Задания № 15, 17 · ОГЭ

Формулы сферического зеркала

Фокусное расстояние, радиус кривизны и формула зеркала
6 мин чтенияСложность: Обновлено 27 сентября 2026

Формулы сферического зеркала связывают положение предмета и изображения с оптическими характеристиками зеркала: радиусом кривизны и фокусным расстоянием. Эти зависимости позволяют определить, где образуется изображение, каким оно будет и как изменится при перемещении предмета.

Основные понятия и обозначения

Сферическое зеркало — часть поверхности сферы, отражающая свет. Вогнутое зеркало отражает свет внутрь сферы, а выпуклое — наружу. Для построения изображений особенно важны главная оптическая ось, вершина зеркала, центр кривизны зеркала и фокус.

D
Главные определения

Радиус кривизны \(R\) — расстояние от вершины зеркала до центра сферы, частью которой является зеркальная поверхность. Фокус \(F\) — точка на главной оптической оси, в которой после отражения сходятся лучи, параллельные оси, или их продолжения. Фокусное расстояние \(f\) — расстояние от вершины зеркала до фокуса.

Для сферического зеркала при небольших углах падения лучей фокус находится примерно посередине между вершиной зеркала и центром кривизны. Поэтому фокус сферического зеркала связан с радиусом кривизны простым соотношением.

\[f=\frac{R}{2}\]
\(R\)
радиус кривизны
м
\(f\)
фокусное расстояние
м
\(d\)
расстояние от предмета до зеркала
м
\(F\)
расстояние от изображения до зеркала
м
FCвершинаглавная осьfR
Положение фокуса F и центра кривизны C у вогнутого зеркала.
T
Связь фокуса и центра кривизны

Для сферического зеркала фокусное расстояние в два раза меньше радиуса кривизны: \(f=R/2\). Следовательно, \(R=2f\). Это приближённое соотношение справедливо для параксиальных лучей — лучей, идущих близко к главной оптической оси.

Формула сферического зеркала

Пусть предмет находится на расстоянии \(d\) от вершины зеркала, а изображение — на расстоянии \(F\) от неё. Для вогнутого зеркала в школьных задачах обычно используют величины расстояний без знаков: \(d>0\), \(F>0\), \(f>0\). Тогда выполняется формула зеркала.

\[\frac{1}{f}=\frac{1}{d}+\frac{1}{F}\]1

Из формулы можно найти любую неизвестную величину. Формулы для расстояния до изображения и до предмета имеют вид:

\[F=\frac{df}{d-f}\]
\[d=\frac{Ff}{F-f}\]

Если известны радиус кривизны и расстояние до предмета, сначала находят фокусное расстояние по формуле \(f=R/2\), а затем используют формулу зеркала. Все расстояния должны быть выражены в одних единицах, например в метрах или сантиметрах.

Что нужно знать наизусть

Две главные формулы темы: \(f=R/2\) и \(1/f=1/d+1/F\). Если предмет расположен далеко от зеркала, \(d\gg f\), то изображение образуется примерно в фокусе: \(F\approx f\).

Проверь себя

Радиус кривизны вогнутого зеркала равен \(40\) см. Чему равно его фокусное расстояние?

Как определить положение изображения

Для решения задачи удобно действовать по алгоритму. Сначала выписать данные и привести их к одной системе единиц. Затем определить фокусное расстояние. После этого подставить известные величины в формулу зеркала и проверить, имеет ли ответ физический смысл.

  1. Найти \(f\) по радиусу кривизны, если дан \(R\).
  2. Записать формулу \(1/f=1/d+1/F\).
  3. Выразить неизвестное расстояние.
  4. Подставить числа и указать единицу измерения.
  5. Проверить результат: для предмета вне фокуса изображение должно находиться на конечном расстоянии от зеркала.
Быстрая проверка

Если предмет приближается к фокусу с внешней стороны, расстояние до действительного изображения быстро возрастает. При \(d=2f\) изображение находится тоже на расстоянии \(2f\) и имеет такой же размер, как предмет.

Разобранный пример

№
Найти расстояние до изображения

Вогнутое зеркало имеет радиус кривизны \(R=60\) см. Предмет находится на расстоянии \(d=90\) см от зеркала. Найдём расстояние \(F\) до изображения.

1
Сначала определяем фокусное расстояние через радиус кривизны.
\(\displaystyle f=\frac{R}{2}=\frac{60\ \text{см}}{2}=30\ \text{см}\)
2
Записываем формулу сферического зеркала.
\(\displaystyle \frac{1}{f}=\frac{1}{d}+\frac{1}{F}\)
3
Переносим слагаемое с расстоянием до предмета в левую часть.
\(\displaystyle \frac{1}{F}=\frac{1}{f}-\frac{1}{d}\)
4
Подставляем значения и приводим дроби к общему знаменателю.
\(\displaystyle \frac{1}{F}=\frac{1}{30}-\frac{1}{90}=\frac{3-1}{90}=\frac{2}{90}=\frac{1}{45}\)
5
Находим расстояние до изображения.
\(\displaystyle F=45\ \text{см}\)

Ответ: изображение образуется на расстоянии \(45\) см от зеркала. Проверка: предмет расположен дальше центра кривизны, потому что \(90\text{ см}>60\text{ см}\). Поэтому изображение должно находиться между фокусом и центром кривизны: \(30\text{ см}<45\text{ см}<60\text{ см\).} Это согласуется с результатом.

Особые положения предмета

Положение предметаПоложение изображенияСвойства изображения
Дальше центра кривизны, \(d>2f\)Между \(f\) и \(2f\)Действительное, перевёрнутое, уменьшенное
В центре кривизны, \(d=2f\)В центре кривизны, \(F=2f\)Действительное, перевёрнутое, равное предмету
Между центром и фокусом, \(f<d<2f\)Дальше \(2f\)Действительное, перевёрнутое, увеличенное
В фокусе, \(d=f\)На бесконечностиОтражённые лучи параллельны
Между зеркалом и фокусом, \(d<f\)За зеркалом при продолжении лучейМнимое, прямое, увеличенное

Выпуклое зеркало всегда даёт мнимое, прямое и уменьшенное изображение. В школьных задачах для него часто применяют знаковую форму формулы, где фокусное расстояние и расстояние до мнимого изображения считаются отрицательными. Если знаковая convention не указана, нужно внимательно прочитать условие и рисунок.

!
Частые ошибки

1. Путают \(R\) и \(f\): радиус кривизны в два раза больше фокусного расстояния. 2. Подставляют сантиметры и метры одновременно. 3. Используют \(F=d-f\) вместо правильного выражения \(F=df/(d-f)\). 4. Забывают, что при \(d=f\) знаменатель формулы для \(F\) равен нулю: изображение уходит на бесконечность. 5. Называют изображение действительным только по знаку числа, не учитывая ход лучей и тип зеркала.

Знаковая форма и границы применимости

В более подробном курсе оптики расстояния могут быть направленными. Тогда знак зависит от выбранного направления оси и от того, является изображение действительным или мнимым. В школьных расчётных задачах важно прежде всего придерживаться соглашения, указанного в условии. Для небольших апертур и лучей около главной оси формула \(f=R/2\) хорошо приближает реальное положение фокуса.

Формула зеркала относится к параксиальным лучам и идеализированному сферическому зеркалу. Для широких пучков лучи, удалённые от оси, могут пересекаться не в одной точке: это связано со сферической аберрацией. В типовых экзаменационных задачах этим эффектом обычно пренебрегают.

Q
Быстрый тест по теме

Итоговая проверка

~ 2 мин4 вопроса
Вопрос 1 / 4
Вопрос 1 из 4 · связь $R$ и $f$
Радиус кривизны зеркала \(80\) см. Чему равно \(f\)?
Главное за минуту

Главное

  • Фокусное расстояние сферического зеркала равно половине радиуса кривизны: \(f=R/2\).
  • Положение изображения определяется формулой \(1/f=1/d+1/F\).
  • Расстояние до изображения: \(F=df/(d-f)\). При \(d=f\) изображение находится на бесконечности.
  • При \(d=2f\) предмет и изображение находятся на одинаковом расстоянии от зеркала.
  • Перед решением нужно выбрать единицы измерения, учитывать тип зеркала и проверить физический смысл ответа.