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Lentes
Problema
2022 · Ordinaria · Titular
A4
Examen

Dos lentes convergentes idénticas están separadas 16 cm16 \text{ cm}. Cuando un objeto se sitúa a una cierta distancia a la izquierda de la primera lente, se encuentra que cada una de ellas opera con aumento igual a 1-1.

a) Determine la potencia de las lentes.b) ¿Cuánto y hacia dónde debe desplazarse la segunda lente para lograr que la imagen del sistema se forme en el infinito?
Lentes convergentesAumento lateralPotencia de una lente
a) Determine la potencia de las lentes.

Para una lente delgada, la relación entre la distancia objeto ss, la distancia imagen ss' y la distancia focal ff viene dada por la ecuación del fabricante de lentes:

1s+1s=1f\frac{1}{s} + \frac{1}{s'} = \frac{1}{f}

El aumento lateral MM se define como:

M=ssM = -\frac{s'}{s}

Dado que cada lente opera con un aumento de M=1M = -1, tenemos:

1=ss    s=s-1 = -\frac{s'}{s} \implies s' = s

Sustituyendo esta relación en la ecuación de las lentes:

1s+1s=1f    2s=1f    s=2f\frac{1}{s} + \frac{1}{s} = \frac{1}{f} \implies \frac{2}{s} = \frac{1}{f} \implies s = 2f

Por lo tanto, s=2fs' = 2f. Esto significa que el objeto para cada lente se encuentra a una distancia de 2f2f de la lente, y la imagen también se forma a una distancia de 2f2f de la lente, en el lado opuesto.Para la primera lente (L1L_1), el objeto está a una distancia s1=2fs_1 = 2f y la imagen I1I_1 se forma a una distancia s1=2fs'_1 = 2f a la derecha de L1L_1.Esta imagen I1I_1 actúa como objeto para la segunda lente (L2L_2). La distancia entre las lentes es d=16 cmd = 16 \text{ cm}. La distancia del objeto a la segunda lente, s2s_2, será:

s2=ds1s_2 = d - s'_1

Dado que la segunda lente también opera con M=1M = -1 y es idéntica, su objeto también debe estar a una distancia s2=2fs_2 = 2f.Sustituyendo los valores en la ecuación de s2s_2:

2f=d2f2f = d - 2f
4f=d4f = d

Despejando la distancia focal ff:

f=d4=16 cm4=4 cmf = \frac{d}{4} = \frac{16 \text{ cm}}{4} = 4 \text{ cm}

La potencia de una lente PP se define como el inverso de su distancia focal en metros:

P=1fP = \frac{1}{f}

Convirtiendo la distancia focal a metros: f=4 cm=0.04 mf = 4 \text{ cm} = 0.04 \text{ m}.

P=10.04 m=25 DP = \frac{1}{0.04 \text{ m}} = 25 \text{ D}

La potencia de las lentes es de 25 dioptrıˊas25 \text{ dioptrías}.

b) ¿Cuánto y hacia dónde debe desplazarse la segunda lente para lograr que la imagen del sistema se forme en el infinito?

Para que la imagen final del sistema se forme en el infinito, el objeto de la segunda lente debe colocarse en su punto focal. Es decir, la imagen formada por la primera lente (I1I_1) debe coincidir con el foco de la segunda lente.La distancia focal de las lentes es f=4 cmf = 4 \text{ cm}.Según el apartado a), el objeto original para la primera lente se sitúa a una distancia s1=2f=2(4 cm)=8 cms_1 = 2f = 2(4 \text{ cm}) = 8 \text{ cm}. La imagen formada por la primera lente (I1I_1) se encuentra a una distancia s1=2f=8 cms'_1 = 2f = 8 \text{ cm} a la derecha de la primera lente.Para que la imagen final se forme en el infinito, la imagen I1I_1 (que actúa como objeto para L2L_2) debe estar situada en el foco de L2L_2. Esto significa que la distancia del objeto para L2L_2, s2s_2, debe ser igual a la distancia focal ff de L2L_2. Es decir, s2=f=4 cms_2 = f = 4 \text{ cm}.Sea dd' la nueva distancia entre las lentes. Entonces, la distancia del objeto para L2L_2 es s2=ds1s_2 = d' - s'_1.

f=ds1f = d' - s'_1

Sustituyendo los valores conocidos:

4 cm=d8 cm4 \text{ cm} = d' - 8 \text{ cm}
d=4 cm+8 cm=12 cmd' = 4 \text{ cm} + 8 \text{ cm} = 12 \text{ cm}

La nueva distancia de separación entre las lentes debe ser de 12 cm12 \text{ cm}.La distancia inicial entre las lentes era d=16 cmd = 16 \text{ cm}.El desplazamiento Δd\Delta d de la segunda lente es la diferencia entre la posición original y la nueva posición:

Δd=dd=16 cm12 cm=4 cm\Delta d = d - d' = 16 \text{ cm} - 12 \text{ cm} = 4 \text{ cm}

Dado que la nueva distancia (12 cm12 \text{ cm}) es menor que la original (16 cm16 \text{ cm}), la segunda lente debe desplazarse 4 cm4 \text{ cm} hacia la primera lente (es decir, a la izquierda).