Лабораторные работы по физике Лекции и конспекты по физике Лекции по термодинамике Электростатика Механика, термодинамика Кинематика, гидродинамика

Лабораторные работы по физике

Лабораторная работа № 1

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИЧЕСКОЙ СИЛЫ СОБИРАЮЩЕЙ И РАССЕИВАЮЩЕЙ ЛИНЗ

Цель работы: определить оптическую силу собирающей и рассеивающей линз.

Оборудование: оптическая скамья, осветитель, собирающая и рассеивающая линзы.

Основание к допуску

Иметь конспект работы.

Знать, что такое собирающая и рассеивающая линзы, оптический центр линзы, фокусное расстояние, формула линзы и порядок выполнения работы.

Краткая теория

Линзой называется прозрачное тело, ограниченное с обеих сторон сферическими поверхностями, или с одной стороны сферической поверхностью, а с другой – плоскостью. Материалом для линз служат стекло, кварц, кристаллы, пластмассы и т. п.

Тонкой называется линза, толщина которой значительно меньше радиусов, ограничивающих ее сферические поверхности. Линза, которая в середине толще, чем у краев, называется выпуклой линзой (рис. 1). Линза, которая у краев толще, чем в середине, называется вогнутой линзой.

В оптических приборах применяются линзы со сферическими поверхностями следующей формы (рис. 1): 1 – двояковыпуклая, 2- плосковыпуклая, 3 – вогнуто-выпуклая (радиус выпуклой поверхности меньше, чем радиус вогнутой); 4 – двояковогнутая, 5 – плосковогнутая, 6 - выпукло-вогнутая (радиус вогнутой поверхности меньше, чем радиус выпуклой). Вогнуто-выпуклая и выпукло-вогнутая линзы называются менисковыми и применяются, например в очках.

Рис. 1.

Рис. 2.

Если R1 и R2 – радиусы кривизны сферических поверхностей ограничивающих линзу, то прямая С1С2, проходящая через центры С1 и С2 сферических поверхностей линзы, называется главной оптической осью линзы (рис. 2). Для всякой линзы существует точка О, называемая оптическим центром линзы, лежащая на главной оптической оси и обладающая тем свойством, что лучи, проходящие через нее, не преломляются. Она лежит на пересечении главной оптической оси со средним сечением NN' линзы. Любая прямая РР', проходящая под углом к главной оси через оптический центр линзы, называется побочной оптической осью.

Линзу можно представить как совокупность множества призм (рис. 3). Тогда становится очевидным, что выпуклая линза отклоняет лучи к оптической оси, а вогнутая – от оптической оси. Поэтому выпуклая линза называется собирающей (линзы 1,2,3 - рис.1), а вогнутая – рассеивающей (линзы 4,5,6 - рис.1).

а) б)

Рис.3.

Рис.4.

В воздухе или вакууме все лучи, параллельные главной оптической оси выпуклой линзы, после прохождения через нее собираются в точке F на главной оптической оси (рис. 4), которая называется главным фокусом линзы, а расстояние OF = F – главным фокусным расстоянием линзы.

Рис.5

В воздухе или вакууме все лучи, параллельные главной оптической оси вогнутой линзы, отклоняются от оптической оси. Продолжения лучей в противоположную сторону сходятся в точке F на главной оптической оси (рис. 5). Эта точка называется главным фокусом рассеивающей линзы. Он мнимый, так как в действительности лучи света в нем не собираются.

Для построения изображения каждой точки предмета необходимо взять минимум два луча: 1 – луч, идущий параллельно главной оптической оси, после преломления в линзе проходит через фокус; 2 – луч, проходящий через оптический центр, не преломляется (рис. 6).

Связь между расстояниями от оптического центра линзы до предмета АО = d и изображения ОА' = f, и ее главным фокусным расстоянием F определяется формулой линзы 

. (1.1)

Решая уравнение относительно главного фокусного расстояния, получим

. (1.2)

Величины d и f определяются на основе оптических измерений согласно оптической схеме рис. 6.

Рис.6

Величина, обратная фокусному расстоянию, называется оптической силой линзы:

,  , (1.3)

где R1 и R2 – радиусы кривизны линзы, N- относительный оптический показатель преломления, n1 – абсолютный показатель преломления среды, n2 – абсолютный показатель преломления вещества линзы.

Оптическая сила выражается в диоптриях (дптр), 1 дптр = 1/м. Рассеивающие линзы дают мнимое изображение. Их фокусное расстояние и оптическая сила – величины отрицательные.

. (1.4)

Потому вышеуказанный способ определения фокусных расстояний для них непригоден. В таких случаях собирают оптическую систему из двух линз – собирающую с фокусным расстоянием FС и рассеивающую с фокусным расстоянием FP, причем FС<FР. Такая комбинация будет выполнять роль собирающей линзы с главным фокусным расстоянием FСИСТ, определяемым по формуле:

, (1.5)

Отсюда следует:

DСИСТ = DC + DP , (1.6)

DP = DСИСТ - DC ,  . (1.7)

Построение изображения предмета в линзах осуществляется с помощью следующих характерных лучей (они выбраны потому, что направления их прохождения через линзу мы заведомо знаем) (рис. 7):

ВО – луча, проходящего через оптический центр линзы и не меняющего своего направления распространения;

ВК – луча, идущего параллельно главной оптической оси и после преломления в линзе проходящего через фокус;

любого луча, идущего через фокус линзы; после преломления в линзе он идет параллельно главной оптической оси.

В качестве примеров на рис. 7 приведено построение изображений в собирающей и рассеивающей линзах.

Рис. 7. Построение изображения в линзах:

а) собирающая линза, б) рассеивающая линза

Отношение линейных размеров изображения (CD) и предмета (AB) называется линейным увеличением линзы и определяется соотношением:

, где CD=H, AB=h.

Линзы широко используются в науке, в технике и народном хозяйстве. Они входят в состав разнообразных оптических приборов: спектроскопов, рефрактометров, поляризационных сахариметров, микроскопов, которые и используются для анализа сырья и готовых продуктов в лабораториях. Знание параметров линз и законов геометрической оптики необходимо при работе с этими приборами. В пищевых производствах к неразрушающим методам контроля бутылок относится фотоэлектрический метод. В устройствах основанных на фотоэлектрическом методе, световые лучи, пройдя через проверяемую бутылку и собирающую систему, состоящую из линз, направляются на блок фотоэлементов, при этом бракуется стеклотара с трещинами, посторонними включениями, грязью.

Экспериментальная часть

На оптической скамье установите собирающую линзу. Перемещая линзу, на экране добейтесь четкого увеличенного изображения предмета (предмет располагается на расстоянии, большем фокусного расстояния) и измерьте расстояние d и f.

По формуле (1.2) рассчитайте значение фокусного расстояния линзы.

Перемещая линзу, получите на экране четкое уменьшенное изображение предмета, измерьте расстояния d и f.

Измерив d и f, рассчитайте фокусное расстояние линзы по (1.2).

Определите по полученным данным среднее значение фокусного расстояния и рассчитайте по формуле (1.3) оптическую силу собирающей линзы.

Вместе с собирающей установите рассеивающую линзу, получив систему линз, и повторите те же измерения и расчеты, что и с собирающей линзой (по формулам 1.2 и 1.3).

Рассчитайте оптическую силу и фокусное расстояние рассеивающей линзы по формулам (1.7).

Результаты измерений и расчеты занесите в таблицу 1.

Таблица 1

Изображение предмета

d, м

f, м

F, м

FСР, м

D, дптр

Собирающая линза:

а) увеличенное

б) уменьшенное

Система линз:

а) увеличенное

б) уменьшенное

Основание к зачету

Иметь окончательно оформленный отчет.

Ответить на вопросы:

Что называется линзой, главной оптической осью, фокусом линзы? Где он находится?

Как записывается формула линзы?

Что называется оптической силой линзы? Единица измерения.

Построение изображения предметов в линзе (все случаи).

Зависит ли фокусное расстояние линзы от среды, в которой она находится?

Какое практическое применение находят линзы?


Физика выполнение лабораторных работ. Лекции и конспекты