计算专题3 凸透镜的二阶像散
前言
这一篇专题旨在计算我在竞赛阶段算过三遍却没有一次算对的问题,之前CPhO-S某张试卷中的“凸透镜的像散”. 这是对之前的自我的一次挑战,也是为了14号开始去某物理竞赛机构打工而进行的一次计算能力的复健. 同时,毕竟8月中下旬就要开学,在此之前我还是希望自己的能力,至少是计算能力,要能够维持一定的水准.
希望这次的计算专题能够达到我想要的效果.
问题描述
如图所示,一个凸透镜,两面球面半径分别为r1和r2,光线平行主光轴入射,距离主光轴r. 凸透镜的像散是指边缘光汇聚点与傍轴光汇聚点(即焦点)之间的一段距离Δ,本题所求即为在二阶近似下的Δ值(保留O(r2)阶项,r≪f,f为焦距).
计算
角度设定和初步运算
如图所示,设定所用到的各个角度.
设第一次入射角为i,折射角为j,第二球面的法线在光线入射处与主光轴夹角为α,则第二次的入射角为i−j+α,折射角为β. 设最终出射光线与主光轴的交点距离光心x,又因为可做薄透镜近似,x实际上是交点与第二球面顶点之间的距离.
由几何关系,易知:
sini=r1r,sinα=r2r,x=tan(β−α)r
又有折射定律
nsinj=sini,nsin(i−j+α)=sinβ
所以
x⟹=r⋅sin(β−α)cos(β−α)=r⋅sinβcosα−cosβsinαcosβcosα+sinβsinα=r⋅nsin(i−j+α)⋅1−r22r2−cosβ⋅r2rcosβ⋅1−r22r2+nsin(i−j+α)⋅r2rΔ=f−x=f−r⋅nsin(i−j+α)⋅1−r22r2−cosβ⋅r2rcosβ⋅1−r22r2+nsin(i−j+α)⋅r2r=(n−1)(r11+r21)1−r⋅nsin(i−j+α)⋅1−r22r2−cosβ⋅r2rcosβ⋅1−r22r2+nsin(i−j+α)⋅r2r
至此,我们得到了像散的初步表达式,之后进行较为细致的小量处理.
深入计算与小量处理
目前还有cosβ和sin(i−j+α)两个量没有具体表达式,先对这两个量进行化简.
sin(i−j+α)=sini(cosαcosj+sinαsinj)+cosi(sinαcosj−cosαsinj)=r1r(1−r22r2⋅1−n2r12r2+r2r⋅nr1r)+1−r12r2⋅(r2r⋅1−n2r12r2−1−r22r2⋅nr1r)
注意到,sin(i−j+α)的最低阶项就是一阶项,所以x表达式里分母中最低阶的项就是一阶项,再与前面的r相乘后分母变为零阶. 又因为整个x一定是正常量级,所以分子最低阶必须是零阶. 而问题要求最终结果保留到二阶量,所以分子、与r相乘后的分母都需要保留到二阶项,这就要求sin(i−j+α)和cosβ在前期计算时必须保留三阶项.
继续:
sin(i−j+α)≈r1r(1−2r22r2−2n2r12r2+nr1r2r2)+(1−2r12r2)(r2r−2n2r12r2r3−nr1r+2nr1r22r3)≈r1r−2r1r22r3−2n2r13r3+nr12r2r3+r2r−2n2r12r2r3−nr1r+2nr1r22r3−2r12r2r3+2nr13r3=(r11+r21−nr11)r+(−2r1r221−2n2r131+nr12r21−2n2r12r21+2nr1r221−2r12r21+2nr131)r3=(r11+r21−nr11)r+2nr11(n−1)(nr11−r21)(r11+r21)
最后一行的化简结果要鸣谢另一位攀登计划的同学,这种观察能力令我深表佩服.
cosβ要利用sin(i−j+α)的结果来计算,这时要保留到三阶项,意味着只要用到sin(i−j+α)的一阶成分.
cosβ=1−n2sin2(i−j+α)≈1−n2(r11+r21−nr11)2r2≈1−2n2(r11+r21−nr11)2r2
这时我们可以开始计算x的分子与分母.
分子保留二阶项:
A≈1−r22r2⋅[1−2n2(r11+r21−nr11)2r2]+(r11+r21−nr11)r2nr2+(−2r1r221−2n2r131+nr12r21−2n2r12r21+2nr1r221−2r12r21+2nr131)r2nr4≈1−2r22r2−2n2(r11+r21−nr11)2r2+(r11+r21−nr11)r2nr2=1−(2r221+2r12n2+2r22n2+2r121+r1r2n2−r12n−r1r2n−r1r2n−r22n+r1r21)r2
注意观察,r2的系数是可以分组提取公因子,进行因式分解的:
21(r121+r221+r1r22)−n(r121+r221+r1r22)+2n2(r121+r221+r1r22)=21(n−1)2(r11+r21)2
故而分子保留到二阶小量化为
A≈1−21(n−1)2(r11+r21)2r2
分母要除去r,有:
B≈rn1−r22r2[(r11+r21−nr11)r+2nr11(n−1)(nr11−r21)(r11+r21)]−[1−21(n−1)2(r11+r21)2]⋅r21≈n(r11+r21−nr11)+2r1n−1(r11+r21)(nr11−r21)r2−2r22n(r11+r21−nr11)r2−r21+2r2n2(r11+r21−nr11)2r2=(n−1)(r11+r21)+2r1n−1(r11+r21)(nr11−r21)r2+2r2nr2(r11+r21−nr11)(n−1)(r11+r21)=(n−1)(r11+r21)+(n−1)(r11+r21)[2r11(nr11−r21)+2r2n(r11+r21−nr11)]r2
进入下一个环节:
Δ≈(n−1)(r11+r21)1−(n−1)(r11+r21)1{1−21(n−1)2(r11+r21)2r2−[2r2n(r11+r21)+2nr121−r1r21]r2}=(n−1)(r11+r21)21(n−1)2(r11+r21)2+2r2n(r11+r21)+2nr121−r1r21r2
至此,最终答案就已经被算出来了.(虽然这已经是十几天之后的结果,在机构改试卷的工作确实非常忙碌,根本无法抽身).
之前一直认为算不对的问题终于解决了,但是我其实并不惊讶. 毕竟这个答案形式本身非常丑陋,而且关于r1和r2也不是对称的,所以我有理由猜测之前的所谓“算不对”实际上是“算不出CPhO-S所给出的原答案”,而且没有这么多时间来仔细打磨自己的计算过程,也就没有办法将答案化简到能用CASIO数值验证的程度. CPhO-S的原答案如下:
Δ=6(n−1)2(r11+r21)2(1−n31)r13n+r23n−1+n(n2−1)(r11+r21−nr11)3+2(n−1)3(r11+r21)3r2
这两个答案显然不太可能用肉眼证明是相等的. 所以说其实这一次只是打破了之前一直有的一个执念吧.
总结与反思
这一次的计算专题比我想象中的要容易许多. 这并不是说我的能力没有提升,只是说明我比我想象中的自己要强一些而已. 可惜的是,我并没有在打工前写完这一篇计算专题,而是搁到了快8月份才写完,之前定下的目标确实是没有达成,应该反思.
了结了之前在我的笔记本上备注为**“计算高峰,延年益寿”**的这道题目之后,我还有什么想要挑战的题目呢?我计划在开学前至少再写一篇计算专题,至于开学之后要做什么其实我自己也不太清楚. 这次在机构打工的最大收获其实就是认识了很多未来的同学,我对大学生活也有了更深入的了解. 希望接下来的路能够让我有更大的提升吧,至少我会继续挑战下去.