण जो लेंस के मुख्य अक्ष के समांतर होती है, अपवर्तन के पश्चात (उत्तल लेंस में) लेंस के दूसरे मुख्य फ़ोकस $\mathrm{F}^{\prime}$ से गुज़रती है, अथवा (अवतल लेंस में) लेंस के प्रथम मुख्य फ़ोकस $\mathrm{F}$ से अपसरित प्रतीत होती है।
(ii) लेंस के प्रकाशिक केंद्र से गुज़रने वाली प्रकाश किरण अपवर्तन के पश्चात् बिना किसी विचलन के निर्गत होती है।
(iii) (a) किसी उत्तल लेंस के प्रथम मुख्य फ़ोकस से होकर गुज़रने वाली कोई प्रकाश की किरण अपवर्तन के पश्चात् मुख्य अक्ष के समांतर गमन करती है। [चित्र 9.17(a)]
(b) किसी अवतल लेंस पर उसके द्वितीय फ़ोकस बिंदु की ओर आती प्रतीत होती हुई कोई प्रकाश की किरण अपवर्तन के पश्चात् मुख्य अक्ष के समांतर गमन करती है। [चित्र 9.17(b)]
चित्र 9.17 (a) तथा (b) में इन नियमों को क्रमश: उत्तल तथा अवतल लेंसों के लिए दर्शाया गया है। आपको लेंस से विभिन्न दूरियों पर बिंब को रखकर इस प्रकार के किरण आरेख खींचने का अभ्यास करना चाहिए तथा यह भी सत्यापित करना चाहिए कि लेंस सूत्र, समीकरण (9.23), सभी उदाहरणों में समान रूप से लागू होता है।
यहाँ पर यह अवश्य याद रखना चाहिए कि किसी बिंब के प्रत्येक बिंदु से अनंत किरणें उत्सर्जित होती हैं। ये सभी किरणें लेंस से अपवर्तन के पश्चात एक ही प्रतिबिंब बिंदु से गुज़रती हैं।
दर्पण की भाँति लेंसों के लिए भी, किसी लेंस द्वारा उत्पन्न आवर्धन $(m)$ को प्रतिबिंब के साइज़ $\left(h^{\prime}\right)$ तथा बिंब के साइज़ $(h)$ के अनुपात के रूप में परिभाषित किया जाता है। गोलीय दर्पणों की भाँति यहाँ भी किसी लेंस के लिए यह सरलता से देखा जा सकता है कि
$$ \begin{equation*} m=\frac{h^{\prime}}{h}=\frac{v}{u} \tag{9.24} \end{equation*} $$
चिह्न परिपाटी का पालन करने पर हम यह पाते हैं कि उत्तल अथवा अवतल लेंस द्वारा बने सीधे (तथा आभासी) प्रतिबिंब के लिए $m$ धनात्मक होता है, जबकि किसी उलटे (तथा वास्तविक) प्रतिबिंब के लिए $m$ ॠणात्मक होता है।
उदाहरण 9.6 कोई जादूगर खेल दिखाते समय $n=1.47$ अपवर्तनांक के काँच के लेंस को किसी द्रव से भरी द्रोणिका में डालकर अदृश्य कर देता है। द्रव का अपवर्तनांक क्या है? क्या यह द्रव जल हो सकता है?
हल द्रव में लेंस के अदृश्य होने के लिए द्रव का अपवर्तनांक, लेंस के काँच के अपवर्तनांक के बराबर होना चाहिए; $n _{1}=n _{2}$ । अर्थात द्रव का अपवर्तनांक 1.47 है। इस प्रकरण में $1 / f=0$ या $f \rightarrow \infty$ प्राप्त होगा। द्रव के अंदर लेंस काँच की एक समतल शीट की भाँति कार्य करेगा। द्रोणिका में भरा द्रव जल (अपवर्तनांक $=1.33$ ) नहीं हो सकता। यह द्रव ग्लिसरीन हो सकता है।
9.5.3 लेंस की क्षमता
चित्र 9.18 किसी लेंस की क्षमता।
किसी लेंस की क्षमता उस पर पड़ने वाले प्रकाश को अभिसरित अथवा अपसरित करने की कोटि की माप होती है। स्पष्टतः कम फ़ोकस दूरी का कोई लेंस आपतित प्रकाश को अधिक मोड़ता है, उत्तल लेंस में अपवर्तित किरण अभिसरित होती है तथा अवतल लेंस में अपवर्तित किरण अपसरित होती है। किसी लेंस की क्षमता $P$ को उस कोण की स्पर्शज्या से परिभाषित करते हैं, जिससे यह किसी मुख्य अक्ष के समांतर प्रकाश पुंज को जो प्रकाशिक केंद्र से एकांक दूरी पर आकर गिरता है, अभिसरित या अपसरित करता है। (चित्र 9.18)।
$$ \tan \delta=\frac{h}{f} ; \text { यदि } h=1 \quad \tan \delta=\frac{1}{f} $$
अथवा
$$ \begin{equation*} \delta=\frac{1}{f} \quad (\delta के लघु मान के लिए)। \end{equation*} $$
अत:
$$ \begin{equation*} P=\frac{1}{f} \tag{9.25} \end{equation*} $$
लेंस की क्षमता का SI मात्रक डाइऑप्टर (D) : $1 \mathrm{D}=1 \mathrm{~m}^{-1}$ है। अतः $1 \mathrm{~m}$ फोकस दूरी के लेंस की क्षमता एक डाइऑप्टर है। अभिसारी लेंसों की क्षमता धनात्मक तथा अपसारी लेंस की क्षमता ॠणात्मक होती है। इस प्रकार जब कोई नेत्र चिकित्सक $+2.5 \mathrm{D}$ क्षमता का संशोधक लेंस निर्धारित करता है, तब $+40 \mathrm{~cm}$ फ़ोकस दूरी के उत्तल लेंस की आवश्यकता होती है। $-4.0 \mathrm{D}$ क्षमता के लेंस से तात्पर्य $-25 \mathrm{~cm}$ फ़ोकस दूरी का अवतल लेंस होता है।
उदाहरण 9.7 (i) यदि $f=+0.5 \mathrm{~m}$ है तो लेंस की क्षमता क्या है? (ii) किसी उभयोत्तल लेंस के दो फलकों की वक्रता त्रिज्याएँ $10 \mathrm{~cm}$ तथा $15 \mathrm{~cm}$ हैं। उसकी फ़ोकस दूरी $12 \mathrm{~cm}$ है। लेंस के काँच का अपवर्तनांक ज्ञात कीजिए। (iii) किसी उत्तल लेंस की वायु में फ़ोकस दूरी $20 \mathrm{~cm}$ है। जल में इसकी फ़ोकस दूरी क्या है? [वायु-जल का अपवर्तनांक 1.33 तथा वायु-काँच का अपवर्तनांक 1.5 है।]
हल
(i) लेंस की क्षमता $=+2 \mathrm{D}$
(ii) यहाँ $f=+12 \mathrm{~cm}, R _{1}=+10 \mathrm{~cm}, R _{2}=-15 \mathrm{~cm}$ वायु का अपवर्तनांक 1 माना जाता है। समीकरण (9.22) के लेंस सूत्र का प्रयोग करने के लिए $f, R _{1}$ तथा $R _{2}$ के लिए चिन्न परिपाटी के अनुसार विभिन्न राशियों के मान रखने पर हमें
$$ \frac{1}{12}=(n-1)\left(\frac{1}{10}-\frac{1}{-15}\right) $$
$n=1.5$ प्राप्त होगा।
(iii) वायु में काँच के लेंस के लिए, $n _{2}=1.5, n _{1}=1, f=+20 \mathrm{~cm}$ इस प्रकार लेंस सूत्र से प्राप्त होगा
$$ \frac{1}{20}=0.5\left[\frac{1}{R _{1}}-\frac{1}{R _{2}}\right] $$
उसी काँच के लेंस के लिए जल में, $n _{2}=1.5, n _{1}=1.33$. इसलिए
$$ \begin{equation*} \frac{1.33}{f}=(1.5-1.33)\left[\frac{1}{R _{1}}-\frac{1}{R _{2}}\right] \tag{9.26} \end{equation*} $$
इन दोनों समीकरणों को संयोजित करने पर हमें मिलेगा $f=+78.2 \mathrm{~cm}$
9.5.4 संपर्क में रखे पतले लेंसों का संयोजन
एक-दूसरे के संपर्क में रखे $f _{1}$ तथा $f _{2}$ फ़ोकस दूरियों के दो पतले लेंसों $\mathrm{A}$ तथा $\mathrm{B}$ पर विचार कीजिए। मान लीजिए कोई बिंब पहले लेंस $A$ के फ़ोकस से दूर किसी बिंदु $O$ पर स्थित है (चित्र 9.19)। पहला लेंस बिंदु $I _{1}$ पर प्रतिबिंब बनाता है। क्योंक प्रतिबिंब $\mathrm{I} _{1}$ वास्तविक है, अतः यह दूसरे लेंस $\mathrm{B}$ के लिए आभासी बिंब की भाँति कार्य करता है तथा अंतिम प्रतिबिंब I पर बनता है। हमें इस बात को समझ लेना चाहिए कि पहले लेंस से प्रतिबिंब का बनना, केवल अंतिम प्रतिबिंब की स्थिति निर्धारित करने के लिए, माना गया है। वास्तव में पहले लेंस से निकलने वाली किरणों की दिशा, उनके दूसरे क्योंकि प्रतिबिंब बनना। लेंस पतले हैं, हम दोनों लेंसों के प्रकाशिक केंद्रों को संपाती मान सकते हैं। मान लीजिए यह केंद्रीय बिंदु $\mathrm{P}$ द्वारा निर्दिष्ट होता है।
चित्र 9.19 संपर्क में रखे दो पतले लेंसों द्वारा लेंस से टकराने वाले कोण के अनुसार परिवर्तित हो जाती है।
पहले लेंस $A$ द्वारा बने प्रतिबिंब के लिए
$$ \begin{equation*} \frac{1}{v_{1}}-\frac{1}{u}=\frac{1}{f_{1}} \tag{9.27} \end{equation*} $$
दूसरे लेंस B द्वारा बने प्रतिबिंब के लिए
$$ \begin{equation*} \frac{1}{v}-\frac{1}{v_{1}}=\frac{1}{f_{2}} \tag{9.28} \end{equation*} $$
समीकरण (9.27) तथा (9.28) को जोड़ने पर,
$$ \begin{equation*} \frac{1}{v}-\frac{1}{u}=\frac{1}{f_{1}}+\frac{1}{f_{2}} \tag{9.29} \end{equation*} $$
इन दो लेंसों के तंत्र को $f$ फ़ोकस दूरी के किसी एकल लेंस के तुल्य मानने पर,
$$ \frac{1}{v}-\frac{1}{u}=\frac{1}{f} $$
अर्थात
$$ \begin{equation*} \frac{1}{f}=\frac{1}{f_{1}}+\frac{1}{f_{2}} \tag{9.30} \end{equation*} $$
यह व्युत्पत्ति संपर्क में रखे कई पतले लेंसों के निकाय के लिए भी मान्य है। यदि $f _{1}, f _{2}$, $f _{3}, \ldots$ फ़ोकस दूरियों के बहुत से लेंस एक-दूसरे के संपर्क में रखे हैं, तो इस संयोजन की प्रभावी फ़ोकस दूरी होगी :
$$ \begin{equation*} \frac{1}{f}=\frac{1}{f_{1}}+\frac{1}{f_{2}}+\frac{1}{f_{3}}+\ldots \tag{9.31} \end{equation*} $$
क्षमता के पदों में समीकरण (9.31) को इस प्रकार भी लिखा जा सकता है
$$ \begin{equation*} P=P_{1}+P_{2}+P_{3}+\ldots \tag{9.32} \end{equation*} $$
यहाँ $P$ इस लेंस संयोजन की नेट क्षमता है। ध्यान दीजिए, समीकरण (9.32) में अलग-अलग क्षमताओं का बीजगणितीय योग दिया गया है, अर्थात समीकरण के दक्षिण पक्ष में कुछ पद धनात्मक (उत्तल लेंसों के लिए) तथा कुछ पद ऋणात्मक (अवतल लेंसों के लिए) हो सकते हैं। लेंसों के संयोजन हमें व्युत्पन्न आवर्धन क्षमता के अपसारित अथवा अभिसारित लेंस प्राप्त करने में सहायक होते हैं तथा ये प्रतिबिंब की तीक्ष्णता में भी वृद्धि कर देते हैं। क्योंकि पहले लेंस द्वारा बना प्रतिबिंब दूसरे लेंस के लिए बिंब बन जाता है, समीकरण (9.25) में यह अंतर्निहित है कि संयोजन का कुल आवर्धन $m$, अलग-अलग आवर्धनों $\left(m _{1}, m _{2}, m _{3}, ..\right)$ के गुणनफल के बराबर होता है।
$$ \begin{equation*} m=m _{1} m _{2} m _{3} \ldots \tag{9.33} \end{equation*} $$
इस प्रकार के लेंसों के संयोजन सामान्यतः कैमरों, सूक्ष्मदर्शियों, दूरबीनों तथा अन्य प्रकाशिक यंत्रों के लेंसों के डिज़ाइन में उपयोग किए जाते हैं।
उदाहरण 9.8 चित्र 9.20 में दिए गए लेंसों के संयोजन द्वारा निर्मित प्रतिबिंब की स्थिति ज्ञात कीजिए।
चित्र 9.20
हल पहले लेंस द्वारा निर्मित प्रतिबिंब
$$ \frac{1}{v _{1}}-\frac{1}{u _{1}}=\frac{1}{f _{1}} $$
$$ \frac{1}{v _{1}}-\frac{1}{-30}=\frac{1}{10} $$
अथवा
$$v_{1}=15 \mathrm{~cm}$$
पहले लेंस द्वारा निर्मित प्रतिबिंब दूसरे लेंस के लिए बिंब की भाँति कार्य करता है। यह दूसरे लेंस के दायीं ओर $(15-5) \mathrm{cm}=10 \mathrm{~cm}$ दूरी पर है। यद्यपि प्रतिबिंब वास्तविक है परंतु यह दूसरे लेंस के लिए आभासी बिंब का कार्य करता है। अर्थात इससे दूसरे लेंस के लिए किरणें आती हुई प्रतीत होती हैं।
$$ \frac{1}{v _{2}}-\frac{1}{10}=\frac{1}{-10} $$
या
$$v_{2}=\infty$$
यह आभासी प्रतिबिंब दूसरे लेंस के बायीं ओर अनंत दूरी पर बनता है। यह तीसरे लेंस के लिए बिंब की भाँति कार्य करता है।
$$ \frac{1}{v _{3}}-\frac{1}{u _{3}}=\frac{1}{f _{3}} $$
अथवा
$$ \frac{1}{v _{3}}=\frac{1}{\infty}+\frac{1}{30} $$
या
$$ v _{3}=30 \mathrm{~cm} $$
अंतिम प्रतिबिंब तीसरे लेंस के दायीं ओर $30 \mathrm{~cm}$ दूरी पर बनता है।
9.6 प्रिज़्म में अपवर्तन
चित्र 9.21 में किसी प्रिज़्म $\mathrm{ABC}$ से प्रकाश किरण को गुज़रते हुए दर्शाया गया है। पहले फलक $\mathrm{AB}$ पर आपतन कोण तथा अपवर्तन कोण क्रमशः $i$ तथा $r _{1}$ हैं, जबकि दूसरे फलक (काँच से वायु में) $\mathrm{AC}$ पर आपतन कोण $r _{2}$ तथा अपवर्तन कोण या निर्गत कोण $e$ हैं। निर्गत किरण RS तथा आपतित किरण की दिशा $\mathrm{PQ}$ के बीच के कोण को विचलन कोण $\delta$ कहते हैं।
चित्र 9.21 काँच के त्रिभुजाकार प्रिज़्म से किसी प्रकाश किरण का गुज़रना।
चतुर्भुज AQNR में दो कोण ( $\mathrm{Q}$ तथा $\mathrm{R}$ शीर्षों पर) समकोण हैं। इसलिए इस भुजा के अन्य दो कोणों का योग $180^{\circ}$ है।
$\angle A+\angle \mathrm{QNR}=180^{\circ}$ त्रिभुज QNR से
$$ r _{1}+r _{2}+\angle \mathrm{QNR}=180^{\circ} $$
इन दोनों समीकरणों की तुलना करने पर, हमें प्राप्त होगा
$$ \begin{equation*} r_{1}+r_{2}=A \tag{9.34} \end{equation*} $$
कुल विचलन $\delta$ दोनों फलकों पर विचलनों का योग है:
$$ \delta=\left(i-r _{1}\right)+\left(e-r _{2}\right) $$
अर्थात,
$$ \begin{equation*} \delta=i+e-A \tag{9.35} \end{equation*} $$
चित्र 9.22 किसी त्रिभुजाकार प्रिज़्म के लिए आपतन कोण $(i)$ तथा विचलन कोण $(\delta)$ के बीच एक ग्राफ़।
इस प्रकार विचलन कोण आपतन कोण पर निर्भर करता है। चित्र 9.22 में आपतन कोण तथा विचलन कोण के बीच ग्राफ़ दर्शाया गया है। आप यह देख सकते हैं कि व्यापक रूप से, केवल $i=e$ को छोड़कर, प्रत्येक विचलन कोण $\delta$ के तदनुरूपी $i$ के तथा इस प्रकार $e$ के दो मान हैं। यह तथ्य समीकरण (9.35) में $i$ तथा $e$ की सममिति से अपेक्षित है, अर्थात, यदि $i$ तथा $e$ को आपस में बदल दिया जाए तो $\delta$ अपरिवर्तित रहता है। भौतिक रूप में यह इस तथ्य से संबंधित है कि चित्र 9.21 में प्रकाश किरण के पथ को वापस आरेखित करने पर वही विचलन कोण प्राप्त होता है। न्यूनतम विचलन $D _{m}$ पर, प्रिज्म के अंदर अपवर्तित किरण इसके आधार के समांतर हो जाती है। हमें प्राप्त होता है
$$ \delta=D _{m}, i=e \text { जिसका तात्पर्य है कि } r _{1}=r _{2} $$
समीकरण (9.34) से हमें प्राप्त होता है
$$ \begin{equation*} 2 r=A \text { or } r=\frac{A}{2} \tag{9.36} \end{equation*} $$
इसी प्रकार समीकरण (9.35) से हमें प्राप्त होता है
$$ \begin{equation*} D_{\mathrm{m}}=2 i-A, \text { or } i=\left(A+D_{\mathrm{m}}\right) / 2 \tag{9.37} \end{equation*} $$
यदि प्रिज्म के पदार्थ का अपवर्तनांक $n _{21}$ है तो
$$ \begin{equation*} n_{21}=\frac{n_{2}}{n_{1}}=\frac{\sin \left[\left(A+D_{m}\right) / 2\right]}{\sin [A / 2]} \tag{9.38} \end{equation*} $$
कोण $A$ तथा $D _{m}$ की माप प्रयोग द्वारा की जा सकती है। इस प्रकार समीकरण (9.38) प्रिज़्म के पदार्थ के अपवर्तनांक के मापन की विधि है।
छोटे कोण के प्रिज़्म अर्थात पहले प्रिज्ञम के लिए $D _{m}$ भी काफ़ी छोटा होता है तथा हमें प्राप्त होगा
$$ \begin{aligned} & n _{21}=\frac{\sin \left[\left(A+D _{m}\right) / 2\right]}{\sin [A / 2]} \simeq \frac{\left(A+D _{m}\right) / 2}{A / 2} \end{aligned} $$
$$ \begin{aligned} & D _{m}=\left(n _{21}-1\right) A \end{aligned} $$
इसका तात्पर्य है कि पतले प्रिज़्म में प्रकाश का विचलन काफ़ी कम होता है।
9.7 प्रकाशिक यंत्र
दर्पणों, लेंसों तथा प्रिज़्मों के परावर्ती तथा अपवर्ती गुणों का उपयोग करके अनेक प्रकाशिक युक्तियाँ एवं यंत्र डिज़ाइन किए गए हैं। परिदर्शी, बहुमूर्तिदर्शी, द्विनेत्री, दूरदर्शक, सूक्ष्मदर्शी कुछ ऐसी प्रकाशिक युक्तियों तथा यंत्रों के उदाहरण हैं जिन्हें हम सामान्य रूप से उपयोग में लाते हैं। वास्तव में हमारे नेत्र सबसे महत्वपूर्ण प्रकाशिक युक्तियों में से एक हैं जिनसे प्रकृति ने हमें संपन्न किया है। कक्षा $\mathrm{X}$ में हम मानव नेत्र के बारे में पढ़ चुके हैं। अब हम सूक्ष्मदर्शी तथा दूरबीन के कार्य करने के सिद्धांत का वर्णन करेंगे।
9.7.1 सूक्ष्मदर्शी
चित्र 9.23 सरल सूक्ष्मदर्शी (a) आवर्धक लेंस इस प्रकार स्थित है कि प्रतिबिंब निकट बिंदु पर बनता है, (b) बिंब द्वारा अंतरित कोण, निकट बिंदु पर अंतरित कोण के समान है तथा (c) बिंब लेंस के फ़ोकस बिंदु पर, प्रतिबिंब बहुत दूर है लेकिन अनंत से पास है।
सरल आवर्धक अथवा सरल सूक्ष्मदर्शी कम फ़ोकस दूरी का एक अभिसारी लेंस होता है (चित्र 9.23)। इस प्रकार के लेंस को सूक्ष्मदर्शी के रूप में प्रयोग करने के लिए, लेंस को बिंब के निकट उससे एक फ़ोकस दूरी अथवा उससे कम दूरी पर रखा जाता है तथा लेंस के दूसरी ओर नेत्र को लेंस से सटाकर रखा जाता है। ऐसा करने का लक्ष्य है कि बिंब का सीधा, आवर्धित तथा आभासी प्रतिबिंब किसी ऐसी दूरी पर बने कि नेत्र उसे सरलतापूर्वक देख सकें, अर्थात प्रतिबिंब $25 \mathrm{~cm}$ अथवा कुछ अधिक दूरी पर बनना चाहिए। यदि बिंब $f$ पर स्थित है तो उसका प्रतिबिंब अनंत पर बनता है। तथापि, यदि बिंब $f$ से कम दूरी पर रखा हो, तो प्रतिबिंब आभासी तथा अनंत की तुलना में कम दूरी पर बनता है। यद्यपि देखने के लिए निकटतम आरामदेह दूरी, निकट बिंदु (दूरी $D \cong 25 \mathrm{~cm}$ ) पर होती है, परंतु इससे नेत्रों पर कुछ तनाव पड़ता है। इसीलिए, प्रायः अनंत पर बना प्रतिबिंब शिथिल नेत्रों द्वारा देखने के लिए उचित माना जाता है। यहाँ पर दोनों स्थितियाँ दर्शायी गई हैं, पहली चित्र 9.23 (a), में तथा दूसरी चित्र 9.23 (b) तथा (c) में।
सरल सूक्ष्मदर्शी द्वारा निकट बिंदु $D$ पर बने प्रतिबिंब के लिए रैखिक आवर्धन $m$ का परिकलन निम्न संबंध द्वारा किया जा सकता है।
$$ m=\frac{v}{u}=v\left(\frac{1}{v}-\frac{1}{f}\right)=\left(1-\frac{v}{f}\right) $$
अब हमारी चिह्न परिपाटी के अनुसार $v$ ॠणात्मक है तथा परिमाण में $D$ के बराबर है। अतः आवर्धन,
$$ \begin{equation*} m=\left(1+\frac{D}{f}\right) \tag{9.39} \end{equation*} $$
क्योंकि $D$ लगभग $25 \mathrm{~cm}$ है। अतः आवर्धन 6 प्राप्त करने के लिए फ़ोकस दूरी $f=5 \mathrm{~cm}$ के उत्तल लेंस की आवश्यकता होती है।
ध्यान दीजिए, $m=h^{\prime} / h$, यहाँ $h$ बिंब का साइज़ तथा $h^{\prime}$ प्रतिबिंब का साइज़ है। यह प्रतिबिंब द्वारा अंतरित कोण तथा बिंब द्वारा अंतरित कोण का भी अनुपात होता है, जबकि उन्हें आराम से देखने के लिए $D$ पर रखा जाता है। (नोट कीजिए कि यह वास्तव में बिंब द्वारा नेत्र पर अंतरित कोण नहीं है, जिसे $h / u$ द्वारा व्यक्त किया गया है।) एकल-लेंस सरल आवर्धक की उपलब्धि यह है कि वस्तु को $D$ की तुलना में काफ़ी निकट रखकर देखना संभव हो जाता है।
अब जब प्रतिबिंब अनंत पर बनता है तो हम आवर्धन ज्ञात करेंगे। इस स्थिति में हमें कोणीय आवर्धन का परिकलन करना होगा। मान लीजिए बिंब की ऊँचाई $h$ है। इस बिंब द्वारा नेत्र पर अंतरित अधिकतम कोण, जबकि बिंब स्पष्ट भी दिखाई देता हो (बिना किसी लेंस के), तब होता है जब हम बिंब को निकट अर्थात दूरी $D$ पर रखते हैं। तब अंतरित कोण प्राप्त होगा
$$ \begin{equation*} \tan \theta _{0}=\left(\frac{h}{D}\right) \approx \theta _{0} \tag{9.40} \end{equation*} $$
अब हम प्रतिबिंब द्वारा नेत्र पर अंतरित कोण, जबकि बिंब $u$ पर रखा है, ज्ञात करते हैं। संबंध
$$ \frac{h^{\prime}}{h}=m=\frac{v}{u} $$
से प्रतिबिंब द्वारा नेत्र पर अंतरित कोण
$\tan \theta _{i}=\frac{h^{\prime}}{-v}=\frac{h}{-v} \cdot \frac{v}{u}=\frac{h}{-u} \approx \theta$; बिंब द्वारा अंतरित कोण, जबकि बिंब अब $u=-f$ पर है
$$ \begin{equation*} \theta _{i}=\left(\frac{h}{f}\right) \tag{9.41} \end{equation*} $$
जैसा कि चित्र 9.23 (c) से स्पष्ट है। अतः कोणीय आवर्धन (आवर्धन क्षमता) है
$$ \begin{equation*} m=\left(\frac{\theta _{i}}{\theta _{0}}\right)=\frac{D}{f} \tag{9.42} \end{equation*} $$
यह उस स्थिति के आवर्धन की तुलना में एक कम है, जिसमें प्रतिबिंब निकट बिंदु पर बनता है, समीकरण (9.39), परंतु प्रतिबिंब देखना अपेक्षाकृत अधिक आरामदायक होता है तथा आवर्धन में अंतर भी अपेक्षाकृत कम है। प्रकाशिक यंत्रों (सूक्ष्मदर्शी तथा दूरबीन) से संबंधित आगामी चर्चाओं में हम यह मानेंगे कि प्रतिबिंब अनंत पर बने हैं।
चित्र 9.24 संयुक्त सूक्ष्मदर्शी द्वारा प्रतिबिंब बनने का किरण आरेख।
वास्तविक फ़ोकस दूरियों के लेंसों के लिए किसी सरल सूक्ष्मदर्शी का अधिकतम आवर्धन $(\leq 9)$ होता है। अधिक आवर्धन के लिए दो लेंसों का उपयोग किया जाता है, जिनमें एक लेंस दूसरे लेंस के प्रभाव को संयुक्त (बढ़ाता) करता है। इसे संयुक्त सूक्ष्मदर्शी कहते हैं। चित्र 9.24 में संयुक्त सूक्ष्मदर्शी का व्यवस्था आरेख दर्शाया गया है। बिंब के सबसे निकट के लेंस को अभिदृश्यक (objective) कहते हैं जो बिंब का वास्तविक, उलटा, आवर्धित प्रतिबिंब बनाता है। यह प्रतिबिंब दूसरे लेंस के लिए बिंब का कार्य करता है। इस दूसरे लेंस को नेत्रिका (eye-piece) कहते हैं, जो वास्तविक रूप से सरल सूक्ष्मदर्शी अथवा आवर्धक के रूप में कार्य करके अंतिम आवर्धित आभासी प्रतिबिंब बनाता है। इस प्रकार पहला उलटा प्रतिबिंब नेत्रिका के फोकस बिंदु के निकट (फ़ोकस पर या इसके अंदर) होता है, यह नेत्रिका से इतनी दूरी पर होता है जो अंतिम प्रतिबिंब को अनंत पर बनाने के लिए उपयुक्त होती है तथा उस स्थिति के भी काफ़ी निकट होती है जिस पर यदि प्रतिबिंब स्थित हो तो अंतिम निकट बिंदु पर बने। स्पष्टतः, अंतिम प्रतिबिंब मूल बिंब के सापेक्ष उलटा बनता है।
अब हम संयुक्त सूक्ष्मदर्शी के कारण आवर्धन प्राप्त करेंगे। चित्र 9.24 का किरण आरेख यह दर्शाता है कि अभिदृश्यक के कारण (रैखिक) आवर्धन, अर्थात $h^{\prime} / h$, बराबर है
$$ \begin{equation*} m _{0}=\frac{h^{\prime}}{h}=\frac{L}{f _{0}} \tag{9.43} \end{equation*} $$
यहाँ हमने इस परिमाण का उपयोग किया है
$$ \tan \beta=\left(\frac{h}{f _{0}}\right)=\left(\frac{h^{\prime}}{L}\right) $$
यहाँ $h^{\prime}$ पहले प्रतिबिंब का साइज़ है तथा बिंब का साइज़ $h$ एवं अभिदृश्यक की फ़ोकस दूरी $f _{0}$ है। पहला प्रतिबिंब नेत्रिका के फ़ोकस बिंदु के निकट बनता है। दूरी $L$, अर्थात, अभिदृश्यक के द्वितीय फ़ोकस बिंदु तथा नेत्रिका (फ़ोकस दूरी $f _{e}$ ) के पहले फ़ोकस बिंदु के बीच की दूरी को संयुक्त सूक्ष्मदर्शी की ट्यूब लंबाई कहते हैं।
क्योंकि पहला उलटा प्रतिबिंब नेत्रिका के फ़ोकस बिंदु के निकट बनता है, उपरोक्त चर्चा से प्राप्त परिणाम का उपयोग हम सरल सूक्ष्मदर्शी के लिए करके इसके कारण (कोणीय) आवर्धन $m _{e}$ प्राप्त करते हैं [समीकरण 9.39], जबकि अंतिम प्रतिबिंब किसी निकट बिंदु पर बनता है। यह है
$$ \begin{equation*} m _{e}=\left(1+\frac{D}{f _{e}}\right) \tag{9.44a} \end{equation*} $$
जब प्रतिबिंब अनंत पर बनता है तो नेत्रिका के कारण कोणीय आवर्धन [समीकरण (9.42)] है
$$ \begin{equation*} m_{e}=\left(D / f_{e}\right) \tag{9.44b} \end{equation*} $$
अतः कुल आवर्धन [समीकरण (9.33) के अनुसार], जबकि प्रतिबिंब अनंत पर बनता है, है
$$ \begin{equation*} m=m _{0} m _{e}=\left(\frac{L}{f _{0}}\right)\left(\frac{D}{f _{e}}\right) \tag{9.45} \end{equation*} $$
स्पष्ट है कि किसी छोटी वस्तु का बड़ा आवर्धन प्राप्त करने के लिए (इसीलिए सूक्ष्मदर्शी नाम रखा गया है) अभिदृश्यक तथा नेत्रिका की फ़ोकस दूरी कम होनी चाहिए। व्यवहार में, $1 \mathrm{~cm}$ से कम फ़ोकस दूरी का लेंस बनाना अत्यंत कठिन कार्य है। इसी के साथ $L$ को बड़ा करने के लिए बड़े लेंसों की आवश्यकता होती है।
उदाहरण के लिए, किसी $f _{o}=1.0 \mathrm{~cm}$ के अभिदृश्यक $f _{e}=2.0 \mathrm{~cm}$ की नेत्रिका तथा ट्यूब लंबाई $(L)=20 \mathrm{~cm}$ के लिए संयुक्त सूक्ष्मदर्शी का आवर्धन
$$ \begin{aligned} m=m _{0} m _{e}= & \left(\frac{L}{f _{0}}\right)\left(\frac{D}{f _{e}}\right) \end{aligned} $$
$$ \begin{aligned} & =\frac{20}{1} \times \frac{25}{2}=250 \end{aligned} $$
अन्य विभिन्न कारक जैसे वस्तु की प्रदीप्ति भी प्रतिबिंब की दृश्यता एवं गुणता में महत्वपूर्ण योगदान देते हैं। आधुनिक सूक्ष्मदर्शियों में, अभिदृश्यक तथा नेत्रिका बहुअवयवी लेंसों द्वारा बनाए जाते हैं, जिनके कारण लेंसों के प्रकाशिक विपथनों (दोष) को कम करके प्रतिबिंबों की गुणता में सुधार किया जाता है।
9.7.2 दूरदर्शक
दूरदर्शक अथवा दूरबीन (चित्र 9.25) का उपयोग दूर की वस्तुओं को कोणीय आवर्धन प्रदान करने के लिए किया जाता है। इसमें भी एक अभिदृश्यक तथा एक नेत्रिका होती है। परंतु यहाँ पर, नेत्रिका की अपेक्षा अभिदृश्यक की फ़ोकस दूरी अधिक तथा इसका द्वारक भी काफ़ी अधिक होता है। किसी दूरस्थ बिंब से चलकर प्रकाश अभिदृश्यक में प्रवेश करता है तथा ट्यूब के अंदर इसके द्वितीय फ़ोकस पर वास्तविक प्रतिबिंब बनता है। नेत्रिका इस प्रतिबिंब को आवर्धित करके अंतिम उलटा प्रतिबिंब बनाती है। आवर्धन क्षमता $m$, प्रतिबिंब द्वारा नेत्र पर अंतरित कोण $\beta$ तथा बिंब द्वारा नेत्र पर अथवा लेंस पर अंतरित कोण $\alpha$ के अनुपात द्वारा परिभाषित किया जाता है। अतः
$$ \begin{equation*} m \approx \frac{\beta}{\alpha} \approx \frac{h}{f _{e}} \cdot \frac{f _{0}}{h}=\frac{f _{0}}{f _{e}} \tag{9.46} \end{equation*} $$
इस स्थिति में, दूरदर्शक की ट्यूब की लंबाई है $f _{o}+f _{e}$
पार्थिव दूरदर्शकों में, इन लेंसों के अतिरिक्त, प्रतिलोमी लेंसों का एक युगल होता है जो अंतिम प्रतिबिंब को सीधा बना देता है। अपवर्ती दूरदर्शक का उपयोग पार्थिव एवं खगोलीय दोनों प्रकार के प्रेक्षणों के लिए किया जा सकता है। उदाहरण के लिए, किसी ऐसे दूरदर्शक पर विचार कीजिए जिसके अभिदृश्यक की फ़ोकस दूरी $100 \mathrm{~cm}$ तथा नेत्रिका की फ़ोकस दूरी $1 \mathrm{~cm}$ है। इस दूरबीन की आवर्धन क्षमता $ \mathrm{m}=100 / 1=100 $
अब किन्हीं दो तारों के युगल पर विचार कीजिए जिनका वास्तविक पृथकन $1^{\prime}$ (1 मिनट का चाप) है। ये तारे उपरोक्त दूरदर्शक से देखने पर इस प्रकार प्रतीत होते हैं जैसे कि इनके बीच के पृथकन-कोण $100 \times 1^{\prime}=100^{\prime}=1.67^{\circ}$ है।
चित्र 9.25 परावर्ती दूरदर्शक (कैसेग्रेन) का व्यवस्था आरेख
किसी खगोलीय दूरदर्शक के बारे में ध्यान देने योग्य मुख्य बातें उसकी प्रकाश संग्रहण क्षमता तथा इसकी विभेदन क्षमता अथवा विभेदन है। प्रकाश संग्रहण क्षमता स्पष्ट रूप से दूरदर्शक के अभिदृश्यक के क्षेत्रफल पर निर्भर करती है। यदि अभिदृश्यक का व्यास बड़ा है तो धुँधले पिंडों का भी प्रेक्षण किया जा सकता है। विभेदन क्षमता अथवा एक ही दिशा में दो अत्यधिक निकट की वस्तुओं को सुस्पष्टतः भिन्न प्रेक्षित करने की योग्यता भी अभिदृश्यक के व्यास पर निर्भर करती है। अतः प्रकाशिक दूरदर्शक में वांछित उद्देश्य यह होता है। कि अभिदृश्यक का व्यास अधिकतम हो। आजकल उपयोग होने वाले अभिदृश्यक लेंस का अधिकतम व्यास 40 इंच $(\sim 1.02 \mathrm{~m})$ है। यह दूरदर्शक यर्केज वेधशाला, विस्कॉनसिन, संयुक्त राज्य अमेरिका में है। इतने बड़े लेंस अत्यधिक भारी होते हैं, अतः इन्हें बनाना तथा किनारों के सहारे टिकाकर रखना कठिन कार्य है। इसके अतिरिक्त इतने बड़े साइज़ के लेंसों को इस प्रकार बनाना कि प्रतिबिंबों में वर्ण विपथन तथा अन्य विरूपण न आएँ, बहुत कठिन तथा महँगा कार्य है।
चित्र 9.26 परावर्ती दूरदर्शक (कैसेग्रेन) का व्यवस्था आरेख।
यही कारण है कि आधुनिक दूरदर्शकों में अभिदृश्यक के रूप में लेंस के स्थान पर अवतल दर्पण का उपयोग किया जाता है। ऐसे दूरदर्शकों को जिनमें अभिदृश्यक दर्पण होता है, परावर्ती दूरदर्शक (दूरबीन) कहते हैं। दर्पण में कोई वर्ण विपथन नहीं होता। यांत्रिक सहारा देने की समस्या भी काफ़ी कम होती है क्योंकि लेंस की तुलना में, तुल्य प्रकाशिक गुणता का दर्पण अपेक्षाकृत कम भारी होता है तथा दर्पण को केवल रिम पर ही सहारा देने की बजाय उसके समस्त पीछे के पृष्ठ को सहारा प्रदान किया जा सकता है। परावर्ती दूरबीन की एक सुस्पष्ट समस्या यह होती है कि अभिदृश्यक दर्पण दूरदर्शक की नली के भीतर प्रकाश को फ़ोकसित करता है। अतः नेत्रिका तथा प्रेक्षक को उसी स्थान पर होना चाहिए जिससे प्रकाश के मार्ग में अवरोध के कारण कुछ प्रकाश कम हो जाता है (यह अवरोध प्रेक्षक के बैठने के लिए बनाए गए पिंजरेनुमा कमरे के साइज़ पर निर्भर करता है)। ऐसा ही प्रयोग अति विशाल 200 इंच $(\sim 5.08 \mathrm{~m}$ ) व्यास के माउंट पेलोमर दूरदर्शक, कैलिफ़ोर्निया में किया गया है। प्रेक्षक एक छोटे पिंजरे में दर्पण के फ़ोकस बिंदु के निकट बैठता है। इस समस्या का एक अन्य समाधान यह है कि फोकसित होने वाले प्रकाश को किसी अन्य दर्पण द्वारा विक्षेपित कर दिया जाए। ऐसी ही एक व्यवस्था चित्र 9.26 में दर्शायी गई है, जिसमें आपतित प्रकाश को फ़ोकसित करने के लिए किसी उत्तल द्वितीयक दर्पण का उपयोग किया जाता है जो अब अभिदृश्यक (प्राथमिक दर्पण) के छिद्र से गुज़रता है। इस दूरदर्शक को इसके आविष्कारक के नाम पर कैसेग्रेन दूरदर्शक (Cassegrain telescope) कहते हैं। इसका एक लाभ यह है कि छोटे दूरदर्शक में बड़ी फ़ोकस दूरी होती है। भारतवर्ष में सबसे बड़ा दूरदर्शक कवलूर, तमिलनाडु में है। यह $2.34 \mathrm{~m}$ व्यास की कैसेग्रेन परावर्ती दूरदर्शक है। इसे घर्षित किया गया, फिर पॉलिश की गई और व्यवस्थित किया गया तथा अब इसे भारतीय खगोल भौतिकी संस्थान, बंगलुरू द्वारा प्रयोग किया जा रहा है। संसार का सबसे बड़ा परावर्ती दूरदर्शक हवाई, संयुक्त राज्य अमेरिका में कैक दूरदर्शकों का युगल है जिसके परावर्तक का व्यास 10 मीटर है।
सारांश
1. परावर्तन समीकरण $\angle i=\angle r^{\prime}$ द्वारा तथा अपवर्तन स्नेल के नियम $\sin i / \sin r=n$ द्वारा अभिनियंत्रित होता है, जहाँ आपतित किरण, परावर्तित किरण, अपवर्तित किरण तथा अभिलंब एक ही समतल में होते हैं। यहाँ पर कोण $i, r^{\prime}$ तथा $r$, क्रमशः आपतन कोण, परावर्तन कोण तथा अपवर्तन कोण हैं।
2. सघन माध्यम से विरल माध्यम में आपतित किरण के लिए क्रांतिक आपतन कोण $i _{c}$ वह कोण है जिसके लिए अपवर्तन कोण $90^{\circ}$ है। $i>i _{c}$ होने पर पूर्ण आंतरिक परावर्तन होता है। हीरे में बहुगुणित आंतरिक परावर्तन $\left(i _{c} \cong 24.4^{\circ}\right)$, पूर्ण परावर्तक प्रिज़्म तथा मरीचिका, पूर्ण आंतरिक परावर्तन के कुछ उदाहरण हैं। प्रकाशिक तंतु, काँच के तंतुओं के बने होते हैं जिन पर अपेक्षाकृत कम अपवर्तनांक के पदार्थ की पतली परत का लेपन होता है। प्रकाशिक तंतु के किसी एक सिरे पर आपतित प्रकाश, बहुगुणित आंतरिक परावर्तन द्वारा दूसरे सिरे से निकलता है, प्रकाशिक तंतु के मुड़ा होने पर भी ऐसा होता है।
3. कार्तीय चिह्न परिपाटी- आपतित प्रकाश की दिशा में मापी गई दूरियाँ धनात्मक तथा इसके विपरीत दिशा में मापी गई दूरियाँ ऋणात्मक ली जाती हैं। सभी दूरियाँ मुख्य अक्ष पर दर्पण के ध्रुव/लेंस के प्रकाशिक केंद्र से मापी जाती हैं। $x$-अक्ष के उपरिमुखी तथा दर्पण/लेंस के मुख्य अक्ष के अभिलंबवत मापी गई ऊँचाइयाँ धनात्मक ली जाती हैं। अधोमुखी दिशा में मापी गई ऊँचाइयाँ ऋणात्मक ली जाती हैं।
4. दर्पण समीकरण
$\frac{1}{v}+\frac{1}{u}=\frac{1}{f}$
यहाँ $u$ तथा $v$ क्रमशः बिंब दूरी तथा प्रतिबिंब दूरी हैं तथा $f$ दर्पण की फ़ोकस दूरी है। $f$ (सन्निकटतः) वक्रता त्रिज्या $R$ की आधी होती है। अवतल दर्पण के लिए $f$ ॠणात्मक तथा उत्तल दर्पण के लिए $f$ धनात्मक होता है।
5. प्रिज्म कोण $A$, अपवर्तनांक $n_2$ के किसी प्रिज्म के लिए जो $n_1$ अपवर्तनांक के किसी माध्यम में रखा है। $$ n_{21}=\frac{n_2}{n_1}=\frac{\sin \left[\left(A+D_m\right) / 2\right]}{\sin (A / 2)} $$
यहाँ $D_m$ न्यूनतम विचलन कोण है।
6. किसी गोलीय अंतरापृष्ठ से अपवर्तन [माध्यम 1 (अपवर्तनांक $n_1$ ) से माध्यम 2 (अपवर्तनांक $n_2$ ) की ओर]
$$ \frac{n_2}{v}-\frac{n_1}{u}=\frac{n_2-n_1}{R} $$
पतले लेंस के लिए सूत्र
$$ \frac{1}{v}-\frac{1}{u}=\frac{1}{f} $$
लेंस-मेकर सूत्र
$$ \frac{1}{f}=\frac{\left(n_2-n_1\right)}{n_1}\left(\frac{1}{R_1}-\frac{1}{R_2}\right) $$
$R_1$ तथा $R_2$ लेंस के पृष्ठों की वक्रता त्रिज्याएँ हैं। अभिसारी लेंस के लिए $f$ धनात्मक है; अपसारी लेंस के लिए $f$ ॠणात्मक है। लेंस की क्षमता $P=1 / f$ । लेंस की क्षमता का SI मात्रक डाइऑप्टर (D) है; $1 \mathrm{D}=1 \mathrm{~m}^{-1}$ । यदि $f_1, f_2, f_3,$. फ़ोकस दूरी के कई पतले लेंस संपर्क में रखे हों तो इस संयोजन की प्रभावी फ़ोकस दूरी होगी
$$ \frac{1}{f}=\frac{1}{f_1}+\frac{1}{f_2}+\frac{1}{f_3}+\ldots $$
अनेक लेंसों के संयोजन की कुल क्षमता
$$ P=P_1+P_2+P_3+\ldots $$
7. प्रकाश का परिक्षेपण, प्रकाश का अपने संघटक वर्णों में विपाटन (विघटन) होता है।
8. किसी सरल सूक्ष्मदर्शी की आवर्धन क्षमता के परिमाण $m$ को $m=1+(D / f)$ द्वारा व्यक्त किया जाता है, यहाँ $D=25 \mathrm{~cm}$, स्पष्ट दर्शन की अल्पतम दूरी है तथा $f$ उत्तल लेंस की फोकस दूरी है। यदि प्रतिबिंब अनंत पर बने तब $m=D / f$ होगा। किसी संयुक्त सूक्ष्मदर्शी के लिए आवर्धन क्षमता $m$ को $m=m _{e} \times m _{0}$ के द्वारा व्यक्त किया जाता है, यहाँ $m _{e}=1+\left(D / f _{e}\right)$ नेत्रिका का आवर्धन तथा $m _{0}$ अभिदृश्यक द्वारा उत्पन्न आवर्धन है। सन्निकटत:
$$ m=\frac{L}{f _{0}} \times \frac{D}{f _{e}} $$
यहाँ $f _{\mathrm{o}}$ तथा $f _{e}$ क्रमशः अभिदृश्यक तथा नेत्रिका की फ़ोकस दूरियाँ हैं तथा $L$ इन दोनों के फ़ोकस बिंदुओं के बीच की दूरी है।
9. किसी दूरबीन की आवर्धन क्षमता, प्रतिबिंब द्वारा नेत्र पर अंतरित कोण $\beta$ तथा बिंब द्वारा नेत्र पर अंतरित कोण $\alpha$ का अनुपात होती है।
$$ m=\frac{\beta}{\alpha}=\frac{f _{0}}{f _{e}}, $$
यहाँ $f _{0}$ तथा $f _{e}$ क्रमशः अभिदृश्यक तथा नेत्रिका की फ़ोकस दूरियाँ हैं।
विचारणीय विषय
1. आपतन बिंदु पर परावर्तन तथा अपवर्तन के नियम सभी पृष्ठों तथा माध्यमों के युगलों के लिए मान्य हैं।
2. किसी उत्तल लेंस से $f$ तथा $2 f$ के बीच रखे किसी बिंब के वास्तविक प्रतिबिंब को प्रतिबिंब-स्थिति पर रखे पर्दे पर देखा जा सकता है। यदि पर्दे को हटा दें तो क्या फिर भी प्रतिबिंब वहाँ रहता है? यह प्रश्न बहुतों को दुविधा में डालता है, क्योंकि हमें स्वयं को भी यह समझा पाना कठिन होता है कि कोई प्रतिबिंब बिना किसी पर्दे के वायु में निलंबित कैसे रह सकता है। परंतु प्रतिबिंब तो वहाँ रहता ही है। बिंब के किसी बिंदु से निर्गत प्रकाश किरणें दिक्स्थान में किसी प्रतिबिंब बिंदु पर अभिसरित होकर अपसरित हो जाती हैं। परदा केवल इन किरणों को विसरित करता है जिनमें से कुछ किरणें हमारे नेत्रों तक पहुँचती हैं और हम प्रतिबिंब देख पाते हैं। किसी लेज़र प्रदर्शन के समय बने प्रतिबिंबों द्वारा इसे देखा जा सकता है।
3. प्रतिबिंब बनने के लिए नियमित परावर्तन/अपवर्तन की आवश्यकता होती है। सिद्धांत रूप में, किसी बिंदु से निर्गत सभी किरणें एक ही प्रतिबिंब बिंदु पर पहुँचनी चाहिए। यही कारण है कि आप किसी अनियमित परावर्ती पृष्ठ, जैसे किसी पुस्तक के पृष्ठ में अपना प्रतिबिंब नहीं देखते।
4. मोटे लेंस परिक्षेपण के कारण रंगीन प्रतिबिंब बनाते हैं। हमारे चारों ओर की वस्तुओं के रंगों में विविधता उन पर आपतित प्रकाश के रंगों के संघटकों के कारण होती है। किसी वस्तु को एकवर्णी प्रकाश में देखने पर तथा श्वेत प्रकाश में देखने पर उस वस्तु के विषय में बिलकुल ही अलग बोध होता है।
5. किसी सरल सूक्ष्मदर्शी के लिए बिंब का कोणीय साइज़, प्रतिबिंब के कोणीय साइज़ के बराबर होता है। फिर भी वह आवर्धन प्रदान करता है क्योंकि आप सूक्ष्मदर्शी का उपयोग करते समय किसी छोटी वस्तु को अपने नेत्रों के बहुत निकट $(25 \mathrm{~cm}$ से भी कम दूरी पर) रख सकते हैं, जिसके फलस्वरूप वह नेत्र पर बड़ा कोण अंतरित करता है। प्रतिबिंब, जिसे हम देख सकते हैं, $25 \mathrm{~cm}$ दूरी पर है। बिना सूक्ष्मदर्शी के आपको उस छोटी वस्तु को स्पष्ट देख पाने के लिए $25 \mathrm{~cm}$ दूरी पर रखना होगा और तब वह आपके नेत्र पर बहुत छोटा कोण अंतरित करेगा।
अभ्यास
9.1 $2 .5 \mathrm{~cm}$ साइज़ की कोई छोटी मोमबत्ती $36 \mathrm{~cm}$ वक्रता त्रिज्या के किसी अवतल दर्पण से 27 $\mathrm{cm}$ दूरी पर रखी है। दर्पण से किसी परदे को कितनी दूरी पर रखा जाए कि उसका सुस्पष्ट प्रतिबिंब परदे पर बने। प्रतिबिंब की प्रकृति और साइज़ का वर्णन कीजिए। यदि मोमबत्ती को दर्पण की ओर ले जाएँ, तो परदे को किस ओर हटाना पड़ेगा?
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# Content Missing9.2 $4 .5 \mathrm{~cm}$ साइज़ की कोई सुई $15 \mathrm{~cm}$ फोकस दूरी के किसी उत्तल दर्पण से $12 \mathrm{~cm}$ दूर रखी है। प्रतिबिंब की स्थिति तथा आवर्धन लिखिए। क्या होता है जब सुई को दर्पण से दूर ले जाते हैं? वर्णन कीजिए।
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# Content Missing9.3 कोई टैंक $12.5 \mathrm{~cm}$ ऊँचाई तक जल से भरा है। किसी सूक्ष्मदर्शी द्वारा बीकर की तली पर पड़ी किसी सुई की आभासी गहराई $9.4 \mathrm{~cm}$ मापी जाती है। जल का अपवर्तनांक क्या है? बीकर में उसी ऊँचाई तक जल के स्थान पर किसी 1.63 अपवर्तनांक के अन्य द्रव से प्रतिस्थापन करने पर सुई को पुन: फ़ोकसित करने के लिए सूक्ष्मदर्शी को कितना ऊपर/नीचे ले जाना होगा?
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# Content Missing9.4 चित्र 9.27 (a) तथा (b) में किसी आपतित किरण का अपवर्तन दर्शाया गया है जो वायु में क्रमशः काँच-वायु तथा जल-वायु अंतरापृष्ठ के अभिलंब से $60^{\circ}$ का कोण बनाती है। उस आपतित किरण का अपवर्तन कोण ज्ञात कीजिए, जो जल में जल-काँच अंतरापृष्ठ के अभिलंब से $45^{\circ}$ का कोण बनाती है [चित्र 9.27 (c)]।
चित्र 9.27
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# Content Missing9.5 जल से भरे $80 \mathrm{~cm}$ गहराई के किसी टैंक की तली पर कोई छोटा बल्ब रखा गया है। जल के पृष्ठ का वह क्षेत्र ज्ञात कीजिए जिससे बल्ब का प्रकाश निर्गत हो सकता है। जल का अपवर्तनांक 1.33 है। (बल्ब को बिंदु प्रकाश स्रोत मानिए।)
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# Content Missing9.6 कोई प्रिज़्म अज्ञात अपवर्तनांक के काँच का बना है। कोई समांतर प्रकाश-पुंज इस प्रिज़्म के किसी फलक पर आपतित होता है। प्रिज़्म का न्यूनतम विचलन कोण $40^{\circ}$ मापा गया। प्रिज्म के पदार्थ का अपवर्तनांक क्या है? प्रिज़्म का अपवर्तन कोण $60^{\circ}$ है। यदि प्रिज़्म को जल (अपवर्तनांक 1.33) में रख दिया जाए तो प्रकाश के समांतर पुंज के लिए नए न्यूनतम विचलन कोण का परिकलन कीजिए।
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# Content Missing9.7 अपवर्तनांक 1.55 के काँच से दोनों फलकों की समान वक्रता त्रिज्या के उभयोत्तल लेंस निर्मित करने हैं। यदि $20 \mathrm{~cm}$ फ़ोकस दूरी के लेंस निर्मित करने हैं तो अपेक्षित वक्रता त्रिज्या क्या होगी?
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# Content Missing9.8 कोई प्रकाश-पुंज किसी बिंदु $\mathrm{P}$ पर अभिसरित होता है। कोई लेंस इस अभिसारी पुंज के पथ में बिंदु $P$ से $12 \mathrm{~cm}$ दूर रखा जाता है। यदि यह (a) $20 \mathrm{~cm}$ फ़ोकस दूरी का उत्तल लेंस है, (b) $16 \mathrm{~cm}$ फ़ोकस दूरी का अवतल लेंस है, तो प्रकाश-पुंज किस बिंदु पर अभिसरित होगा?
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# Content Missing9.9 $3 .0 \mathrm{~cm}$ ऊँची कोई बिंब $21 \mathrm{~cm}$ फ़ोकस दूरी के अवतल लेंस के सामने $14 \mathrm{~cm}$ दूरी पर रखी है। लेंस द्वारा निर्मित प्रतिबिंब का वर्णन कीजिए। क्या होता है जब बिंब लेंस से दूर हटती जाती है?
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# Content Missing9.10 किसी $30 \mathrm{~cm}$ फ़ोकस दूरी के उत्तल लेंस के संपर्क में रखे $20 \mathrm{~cm}$ फ़ोकस दूरी के अवतल लेंस के संयोजन से बने संयुक्त लेंस (निकाय) की फ़ोकस दूरी क्या है? यह तंत्र अभिसारी लेंस है अथवा अपसारी? लेंसों की मोटाई की उपेक्षा कीजिए।
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# Content Missing9.11 किसी संयुक्त सूक्ष्मदर्शी में $2.0 \mathrm{~cm}$ फ़ोकस दूरी का अभिदृश्यक लेंस तथा $6.25 \mathrm{~cm}$ फ़ोकस दूरी का नेत्रिका लेंस एक-दूसरे से $15 \mathrm{~cm}$ दूरी पर लगे हैं। किसी बिंब को अभिदृश्यक से कितनी दूरी पर रखा जाए कि अंतिम प्रतिबिंब (a) स्पष्ट दर्शन की अल्पतम दूरी $(25 \mathrm{~cm})$ तथा (b) अनंत पर बने? दोनों स्थितियों में सूक्ष्मदर्शी की आवर्धन क्षमता ज्ञात कीजिए।
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# Content Missing9.12 $25 \mathrm{~cm}$ के सामान्य निकट बिंदु का कोई व्यक्ति ऐसे संयुक्त सूक्ष्मदर्शी जिसका अभिदृश्यक $8.0 \mathrm{~mm}$ फ़ोकस दूरी तथा नेत्रिका $2.5 \mathrm{~cm}$ फ़ोकस दूरी की है, का उपयोग करके अभिदृश्यक से $9.0 \mathrm{~mm}$ दूरी पर रखे बिंब को सुस्पष्ट फ़ोकसित कर लेता है। दोनों लेंसों के बीच पृथकन दूरी क्या है? सूक्ष्मदर्शी की आवर्धन क्षमता क्या है?
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# Content Missing9.13 किसी छोटी दूरबीन के अभिदृश्यक की फ़ोकस दूरी $144 \mathrm{~cm}$ तथा नेत्रिका की फ़ोकस दूरी $6.0 \mathrm{~cm}$ है। दूरबीन की आवर्धन क्षमता कितनी है? अभिदृश्यक तथा नेत्रिका के बीच पृथकन दूरी क्या है?
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# Content Missing9.14 (a) किसी वेधशाला की विशाल दूरबीन के अभिदृश्यक की फ़ोकस दूरी $15 \mathrm{~m}$ है। यदि $1.0 \mathrm{~cm}$ फ़ोकस दूरी की नेत्रिका प्रयुक्त की गयी है, तो दूरबीन का कोणीय आवर्धन क्या है?
(b) यदि इस दूरबीन का उपयोग चंद्रमा का अवलोकन करने में किया जाए तो अभिदृश्यक लेंस द्वारा निर्मित चंद्रमा के प्रतिबिंब का व्यास क्या है? चंद्रमा का व्यास $3.48 \times 10^{6} \mathrm{~m}$ तथा चंद्रमा की कक्षा की त्रिज्या $3.8 \times 10^{8} \mathrm{~m}$ है।
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# Content Missing9.15 दर्पण-सूत्र का उपयोग यह व्युत्पन्न करने के लिए कीजिए कि
(a) किसी अवतल दर्पण के $f$ तथा $2 f$ के बीच रखे बिंब का वास्तविक प्रतिबिंब $2 f$ से दूर बनता है।
(b) उत्तल दर्पण द्वारा सदैव आभासी प्रतिबिंब बनता है जो बिंब की स्थिति पर निर्भर नहीं करता।
(c) उत्तल दर्पण द्वारा सदैव आकार में छोटा प्रतिबिंब, दर्पण के ध्रुव व फ़ोकस के बीच बनता है।
(d) अवतल दर्पण के ध्रुव तथा फ़ोकस के बीच रखे बिंब का आभासी तथा बड़ा प्रतिबिंब बनता है।
(नोट : यह अभ्यास आपकी बीजगणितीय विधि द्वारा उन प्रतिबिंबों के गुण व्युत्पन्न करने में सहायता करेगा जिन्हें हम किरण आरेखों द्वारा प्राप्त करते हैं।)
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# Content Missing9.16 किसी मेज के ऊपरी पृष्ठ पर जड़ी एक छोटी पिन को $50 \mathrm{~cm}$ ऊँचाई से देखा जाता है। $15 \mathrm{~cm}$ मोटे आयताकार काँच के गुटके को मेज़ के पृष्ठ के समांतर पिन व नेत्र के बीच रखकर उसी बिंदु से देखने पर पिन नेत्र से कितनी दूर दिखाई देगी? काँच का अपवर्तनांक 1.5 है। क्या उत्तर गुटके की अवस्थिति पर निर्भर करता है?
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# Content Missing9.17 निम्नलिखित प्रश्नों के उत्तर लिखिए : (a) चित्र 9.28 में अपवर्तनांक 1.68 के तंतु काँच से बनी किसी ‘प्रकाश नलिका’ (लाइट पाइप) का अनुप्रस्थ परिच्छेद दर्शाया गया है। नलिका का बाह्य आवरण 1.44 अपवर्तनांक के पदार्थ का बना है। नलिका के अक्ष से आपतित किरणों के कोणों का परिसर, जिनके लिए चित्र में दर्शाए अनुसार नलिका के भीतर पूर्ण परावर्तन होते हैं, ज्ञात कीजिए।
(b) यदि पाइप पर बाह्य आवरण न हो तो क्या उत्तर होगा?
चित्र 9.28
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# Content Missing9.18 किसी कमरे की एक दीवार पर लगे विद्युत बल्ब का किसी बड़े आकार के उत्तल लेंस द्वारा $3 \mathrm{~m}$ दूरी पर स्थित सामने की दीवार पर प्रतिबिंब प्राप्त करना है। इसके लिए उत्तल लेंस की अधिकतम फ़ोकस दूरी क्या होनी चाहिए?
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# Content Missing9.19 किसी परदे को बिंब से $90 \mathrm{~cm}$ दूर रखा गया है। परदे पर किसी उत्तल लेंस द्वारा उसे एक-दूसरे से $20 \mathrm{~cm}$ दूर स्थितियों पर रखकर, दो प्रतिबिंब बनाए जाते हैं। लेंस की फ़ोकस दूरी ज्ञात कीजिए।
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# Content Missing9.20 (a) प्रश्न 9.10 के दो लेंसों के संयोजन की प्रभावी फ़ोकस दूरी उस स्थिति में ज्ञात कीजिए जब उनके मुख्य अक्ष संपाती हैं, तथा ये एक-दूसरे से $8 \mathrm{~cm}$ दूरी पर रखे हैं। क्या उत्तर आपतित समांतर प्रकाश पुंज की दिशा पर निर्भर करेगा? क्या इस तंत्र के लिए प्रभावी फ़ोकस दूरी किसी भी रूप में उपयोगी है?
(b) उपरोक्त व्यवस्था (a) में $1.5 \mathrm{~cm}$ ऊँचा कोई बिंब उत्तल लेंस की ओर रखा है। बिंब की उत्तल लेंस से दूरी $40 \mathrm{~cm}$ है। दो लेंसों के तंत्र द्वारा उत्पन्न आवर्धन तथा प्रतिबिंब का आकार ज्ञात कीजिए।
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# Content Missing9.21 $60^{\circ}$ अपवर्तन कोण के प्रिज्म के फलक पर किसी प्रकाश किरण को किस कोण पर आपतित कराया जाए कि इसका दूसरे फलक से केवल पूर्ण आंतरिक परावर्तन ही हो? प्रिज़्म के पदार्थ का अपवर्तनांक 1.524 है।
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# Content Missing9.22 कोई कार्ड शीट जिसे $1 \mathrm{~mm}^{2}$ साइज़ के वर्गों में विभाजित किया गया है, को $9 \mathrm{~cm}$ दूरी पर रखकर किसी आवर्धक लेंस ( $9 \mathrm{~cm}$ फ़ोकस दूरी का अभिसारी लेंस) द्वारा उसे नेत्र के निकट रखकर देखा जाता है।
(a) लेंस द्वारा उत्पन्न आवर्धन (प्रतिबिंब-साइज़/वस्तु-साइज़) क्या है? आभासी प्रतिबिंब में प्रत्येक वर्ग का क्षेत्रफल क्या है?
(b) लेंस का कोणीय आवर्धन (आवर्धन क्षमता) क्या है?
(c) क्या (a) में आवर्धन क्षमता (b) में आवर्धन के बराबर है? स्पष्ट कीजिए।
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# Content Missing9.23 (a) अभ्यास 9.22 में लेंस को कार्ड शीट से कितनी दूरी पर रखा जाए ताकि वर्गों को अधिकतम संभव आवर्धन क्षमता के साथ सुस्पष्ट देखा जा सके?
(b) इस उदाहरण में आवर्धन (प्रतिबिंब-साइज़/वस्तु-साइज़) क्या है?
(c) क्या इस प्रक्रम में आवर्धन, आवर्धन क्षमता के बराबर है? स्पष्ट कीजिए।
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# Content Missing9.24 अभ्यास 9.23 में वस्तु तथा आवर्धक लेंस के बीच कितनी दूरी होनी चाहिए ताकि आभासी प्रतिबिंब में प्रत्येक वर्ग $6.25 \mathrm{~mm}^{2}$ क्षेत्रफल का प्रतीत हो? क्या आप आवर्धक लेंस को नेत्र के अत्यधिक निकट रखकर इन वर्गों को सुस्पष्ट देख सकेंगे?
[नोट - अभ्यास 9.22 से 9.24 आपको निरपेक्ष साइज़ में आवर्धन तथा किसी यंत्र की आवर्धन क्षमता (कोणीय आवर्धन) के बीच अंतर को स्पष्टतः समझने में सहायता करेंगे।]
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# Content Missing9.25 निम्नलिखित प्रश्नों के उत्तर दीजिए-
(a) किसी वस्तु द्वारा नेत्र पर अंतरित कोण आवर्धक लेंस द्वारा उत्पन्न आभासी प्रतिबिंब द्वारा नेत्र पर अंतरित कोण के बराबर होता है। तब फिर किन अर्थो में कोई आवर्धक लेंस कोणीय आवर्धन प्रदान करता है?
(b) किसी आवर्धक लेंस से देखते समय प्रेक्षक अपने नेत्र को लेंस से अत्यधिक सटाकर रखता है। यदि प्रेक्षक अपने नेत्र को पीछे ले जाए तो क्या कोणीय आवर्धन परिवर्तित हो जाएगा?
(c) किसी सरल सूक्ष्मदर्शी की आवर्धन क्षमता उसकी फ़ोकस दूरी के व्युत्क्रमानुपाती होती है। तब हमें अधिकाधिक आवर्धन क्षमता प्राप्त करने के लिए कम से कम फ़ोकस दूरी के उत्तल लेंस का उपयोग करने से कौन रोकता है?
(d) किसी संयुक्त सूक्ष्मदर्शी के अभिदृश्यक लेंस तथा नेत्रिका लेंस दोनों ही की फ़ोकस दूरी कम क्यों होनी चाहिए?
(e) संयुक्त सूक्ष्मदर्शी द्वारा देखते समय सर्वोत्तम दर्शन के लिए हमारे नेत्र, नेत्रिका पर स्थित न होकर उससे कुछ दूरी पर होने चाहिए। क्यों? नेत्र तथा नेत्रिका के बीच की यह अल्प दूरी कितनी होनी चाहिए?
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# Content Missing9.26 $1 .25 \mathrm{~cm}$ फोकस दूरी का अभिदृश्यक तथा $5 \mathrm{~cm}$ फ़ोकस दूरी की नेत्रिका का उपयोग करके वांछित कोणीय आवर्धन (आवर्धन क्षमता) $30 \mathrm{X}$ होता है। आप संयुक्त सूक्ष्मदर्शी का समायोजन कैसे करेंगे?
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# Content Missing9.27 किसी दूरबीन के अभिदृश्यक की फोकस दूरी $140 \mathrm{~cm}$ तथा नेत्रिका की फोकस दूरी $5.0 \mathrm{~cm}$ है। दूर की वस्तुओं को देखने के लिए दूरबीन की आवर्धन क्षमता क्या होगी जब-
(a) दूरबीन का समायोजन सामान्य है (अर्थात अंतिम प्रतिबिंब अनंत पर बनता है)।
(b) अंतिम प्रतिबिंब स्पष्ट दर्शन की अल्पतम दूरी $(25 \mathrm{~cm})$ पर बनता है।
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# Content Missing9.28 (a) अभ्यास 9.27(a) में वर्णित दूरबीन के लिए अभिदृश्यक लेंस तथा नेत्रिका के बीच पृथकन दूरी क्या है?
(b) यदि इस दूरबीन का उपयोग $3 \mathrm{~km}$ दूर स्थित $100 \mathrm{~m}$ ऊँची मीनार को देखने के लिए किया जाता है तो अभिदृश्यक द्वारा बने मीनार के प्रतिबिंब की ऊँचाई क्या है?
(c) यदि अंतिम प्रतिबिंब $25 \mathrm{~cm}$ दूर बनता है तो अंतिम प्रतिबिंब में मीनार की ऊँचाई क्या है?
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# Content Missing9.29 किसी कैसेग्रेन दूरबीन में चित्र 9.26 में दर्शाए अनुसार दो दर्पणों का प्रयोग किया गया है। इस दूरबीन में दोनों दर्पण एक-दूसरे से $20 \mathrm{~mm}$ दूर रखे गए हैं। यदि बड़े दर्पण की वक्रता त्रिज्या $220 \mathrm{~mm}$ हो तथा छोटे दर्पण की वक्रता त्रिज्या $140 \mathrm{~mm}$ हो तो अनंत पर रखे किसी बिंब का अंतिम प्रतिबिंब कहाँ बनेगा?
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# Content Missing9.30 किसी गैल्वेनोमीटर की कुंडली से जुड़े समतल दर्पण पर लंबवत आपतित प्रकाश (चित्र 9.29), दर्पण से टकराकर अपना पथ पुनः अनुरेखित करता है। गैल्वेनोमीटर की कुंडली में प्रवाहित कोई धारा दर्पण में $3.5^{\circ}$ का परिक्षेपण उत्पन्न करती हैं। दर्पण के सामने $1.5 \mathrm{~m}$ दूरी पर रखे परदे पर प्रकाश के परावर्ती चिह्न में कितना विस्थापन होगा?
चित्र 9.29
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# Content Missing9.31 चित्र 9.30 में कोई समोत्तल लेंस (अपवर्तनांक 1.50) किसी समतल दर्पण के फलक पर किसी द्रव की परत के संपर्क में दर्शाया गया है। कोई छोटी सुई जिसकी नोंक मुख्य अक्ष पर है, अक्ष के अनुदिश ऊपर-नीचे गति कराकर इस प्रकार समायोजित की जाती है कि सुई की नोंक का उलटा प्रतिबिंब सुई की स्थिति पर ही बने। इस स्थिति में सुई की लेंस से दूरी $45.0 \mathrm{~cm}$ है। द्रव को हटाकर प्रयोग को दोहराया जाता है। नयी दूरी $30.0 \mathrm{~cm}$ मापी जाती है। द्रव का अपवर्तनांक क्या है?
चित्र 9.30