Описание лабораторной установки

Установка смонтирована на двух составных основаниях, на которых закреплены: источник излучения – ртутная лампа в кожухе 1, коллиматор 2 типа МГТ 2,5*17,5 на стойке, поляризатор 3 в градированной оправе и гониометрический столик 5 со зрительной трубой 6, закрепленной на его алидаде. На кожухе лампы имеется прорезь, на которую с помощью магнитов устанавливается щель. Исследуемый объект 8 (призма) закреплен в оправе с вклеенными магнитами и устанавливается на основание гониометрического столика. Отсчет углов поворота столика производится по угловой шкале с нониусным отсчетом. Поляризатор не является обязательным элементом для работ по теме «Дисперсия и дифракция и используется при проведении других лабораторных работ. Излучение от ртутной лампы, заполняющее щель, преобразуется коллиматором в параллельный пучок, который направляется на призму, установленную на столике гониометра. Отклоненное излучение наблюдается визуально с помощью зрительной трубы, сфокусированной на «бесконечность», что позволяет восстановить изображение щели. Угол отклонения излучения измеряется по отсчетной шкале столика. Отсчет целых градусов производить по шкале лимба против нуля нониуса. К этим данным следует добавить количество десятых долей, снятых по шкале нониуса - первое деление нониуса, совпадающее с каким-либо делением шкалы лимба.

Спектр состоит из следующих длин волн: ярко-красная 631,0 нм; две желтые – 576,9 нм и 579,2 нм; зеленая – 546,0 нм и; голубая – 491,6 нм; синяя – 435,8 нм; две фиолетовые – 407,7 нм и 404,7 нм (визуально наблюдаться могут не все линии).

Порядок выполнения работы

Включите источник света, поверните алидаду гониометра так, чтобы оптическая ось зрительной трубы совпадала с осью коллиматора. При этом в поле зрения окуляра появится изображение входной щели коллиматора.

Проверьте и при необходимости произведите фокусировку коллиматора и зрительной трубы в следующей последовательности:

Сфокусируйте на оптическом стенде с помощью автоколлиматора трубу на «бесконечность». При отсутствии автоколлиматора можно визуально сфокусироватьтрубу на удаленный предмет в коридоре или за окном.

Установите алидаду гониометра соосно с оптической осью коллиматора. Вращением фокусирующей подвижки коллиматора добейтесь резкого изображения щели.

Установите исследуемый объект на предметный столик и проверьте наличие дифрагировавшего или отклоненного излучения.

Определить преломляющий угол А призмы (в работе используется призма АР-90, у которой в качестве рабочих выбираются две грани под углом 45°, как показано на рис. 2). На предметный столик поставить призму так, чтобы биссектриса преломляющего угла призмы примерно совпадала с осью освещенного коллиматора. В этом случае боковые грани призмы работают как зеркала. Сначала невооруженным глазом, а затем с помощью окуляра поймать изображение входной щели освещенного коллиматора по направлению отраженных от боковых граней призмы лучей. Поворачивая окуляр, совместить его нить с изображением щели сначала справа от оптической оси коллиматора, а затем слева. При этом снять отсчеты по лимбу и нониусу гониометра (N₁ и N₂). При таком положении

призмы искомый угол А равен: . Если при перемещении из положения справа в положение слева от оптической оси коллиматора окуляр проходит через ноль лимба, тогда . Преломляющий угол призмы определить не менее трех раз и найти среднее значение.

Измерить углы наименьшего отклонения для различных длин волн спектра лампы. Прежде всего необходимо увидеть в окуляр линейчатый спектр лампы. Для этого элементы установки нужно установить в следующем порядке: поместить призму на предметном столике так, как изображено на рис. 2 (при этом коллиматор-объектив и окуляр образуют угол примерно равный 21-25). Слегка поворачивая столик с призмой и окуляр вблизи данного положения, нужно добиться четкого изображения линий спектра. Далее следует повернуть столик с призмой в одном направлении и проследить за движением спектральных линий. При некотором определенном угле падения луча на призму наблюдаемая спектральная линия останавливается в поле зрения окуляра, а затем начинает двигаться в обратном направлении. Положение спектральной линии в момент остановки соответствует углу наименьшего отклонения луча m ± n. Совместив отсчетную нить окуляра с линией спектра в положении минимального отклонения, снять отсчет N₃ по лимбу и нониусу. Далее чтобы измерить угловую координату лучей нужно снять призму со столика и совместить окуляр с оптической осью коллиматора, совместить отсчетную нить с изображением входной щели и снять отсчет N₄. Тогда угол наименьшего отклонения для любой спектральной линии: (см. рис.1).

Снимать показания не менее 3 раз для всех спектральных линий. Усреднить значения.

Рис.2

По измеренным в опыте углам А и _min вычислить показатели преломления оптического стекла призмы для всех указанных длин волн.

Построить график, изображающий дисперсию света в оптическом стекле призмы n = n().

Вывести формулу погрешности для показателя преломления стекла.

Рассчитать дисперсию оптического стекла в желто-зеленой области спектра по формуле .

Лабораторная работа №6

РМС 6. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ФОКУСНЫХ РАССТОЯНИЙ ПОЛОЖИТЕЛЬНОЙ И ОТРИЦАТЕЛЬНОЙ ЛИНЗ МЕТОДОМ БЕССЕЛЯ

Цель работы – определение фокусных расстояний положительной и отрицательной линз методом Бесселя

Общие сведения

Линзой называется прозрачное тело, ограниченное двумя криволинейными или криволинейной и плоской поверхностями. Обычно применяют линзы, поверхности которых имеют сферическую форму. Основные типы линз изображены на рис.1.

На рисунке 1 представлены собирающие линзы (1 – двояковыпуклая, 2 – плосковыпуклая, 3 – вогнуто-выпуклая (положительный мениск)) и рассеивающие – (4 –двояковогнутая, 5 – плосковогнутая, 6 – выпукло-вогнутая (отрицательный мениск)).

Различают тонкие и толстые линзы. Линза называется тонкой, если её толщиной можно пренебречь по сравнению с радиусами кривизны её поверхностей.

Система, состоящая из одной или нескольких линз, называется центрированной, если центры кривизны всех её преломляющих поверхностей лежат на одной прямой, называемой оптической осью.

Вспомним основные свойства центрированной системы на примере толстой двояковыпуклой стеклянной линзы, находящейся в воздухе.

Лучи, проходящие через первый главный фокус F₁, выходят с другой стороны линзы пучком, параллельным главной оптической оси ОО' (рис. 2).

Рис. 2. Прохождение лучей, сходящихся в первом главном фокусе F₁, через двояковыпуклую линзу

Главный фокус находится на расстоянии –f₁ от первой главной плоскости Н₁ которая определяется как геометрическое место точек пересечения падающих лучей с их продолжениями за линзой. Здесь и далее всем расстояниям, отсчитываемым против хода лучей, приписывается знак "–" (правило знаков).

Пучок лучей, падающих на линзу параллельно главной оптической оси, сходится во втором главном фокусе F₂, отстоящем на расстоянии f₂ от второй главной плоскости Н₂

Рис. 2. Прохождение пучка лучей, параллельного оптической оси, через двояковыпуклую линзу

Если по обе стороны от линзы находится одна и та же среда, фокусные расстояния совпадают: f₁ = f₂ = f. Величина D = 1/f называется оптической силой линзы.

Собирающая линза сводит лучи, параллельные оптической оси в действительном фокусе f > 0, (рис. 2'), и имеет положительную оптическую силу.

Рис. 3. Прохождение пучка лучей, параллельного оптической оси, через рассеивающую линзу

Оптическая сила рассеивающей линзы отрицательна, так как для неё точка схождения параллельных лучей мнимая f < 0 (рис. 3).

Для тонкой линзы можно считать, что точки пересечения поверхностей с оптической осью сливаются в одну точку, называемую оптическим центром, а главные плоскости H₁, H₂ – в одну плоскость, проходящую через оптический центр линзы перпендикулярно её главной оптической оси.

Если светящийся предмет – небольшой отрезок, перпендикулярный к оптической оси, то его изображение, полученное с помощью параксиальных (приосевых) лучей также имеет вид отрезка, перпендикулярного к оптической оси (рис. 4).

Рис. 4. Построение изображения в тонкой положительной линзе

Расстояния до предмета и до его изображения s и s', отсчитанные от оптического центра вдоль главной оптической оси и взятые с учётом правила знаков, подчиняются уравнению линзы (1):

, (1)

где f – фокусное расстояние линзы, s' – расстояние от линзы до изображения, s – расстояние от предмета до линзы.

Для тонкой собирающей линзы f можно рассчитать по этой формуле, получив действительное изображение предмета и измерив расстояния s и s'. Формула (1) справедлива и для толстой линзы. Однако воспользоваться ею для определения фокусного расстояния произвольной линзы затруднительно, поскольку все расстояния в случае толстых линз или оптических систем необходимо отсчитывать от соответствующих главных плоскостей (рис. 5). Главные плоскости могут лежать и внутри, и вне линзы, совершенно несимметрично относительно её сферических поверхностей, и их положение, как правило, неизвестно.

Рис. 5. Положение главных плоскостей для различных линз

Удобным методом определения фокусного расстояния является, используемый в данной работе метод Бесселя, который позволяет найти величину f, не зная положение главных плоскостей линзы.