Прямоугольник со сторонами и расположен в плоскости главной оптической оси тонкой собирающей линзы с оптической силой так, что две его стороны параллельны плоскости линзы (см. рисунок). Расстояние от дальней стороны прямоугольника до плоскости линзы . Определите площадь изображения прямоугольника в линзе. Сделайте рисунок, на котором постройте изображение прямоугольника в линзе, указав ход всех необходимых для построения лучей.

Решение:
Фокусное расстояние тонкой собирающей линзы связано с оптической силой формулой: Обозначим вершины прямоугольника через . Дальняя сторона находится на расстоянии от плоскости линзы, а ближняя сторона — на расстоянии: Поскольку расстояния и превышают фокусное расстояние линзы (), изображение предмета получается действительным и перевёрнутым.
Построение изображения вершин:
- Луч, выходящий из точки вдоль верхней стороны параллельно главной оптической оси, преломляется линзой и проходит через задний фокус . На этой прямой лежат действительные изображения вершин и .
- Лучи, проходящие из вершин и через оптический центр линзы , не испытывают преломления. Их пересечения с лучом, прошедшим через задний фокус, однозначно задают положения точек и .
- Вследствие симметрии фигуры относительно главной оптической оси вершины и располагаются зеркально точкам и . Результирующее изображение представляет собой равнобедренную трапецию с основаниями и , перпендикулярными главной оптической оси.

По формуле тонкой собирающей линзы найдём расстояния от линзы до плоскостей изображений (для стороны ) и (для стороны ): Высота получившейся трапеции равна расстоянию между плоскостями оснований вдоль главной оптической оси: Длины оснований определяются через поперечное увеличение линзы : Площадь трапеции вычисляется по формуле:
Ответ: