Оптика (виртуальные модели). Методические указания к лабораторным работам для студентов всех направлений подготовки, реализуемых НИУ МГСУ

4

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 60 ОПРЕДЕЛЕНИЕ УВЕЛИЧЕНИЯ ТОНКОЙ ЛИНЗЫ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ:

Нахождение линейного увеличения линзы.

КРАТКАЯ ТЕОРИЯ:

Прозрачное тело, ограниченное с двух сторон сферическими поверхностями, называется линзой. Линза считается тонкой, если ее

толщина намного меньше, чем радиусы кривизны сферических поверхностей, ограничивающих ее.

Главной оптической осью называется прямая, проходящая через центры обоих сферических поверхностей. Расположенная в линзе на ее оптической оси точка О, через которую луч света проходит и не меняет своего направления, называется оптическим центром линзы. Любая прямая, проходящая через главный оптический центр линзы под углом к главной оптической оси, называется побочной оптической осью.

Собирающими (выпуклыми) называются линзы, если падающий на них пучок параллельного света собирается за линзой в одной точке, находящейся на главной оптической оси (рис. 1, а). Эту точку называют фокусом, а расстояние от линзы до нее фокусным расстоянием, которое обозначают F. Каждая линза обладает двумя фокусами, которые расположены симметрично с двух сторон линзы на одинаковом расстоянии.

Рассеивающими (вогнутыми) называются линзы, если падающий на них параллельный пучок света рассеивается в разные стороны после прохождения через линзу (рис. 1, б).

Для собирающей линзы фокусное расстояние положительно, то есть действительно.

Для рассеивающей линзы фокусное расстояние отрицательно, то есть мнимое.

Расстояние от линзы до предмета обозначают d, а расстояние от линзы до изображения f (рис. 2) . Формула тонкой линзы связывает между собой фокусное расстояние, расстояния от линзы до предмета и от линзы до изображения (формула 1):

5

ХОД РАБОТЫ:

1. Рассмотрите окно опыта. Установите согласно номеру вашей бригады заданные параметры оптической силы линзы F-1 (Д). Смотри табл. 1.

2. Проведите опыт сначала с собирающей линзой, затем с рассеивающей. Вы должны определить линейное увеличение линзы с помощью данных с экрана:

а) выставить значения d ( расстояние от линзы до предмета) на экране и взять с экрана получающееся расстояние f ( расстояние от линзы до изображения), занести в табл. 2. Затем по формуле (2) вычислить Г ― линейное увеличение;

б) построить 5 чертежей, соответствующих данным табл. 1 (без сохранения масштаба), т.е. располагать предмет на разном расстоянии от линзы. Дайте характеристику получившегося изображения;

в) рассчитать с помощью формулы тонкой линзы (1) фокус собирающей линзы и рассеивающей, затем сравнить с указанными на экране; г) проделать также опыты для рассеивающей линзы, заполнить таблицу, аналогичную табл. 2. Для рассеивающей линзы достаточно

два чертежа с разным расположением предмета от линзы.

7

Характеристика получающегося изображения:

1.Прямое или перевернутое.

2.Мнимое или действительное.

3.Увеличенное, уменьшенное или такого же размера, где расположено изображение.

Произведите вычисления в тетради и сделайте рисунки.

Вопросы и задания для самоконтроля

1.Линза. Собирающие и рассеивающие линзы.

2.Главная оптическая ось, главная плоскость, главный фокус, фокусное расстояние, оптическая сила линзы.

3.Фокальная плоскость линзы.

4.От чего зависит фокусное расстояние и оптическая сила линзы?

5.Характерные лучи, используемые для построения изображения.

6.Формула тонкой линзы.

7.Линейное увеличение линзы.

8

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 63 ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАДИУСА КРИВИЗНЫ ЛИНЗЫ

С ПОМОЩЬЮ КОЛЕЦ НЬЮТОНА

ЦЕЛЬ РАБОТЫ:

Знакомство с моделированием явления интерференции света в тонких пленках.

Изучение интерференции полос равной толщины в схеме колец Ньютона.

Определение радиуса кривизны линзы.

КРАТКАЯ ТЕОРИЯ:

Интерференцией волн называется такое сложение когерентных волн, при котором имеет место перераспределение энергии волн в пространстве и устойчивое во времени и пространстве усиление колебаний в одних местах и ослабление в других. Интерференция наблюдается только для когерентных волн. Когерентными называются волны одинаковой частоты (монохроматические) и с постоянной разностью фаз.

Интерференция в тонких пленках.

Когда освещается тонкая пленка, происходит наложение волн, отразившихся от передней и задней поверхности пленки, при этом если толщина пленки мала, то может возникнуть интерференция.

Классическим примером полос равной толщины являются кольца Ньютона. Они наблюдаются при отражении света от воздушного зазора, образованного плоскопараллельной пластинкой и соприкасающейся с ней плосковыпуклой линзой с большим радиусом кривизны.

Простая интерференционная картина возникает в тонкой прослойке воздуха между стеклянной пластиной и положенной на нее плосковыпуклой линзой, сферическая поверхность которой имеет большой радиус кривизны. Такая интерференционная картина имеет вид концентрических колец, получивших название кольца Ньютона.

Интерференция обычно происходит в тонком зазоре (обычно воздушном), разделяющем соприкасающиеся тела; этот зазор играет роль тонкой плѐнки. Кольца наблюдаются и в проходящем и ― более отчетливо ― в отражѐнном свете. При освещении монохроматическим светом кольца Ньютона представляют собой чередующиеся темные и светлые полосы.

9

Если на линзу падает пучок монохроматического света, то световые волны, отражѐнные от верхней и нижней поверхностей воздушной прослойки, будут интерферировать между собой. При этом образуются интерференционные полосы, имеющие форму концентрических светлых и темных колец убывающей ширины.

В отраженном свете оптическая разность хода с учетом потери полуволны будет равна (4):

где d ― толщина воздушного зазора. Из этого следует, что (5):

Учитывая, что d2 является величиной второго порядка малости, то из(5) получим (6):

R2

Вточках, для которых оптическая разность хода равна (8):

возникают темные кольца. Из формул (7) и (8) радиус k -ого темного кольца будет равен (9):

Формула (9) позволяет определить радиус кривизны линзы (10):

10