МИНОБРНАУКИ РОССИИ

––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

Санкт-Петербургский государственный электротехнический

университет «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина)

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

Оптика и атомная физика

Лабораторный практикум

Санкт-Петербург

Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

2019

1

УДК 531+537 (079)

ББК 22.34 Оптика

О62

Авторы: Ю. В. Богачёв, В. М. Вяткин, Н. Н. Кузьмина, В. С. Лос-кутников, В. В. Морозов, М. Н. Шишкина.

О62 Оптика и атомная физика: лабораторный практикум. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2019. 123 с.

ISBN 978-5-7629-????-?

Содержат описание теории и методики экспериментального исследова-ния корпускулярно-волновой природы электромагнитного излучения, кван-товой природы магнитных свойств атома и ядра атома. В описания работ включены задание на подготовку и перечень контрольных вопросов.

Предназначено для студентов 2-го курса всех факультетов СПбГЭТУ.

УДК 531+537 (079)

ББК 22.34 Оптика

Рецензенты: профессор кафедры микро и наноэлектроники СПбГЭТУ

«ЛЭТИ» д.ф.-м.н. В.И. Зубков; профессор кафедры физической электрони-

ки РГПУ им. А.И.Герцена, д.т.н. М.А.Горяев.

Утверждено

редакционно-издательским советом университета

в качестве учебного пособия

ISBN 978-5-7629-????-? © СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2019

2

Лабораторная работа 1. Определение фокусныхрасстояний линз

Цель работы: определение фокусных расстояний собирающей и рассе-ивающей линз исходя из результатов измерений расстояний от исследуемых линз до предмета и его изображения.

Работу выполняют на оптической скамье, вдоль которой могут переме-щаться держатели с укрепленными на них светящимся предметом (источни-ком света), линзами и экраном. На скамье имеется миллиметровая шкала, позволяющая отсчитывать положение окна источника света, собирающей и рассеивающей линз и положение экрана. Светящийся предмет, линзы и экран должны быть установлены так, чтобы их центры находились на одной высоте

57. оптическая ось линзы была параллельна оптической скамье. Предметом служит изображение стрелки на стекле окна в металлическом кожухе лампы.

Общие сведения

Фокусным расстоянием тонкой линзы называют расстояние между оп-тическим центром линзы и ее главным фокусом, т. е. точкой, лежащей на главной оптической оси, в которой пересекаются после преломления в линзе световые лучи, падающие на линзу параллельно главной оптической оси. Главной оптической осью называют прямую, проходящую через центры кри-визны обеих сферических поверхностей линзы.

Элементарная теория оптических стекол приводит к простым соотношени-ям между фокусным расстоянием F линзы, расстоянием d от линзы до предмета, расстоянием f от линзы до его изображения, относительным показателем пре-

ломления	n	= n	n	материала линзы, где	n	и n	2	– абсолютные показатели
	21	2	1		1

преломления внешней среды и линзы, и радиусами кривизны

R1

и R₂ сфериче-

ских поверхностей линзы. Для тонкой линзы (толщиной которой по сравнению

с R1	и R2 можно пренебречь) справедливы следующие соотношения:
				1	=	1	+	1	,	D =	1	= ( n	− 1)		1	+	1		,	(1)
				F d f							F	21			R1		R2
где	D =	1	– оптическая сила линзы, R 0 для выпуклых поверхностей и

F

R 0 – для вогнутых. Если D 0 , то линза собирающая, а если D 0 , то – рассеивающая.

3

Для определения фокусных расстояний собирающих линз существует ряд способов. В данной работе применяют два из них:

0. путем нахождения расстояний d и f от линзы до предмета и от линзы до изображения;

0. путем измерения расстояния L между предметом и изображением и расстояния l между уменьшенным и увеличенным изображениями предмета. Суть метода поясняется рис.1.1.

Если предмет, поставленный на расстоянии

d1

от линзы, дает действи-

тельное изображение на расстоянии

f1

от нее, то предмет, поставленный на

расстоянии

d	2	= f
		1

от линзы, дает действительное изображение на расстоя-

нии f ₂ = d₁ от нее. В одном случае получится увеличенное изображение предмета, во втором – уменьшенное (рис. 1.1). Поэтому при одном и том же расстоянии L между светящимся объектом и экраном (при условии, что L 4F )должны существовать два положения линзы, при которых на экране будут получаться резкие изображения предмета.

Рис. 1.1. Ход лучей в собирающей линзе

Расстояние между двумя положениями линзы равно l = f1 − d1 , а рассто-

яние между предметом и экраном – L = f₁ + d₁ . Из этих соотношений следует d = ( L − l) 2 , f = ( L + l) 2 тогда согласно формуле линзы получим

4

F =	df	=	L2 − l2
	d + f		4L

Этот способ, в отличие от других способов определения фокусного рас-стояния, применим как для тонких, так и для толстых линз, поскольку не требует знания положения оптического центра линзы. Поэтому данный спо-соб определения фокусного расстояния линзы более предпочтителен.

Рассеивающая линза не дает действительного изображения предмета на-экране, поэтому для определения фокусного расстояния такой линзы исполь-зуют оптическую систему, составленную из двух линз: исследуемой – рассе-ивающей, и вспомогательной – собирающей, такой, чтобы комбинация этих двух линз служила собирающей оптической системой (рис. 1.2), с помощью которой можно получить действительное изображение предмета.

Последовательное сочетание собирательной линзы (или системы линз), которая образует действительное изображение фотографируемого объекта, и рассеивающей линзы (или системы линз), которая его увеличивает, позволяет создать длиннофокусный фотографический объектив. В таком объективе, называемом телеобъективом, расстояние от поверхности первой линзы до задней фокальной плоскости уменьшено по сравнению с длиннофокусными объективами других типов, что позволяет сократить габариты фото и кино-камер. Телеобъективы обычно применяют при съемке удаленных объектов в крупном масштабе. Идея метода поясняется рис.1.2.

Рис. 1.2. К определению фокусного расстояния рассеивающей линзы

5

Если с помощью собирающей линзы получить на экране уменьшенное изображение предмета S₁, а затем за ней поставить рассеивающую линзу (рис.1.2), то удаляя экран от лампы можно найти его положение, при котором на экране возникнет действительное изображение S₂ мнимого (по отноше-нию к рассеивающей линзе) предмета, создаваемого собирающей линзой. Определив расстояния d и f от рассеивающей линзы до изображения предме-та, даваемого собирающей линзой, и его изображения, даваемого рассеива-ющей линзой, можно найти фокусное расстояние F рассеивающей линзы. Формула рассеивающей линзы в рассматриваемом случае (предмет мнимый,

а его изображение действительное) имеет вид − 1 F = − 1 d +1 f , откуда фо-кусное расстояние рассеивающей линзы F = fd ( f − d ) .