Цель настоящей работы оказать помощь студентам, будущим учителям физики, в приобретении практических умений и навыков в обращении с оптическим оборудованием, используемым в постановке демонстрационного и лабораторного эксперимента в курсе преподавания оптики.

При выполнении лабораторных работ по геометрической оптике студент должен научиться:

Определять экспериментальным путем фокусные расстояния собирающей и рассеивающей линз.

Центрировать оптические системы и определять положения их кардинальных точек.

Строить изображения в оптических системах.

получать четкое, правильное, достаточно светосильное изображение объекта.

Рассчитывать и экспериментально определять увеличения изображений.

Умело пользоваться школьным проекционным аппаратом, зрительной трубой и микроскопом.

Всего по геометрической оптике предлагается выполнить 6 лабораторных работ. Каждая лабораторная работа содержит несколько заданий. Номера заданий, которые следует выполнить, называет преподаватель. Задания, отмеченные звездочкой, выполняются каждым студентом.

Работы выполняются по графику, имеющемуся в лаборатории. На первом занятии студент должен узнать свой личный номер и записать свой график выполнения лабораторных работ. В случае пропуска занятия следует готовиться не к пропущенной, а к следующей по графику работе. Если пропуск занятия был по уважительной причине (есть документ), то преподаватель, проверив подготовленность студента, может дать разрешение на выполнение работы в часы самоподготовки в присутствии лаборанта. Если же причина была неуважительной, то выполнение пропущенной работы откладывается на конец семестра.

Зная свой график, студент должен приходить на занятие подготовленным к очередной работе. В методических указаниях к каждой работе имеются вопросы, знание которых необходимо для получения допуска к выполнению работы, а также список литературы. У студента должна быть толстая тетрадь, где он конспектирует (но не переписывает полностью!) методические указания и сведения из книг. В лаборатории указано время для самоподготовки. Во время занятий студент пользуется только своим конспектом. Конспект может быть произвольной формы и должен содержать оптические и электрические схемы измерительной установки, основные определения и расчетные формулы. Особое внимание следует обратить на умение правильно рисовать ход лучей в оптических системах. В конспекте следует заготовить таблицы для занесения результатов опытов и погрешности измерений. В целях экономии времени, необходимого для выполнения лабораторного эксперимента и оформления результатов измерений, рекомендуется не делать черновые записи результатов измерений на отдельных листах, а сразу карандашом вносить их в заранее заготовленную таблицу. По окончании прямых измерений произвести оценку конечного результата эксперимента, а также степени его достоверности. Если окончательный результат оказался мало правдоподобен, следует повторить измерения, стереть в таблице неверные значения и внести в результаты измерений соответствующие коррективы.

Входя в лабораторию, студент должен оставить свои сумки на специальном столе, взяв с собой только то, что необходимо для выполнения лабораторной работы.

В лаборатории следует строго соблюдать инструкцию по технике безопасности, с которой студентов на первом занятии должен познакомить преподаватель (что должно быть засвидетельствовано подписями преподавателя и студентов в журнале по технике безопасности). Студент должен бережно обращаться с оптическим оборудованием, нельзя дотрагиваться пальцами до поверхностей линз, призм, зеркал (следует брать их за края или оправу).

Занятие начинается с приема допуска к выполнению лабораторной работы. Студент, допущенный к работе, получает у лаборанта и самостоятельно выбирает на стеллажах необходимые для работы оптические детали и принадлежности. Категорически запрещается включение ламп и других приборов без проверки установки лаборантом и в отсутствии лаборанта!

При выполнении качественных опытов их следует обязательно демонстрировать преподавателю. По окончании работы необходимо привести в порядок свое рабочее место, сдать принадлежности лаборанту и попросить преподавателя отметить в журнале, что работа выполнена.

На следующем занятии желательно не только быть подготовленным к выполнению новой лабораторной работы, но иметь оформленный отчет по предыдущей работе. Допускается задолженность не более чем по трем отчетам. Студент, не отчитавшийся за три работы, к выполнению следующих работ не допускается. В графике выполнения работ предусмотрены «окна» - свободные часы, которые студент использует для получения зачетов по выполненным работам и ликвидации возможных задолженностей.

С целью дальнейшего усовершенствования «Указаний» просьба к преподавателям, лаборантам и студентам делать свои замечания по содержанию «Указаний» на полях «экземпляра для замечаний», хранящегося в столе преподавателя.

Введение

Прежде чем приступить к выполнению лабораторных работ по геометрической оптике студентам следует познакомиться с основными понятиями и формулами теории геометрической оптики, краткое изложение которых приведено ниже в §§1-7.

§1. Исходные понятия геометрической оптики

В данном практикуме изучаются центрированные оптические системы со сферическими границами (поверхностями) прозрачных оптических сред, отличающихся показателями преломления. Плоская граница является частным случаем сферической границы (r ). Следует заметить, что в оптическом эксперименте иногда будут использоваться и другие виды линз. Так, например, в лабораторном практикуме по волновой оптике при постановке дифракционного эксперимента, наряду со сферическими линзами, будут использоваться цилиндрические линзы. В отличии от сферических линз цилиндрические линзы собирают свет только в одном направлении. Благодаря этому их свойству цилиндрические линзы позволяют преобразовать точечное изображение в линию, удобны для фокусировки света от щели, а также для изменения высоты изображения без изменения его ширины. В качестве конденсора кодоскопа в лаборатории используется линза Френеля, состоящая из отдельных примыкающих друг к другу концентрических колец небольшой толщины, которые в сечении имеют форму призм определенного профиля. Из-за малой толщины линзы Френеля имеют хороший коэффициент пропускания.

При построении изображений в оптической системе в геометрической оптике используются лучевые представления. Луч-линия, вдоль которой происходит перенос световой энергии. Источник света, размерами которого можно пренебречь по сравнению с расстояниями, на которых изучается действие света, называется точечным источником. Точечный источник света в однородной среде порождает пучок радиально расходящихся лучей. Световой пучок, исходящий из точечного источника, называется гомоцентрическим пучком. Гомоцентрическому пучку в однородной изотропной среде соответствует сферическая волновая поверхность (сферическая волна). Пучок параллельных лучей (плоскую волну) можно рассматривать как предельный случай гомоцентрического пучка с источником, удаленным на бесконечность. В изотропной среде волновая поверхность нормальна к лучам пучка.

В неограниченной однородной среде волновые и лучевые представления о распространении света приемлемы в одинаковой мере. При наличии же неоднородностей, преград или диафрагм сказывается явление дифракции, объясняемое только с волновой точки зрения.

Р

Рис.1

ассмотрим прохождение света через плоскую границу двух прозрачных однородных и изотропных сред с показателями преломления n и n’ (рис.1). Как видно из рисунка 1, в точке падения Н луча АН световой луч раздваивается: часть потока световой энергии отражается (луч НD), другая часть преломляется (луч НВ). Доли отраженной от границы и проходящей через границу энергии характеризуются коэффициентами отражения R и пропускания T:

, (1.1)

где Ф_R, Ф_T и Ф - усредненные по времени потоки лучистой энергии отраженного, преломленного и падающего световых пучков. Для оптически прозрачных сред

R

Рис.1

+T=1 (1.2)

Электромагнитная теория света при малых углах падения, -i  15°, дает следующие выражения для коэффициентов R и T:

(1.3)

Из этих формул следует, что при небольших углах падения от поверхности стекол (n’=1.6) отражается незначительная часть света (R  0,04).

Направление отраженных и преломленных лучей описывается законами отражения и преломления света:

1. Лучи падающий, отраженный и преломленный лежат в одной плоскости с нормалью, проведенной к границе двух сред через точку падения. Эта плоскость называется плоскостью падения луча.

2. Синус угла падения (-i) равен синусу угла отражения (i):

(1.4)

3. Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления для данных двух сред есть величина постоянная, не зависящая от величины угла падения и равная :

(1.5)

Законы отражения и преломления света лежат в основе геометрической оптики. Они могут быть выведены из волновой теории света, основанной на обобщенных законах электромагнетизма.

Оптической осью для плоской границы двух сред (рис. I) является нормаль НN к границе EG . Горизонтальные отрезки на оптической оси отсчитываются от выбранных "кардинальных" точек, например, от точки Н. Принято следующее правило знаков для отрезков и углов. Отрезки, отсчитываемые по ходу светового луча, положительные, отсчитываемые против хода светового луча - отрицательные. Положительное направление оптической оси совпадает с направлением луча. Вертикальные отрезки, лежащие выше оптической оси, - положительные, ниже – отрицательные. Углы отсчитывают от оптической оси до луча (или его продолжения) по кратчайшему угловому пути. Если отсчет производится по часовой стрелке - углы положительные, против часовой стрелки - отрицательные. На рисунках отрицательные отрезки и углы отмечают знаком минус, т.е. на рисунках приводятся положительные значения этих величин. Пространство, где расположены объекты, называется пространством объектов, а где расположены изображения - пространством изображений. На рисунках буквенные обозначения отрезков и углов, расположенных в пространстве изображений, обычно отмечают штрихом.

Как видно из рис.1,

, (1.6)

где отрезок r отсчитывается от точки H до произвольной (в случае плоской границы) точки N, лежащей на оптической оси; l_{A, ,}-l_D и l’_B – длины отрезков, лежащих на перпендикулярах, опущенных из точки N на направление или продолжение лучей.

После подстановки (1.6) в законы отражения и преломления (1.4 и 1.5) получим:

(1.7)

(1.8)

Отсюда можно записать равенство:

(1.9)

Равенство (1.9) утверждает, что оптическая длина "плеча" любого светового луча при преломлении и отражении для данных двух прозрачных сред является оптическим инвариантом данного луча.