கண்ணின் வில்லை, புகைப்படக் கருவி (camera), பூதக்கண்ணாடி (magnifying glass), மூக்குக் கண்ணாடி, நுண்ணோக்கி (microscope) — இவை அனைத்திலும் வில்லைகள் (lenses) ஒளியை வளைத்துப் பிம்பங்களை உருவாக்குகின்றன. ஒளிவிலகலின் (refraction) நேரடிப் பயன்பாடான வில்லைகள், ஒளியியலின் (optics) மிக முக்கியமான கருவிகளாகும்; இவற்றின் இயக்கத்தைப் புரிந்துகொள்வது தேர்வில் உயர் மதிப்பெண் தரும்.
குவி வில்லை (convex / converging): இணையான கதிர்களை ஒரு புள்ளியில் (குவியம் / focus) ஒன்றுசேர்க்கிறது. குழி வில்லை (concave / diverging): கதிர்களைப் பரப்புகிறது.
இந்தச் சிமுலேட்டரால் சோதி
பொருளின் தூரத்தையும் (object distance) குவைய் தூரத்தையும் (focal length) மாற்றி, கதிர்களும் பிம்பமும் எவ்வாறு உருவாகின்றன என்பதைப் பார். பொருளை குவியத்துக்குள் (u < f) நகர்த்தினால் பிம்பம் மாயமாக (virtual) மாறுவதைக் கவனி — இதுவே பூதக்கண்ணாடியின் கொள்கை.
🔬 Lens Ray-Tracing Simulator
image distance v = 30.0 cm · magnification m = −1.0 · image: real, inverted
1. வில்லைச் சூத்திரமும் பெருக்கமும்
Lens formula
1/v − 1/u = 1/f · m = v/u = h_i/h_o
வலு (power): P = 1/f (dioptre, m⁻¹). சிமுலேட்டரில் u-ஐ மாற்றி v எவ்வாறு மாறுகிறது என்பதை அவதானி.
2. குறி மரபு — "மெய்-நேர்" (Real-is-positive)
சரியான விடைக்கு குறி மரபு (sign convention) கட்டாயம். ஒளி இடமிருந்து வலமாகப் பாய்வதாகக் கொண்டு, வில்லையின் ஒளியியல் மையம் ஆதி எனக் கருதப்படுகிறது.
கணியம்
நிலை
குறி
பொருள் தூரம் (u)
மெய்ப் பொருள் (real object)
−ve
பிம்பத் தூரம் (v)
மெய் பிம்பம் (real image)
+ve
மாய பிம்பம் (virtual image)
−ve
குவைய் தூரம் (f)
குவி வில்லை (convex)
+ve
குழி வில்லை (concave)
−ve
தேர்வாளர் எச்சரிக்கை
க.பொ.த.-இல் மாணவர்கள் இழக்கும் மிகப் பெரிய மதிப்பெண் இந்தக் குறி மரபுதான். v-க்குப் பதிலாக −v, அல்லது f-க்குப் பதிலாக −f எனத் தவறாக இட்டால் விடை தலைகீழாகி, அதன்பின் வரும் கணித்தல்கள் அனைத்தும் பிழைக்கும். "மெய் / மாய பிம்பம்" எனக் கண்டதும் உடனே இந்த அட்டவணையைப் பார்த்துப் பிரதியிடுங்கள்.
3. பிம்பத்தின் இயல்பு (குவி வில்லை)
பொருள் நிலை
பிம்பம்
u > 2f
மெய், தலைகீழ், சிறியது (f & 2f இடையே)
u = 2f
மெய், தலைகீழ், சம அளவு (v = 2f)
f < u < 2f
மெய், தலைகீழ், பெரியது
u < f
மாயம், நிமிர்ந்த, பெரியது (பூதக்கண்ணாடி)
4. தீர்க்கப்பட்ட எடுத்துக்காட்டு
எ.கா.தரப்பட்ட தரவுகள்: f = 10 cm குவி வில்லை, பொருள் தூரம் 15 cm.
படி 1: வில்லைச் சூத்திரம் 1/v − 1/u = 1/f; u = −15, f = +10.
ஆழமான விளக்கம் (Deep): குழி வில்லை எப்போதும் மாய, நிமிர்ந்த, சிறிதாக்கப்பட்ட பிம்பத்தைத் தரும் (பொருள் எங்கிருந்தாலும்).
Q10 / 20★★★★☆
வில்லையின் வலுவின் அலகு?
(1) metre
அது நீளம்.
(2) dioptre (D)
சரி — dioptre = m⁻¹.
(3) watt
அது வலு (power).
(4) newton
அது விசை.
(5) radian
அது கோணம்.
ஆழமான விளக்கம் (Deep): P = 1/f (m⁻¹) → அலகு dioptre (D). 1 D = ஒரு மீட்டர் குவியத் தூரம் கொண்ட வில்லை.
Q11 / 20★★★★☆
குவி வில்லையில் பொருள் 2f-இல் இருந்தால் பிம்பம்?
(1) 2f-இல், சம அளவு, தலைகீழ், மெய் / at 2f, same size, inverted, real
சரி.
(2) f-இல், சிறியது / at f, diminished
இல்லை.
(3) முடிவிலியில் / at infinity
அது u=f.
(4) மாய, பெரியது / virtual, enlarged
இல்லை.
(5) பிம்பம் இல்லை / no image
இல்லை.
ஆழமான விளக்கம் (Deep): u = 2f → பிம்பம் மறுபக்கம் 2f-இல், சம அளவு (m=1), தலைகீழ், மெய். (புகைப்படப் பிம்பம் 1:1.)
Q12 / 20★★★☆☆
குவி வில்லையில் பொருள் முடிவிலியில் (infinity) இருந்தால் பிம்பம்?
(1) 2f-இல் / at 2f
இல்லை.
(2) குவியத்தில் (f) / at the focus (f)
சரி — குவியத்தில், புள்ளி பிம்பம்.
(3) வில்லையில் / at the lens
இல்லை.
(4) முடிவிலியில் / at infinity
இல்லை.
(5) பிம்பம் இல்லை / no image
இல்லை.
ஆழமான விளக்கம் (Deep): முடிவிலியிலிருந்து இணைக் கதிர்கள் → குவியத்தில் ஒரு புள்ளியாகக் குவியும் (சூரிய ஒளியை எரிக்கப் பயன்படுத்துதல்).
Q13 / 20★★★★☆
குறுகிய பார்வை (myopia / short sight) திருத்த எந்த வில்லை?
(1) குவி (convex) / converging
அது தூரப் பார்வைக்கு.
(2) குழி (concave) / diverging
சரி — குழி வில்லை.
(3) இரட்டை குவி / biconvex
இல்லை.
(4) உருப்பெருக்கி / magnifier
இல்லை.
(5) வில்லை இல்லை / no lens
இல்லை.
ஆழமான விளக்கம் (Deep): குறுகிய பார்வையில் பிம்பம் விழித்திரைக்கு முன் விழுகிறது; குழி (diverging) வில்லை கதிர்களை விரித்து விழித்திரையில் குவிக்கிறது.
Q14 / 20★★★★☆
நீண்ட பார்வை (hypermetropia / long sight) திருத்த?
(1) குழி (concave) வில்லை / diverging
அது குறுகிய பார்வைக்கு.
(2) குவி (convex) வில்லை / converging
சரி — குவி வில்லை.
(3) தட்டை கண்ணாடி / flat glass
இல்லை.
(4) நிறப்பட்டை / a colour filter
இல்லை.
(5) வில்லை இல்லை / no lens
இல்லை.
ஆழமான விளக்கம் (Deep): நீண்ட பார்வையில் பிம்பம் விழித்திரைக்குப் பின் விழுகிறது; குவி (converging) வில்லை கதிர்களை முன்கூட்டியே குவித்து விழித்திரையில் பிம்பம் தருகிறது.
Q15 / 20★★★★☆
இரு மெல்லிய வில்லைகள் (P₁, P₂) தொடர்பில் இணைந்தால் ஒட்டுமொத்த வலு?
(1) P₁P₂
பெருக்கல் அல்ல.
(2) P₁ + P₂
சரி — P = P₁ + P₂.
(3) P₁ − P₂
கழித்தல் அல்ல.
(4) 1/(P₁+P₂)
தவறு.
(5) √(P₁P₂)
தவறு.
ஆழமான விளக்கம் (Deep): தொடர்பில் இணைந்த மெல்லிய வில்லைகளின் வலுக்கள் கூட்டப்படும்: P = P₁ + P₂ (1/f = 1/f₁ + 1/f₂).
(2) மெய்ப்பிம்பத்தைத் திரையில் பிடிக்கலாம், மாயப் பிம்பத்தை முடியாது / a real image can be caught on a screen, a virtual one cannot
சரி.
(3) மாயப் பிம்பம் தலைகீழ் / virtual is inverted
மாயம் நிமிர்ந்தது.
(4) மெய்ப்பிம்பம் நிமிர்ந்தது / real is upright
மெய் தலைகீழ்.
(5) மாயப் பிம்பம் பெரியதல்ல / virtual is never enlarged
இல்லை — பெரிதாகலாம்.
ஆழமான விளக்கம் (Deep): மெய்ப்பிம்பம்: கதிர்கள் உண்மையில் சந்திக்கின்றன → திரையில் பிடிக்கலாம் (தலைகீழ்). மாயப் பிம்பம்: கதிர்கள் வெளிப்படையாகச் சந்திப்பதாகத் தோன்றும் → திரையில் பிடிக்க முடியாது (நிமிர்ந்தது).
Q20 / 20★★★★☆
ஒரு பொருள் f=15 cm வில்லையிலிருந்து 10 cm-இல் (u
(1) +30 cm (மெய்)
மாயம், எதிர்மறை.
(2) −30 cm (மாயம்)
சரி — 1/v = 1/15 + (−1/10) → v=−30 (மாயம்).
(3) +6 cm
தவறு.
(4) −6 cm
தவறு.
(5) 15 cm
தவறு.
ஆழமான விளக்கம் (Deep): 1/v = 1/f + 1/u = 1/15 + (−1/10) = 2/30 − 3/30 = −1/30 → v = −30 cm (மாய, நிமிர்ந்த, பெரிதாக்கம் — பூதக்கண்ணாடி).
📝 கட்டமைக்கப்பட்ட வினாக்கள் — 3
கட்டமைப்பு வினா 18 புள்ளி
f = 12 cm குவி வில்லையிலிருந்து 18 cm தொலைவில் 2 cm உயரப் பொருள் வைக்கப்படுகிறது. (1/v − 1/u = 1/f, u = −18)
(a) மெய், மாயப் பிம்பங்களை வேறுபடுத்துக. (b) குவி வில்லைச் சூத்திரம் 1/v − 1/u = 1/f-ஐக் கூறி, உருப்பெருக்கம் m = v/u என எழுதுக. (c) f=10 cm வில்லையிலிருந்து 25 cm-இல் ஒரு பொருள். பிம்ப தூரம், உருப்பெருக்கம், பிம்ப இயல்பு.
மாதிரி விடையைக் காண்க
(a) மெய்ப்பிம்பம்: ஒளிக்கதிர்கள் உண்மையில் சந்தித்துத் திரையில் பிடிக்கக்கூடியது (தலைகீழ்). மாயப் பிம்பம்: கதிர்கள் வெளிப்படையாகச் சந்திப்பதாகத் தோன்றும், திரையில் பிடிக்க முடியாது (நிமிர்ந்தது). (b) 1/v − 1/u = 1/f; உருப்பெருக்கம் m = v/u = பிம்ப உயரம்/பொருள் உயரம். (c) u=−25, f=10.
1/v = 1/10 + (−1/25) = 5/50 − 2/50 = 3/50 → v = 16.7 cm
m = v/u = 16.7/25 = 0.67
v நேர் → மெய்; சிறிதாக்கப்பட்ட, தலைகீழ் பிம்பம்.
கட்டுரை வினா 210 புள்ளி
(a) வில்லையின் வலு P = 1/f என்பதை வரையறுத்து அலகைத் தருக. (b) தொடர்பில் உள்ள வில்லைகளுக்கு P = P₁ + P₂ எனக் கூறி, f₁=20 cm குவி & f₂=−30 cm குழி வில்லைகளின் சேர்க்கையின் வலுவையும் குவியத் தூரத்தையும் கணக்கிடுக. (c) சேர்க்கை குவியா குழியா எனத் தீர்மானிக்க.
மாதிரி விடையைக் காண்க
(a) வலு P = 1/f (f மீட்டரில்); அலகு dioptre (D). வில்லை எவ்வளவு வலுவாகக் கதிர்களை வளைக்கிறது என்பதன் அளவை. (b) P₁ = 1/0.20 = +5 D; P₂ = 1/(−0.30) = −3.33 D.
P = P₁ + P₂ = 5 − 3.33 = +1.67 D
f = 1/P = 1/1.67 = 0.60 m (60 cm)
(c) P நேர்மறை (+1.67 D) → சேர்க்கை குவி வில்லை போல் செயற்படும்.
கட்டுரை வினா 310 புள்ளி
(a) குவி வில்லையில் பொருள் (i) 2f-க்கு அப்பால், (ii) 2f-இல், (iii) f & 2f இடையே, (iv) f-இல், (v) f-க்குள் வைக்கப்படும் ஐந்து வழக்குகளுக்கும் பிம்ப இயல்பைக் கூறுக. (b) இவற்றுள் எவை மெய், எவை மாயம்?
மாதிரி விடையைக் காண்க
(a)
(i) 2f-க்கு அப்பால் → f & 2f இடையே, சிறியது, தலைகீழ், மெய் (கேமரா).
(ii) 2f-இல் → 2f-இல், சம அளவு, தலைகீழ், மெய் (1:1).
(iii) f & 2f இடையே → 2f-க்கு அப்பால், பெரியது, தலைகீழ், மெய் (projector).
(v) f-க்குள் → அதே பக்கம், பெரியது, நிமிர்ந்த, மாயம் (பூதக்கண்ணாடி).
(b) (i)–(iii) மெய் (தலைகீழ்); (v) மாயம் (நிமிர்ந்த); (iv) எல்லை வழக்கு (முடிவிலி).
கட்டுரை வினா 410 புள்ளி
(a) கண்ணின் இரு பார்வைக் குறைபாடுகளை (குறுகிய & நீண்ட பார்வை) விளக்கி, ஒவ்வொன்றையும் திருத்தும் வில்லையைக் கூறுக. (b) ஒரு குறுகிய-பார்வையாளரால் 50 cm-க்கு அப்பால் தெளிவாகப் பார்க்க முடியவில்லை (far point = 50 cm). தொலைப் பொருளை (முடிவிலி) 50 cm-இல் பிம்பமாக்கத் தேவையான வில்லையின் வலுவைக் கணக்கிடுக.
மாதிரி விடையைக் காண்க
(a)குறுகிய பார்வை (myopia): தொலைப் பொருளின் பிம்பம் விழித்திரைக்கு முன் விழும் → குழி (diverging) வில்லை கதிர்களை விரித்துத் திருத்தும். நீண்ட பார்வை (hypermetropia): அண்மைப் பொருளின் பிம்பம் விழித்திரைக்குப் பின் → குவி (converging) வில்லை முன்னோக்கிக் குவித்துத் திருத்தும். (b) வில்லை தொலைப் பொருளை (u = −∞) நபரின் தொலைப் புள்ளியில் (v = −50 cm = −0.5 m, மாயம், அதே பக்கம்) பிம்பமாக்க வேண்டும்.