Экспериментальная оптика. Практикум

измерение фокусного расстояния сводится к измерению величин s (расстояние между предметом и экраном) d (расстояние между двумя положениями линзы). Точность измерения фокусного расстояния этим способом выше, чем первым, так как исключает измерение расстояний а1 и а2, вносящее наибольшую погрешность из-за невозможности правильно определить положение оптического центра линз.

Оптическая сила системы нескольких тонких линз, сложен-

ных вплотную, равна сумме оптических сил отдельных линз:

Выполнение эксперимента

Задание 1. Определение фокусных расстояний и оптических сил собирающих линз первым способом

1.Расположить источник света и экран на достаточно большом расстоянии друг от друга и, перемещая ползунок с держателем собирающей линзы, получить на экране резкое увеличенное (или уменьшенное) изображение предмета (светящегося транспаранта в виде буквы Т), измерить расстояния а1 и а2 и рассчитать f по формуле (1).

2.Повторить измерения 2–3 раза для других значений расстояния s. Найти среднее значение фокусного расстояния f1 первой собирающей линзыи оптическую силуD1.

3.Определить фокусное расстояние f2 второй собирающей линзы и оптическую силу D2, проводя действия, описанные в пунктах

1 и 2.

Задание 2. Определение фокусных расстояний и оптических сил собирающих линз вторым способом

1. Расположить экран на максимально возможном удалении от источника света (s > 4f). Перемещая ползунок с держателем линз от источника света к экрану, получить сначала на экране отчетливое увеличенное изображение предмета и зафиксировать это положение линзы L1, затем отчетливое уменьшенное изображение и снова зафиксировать положение линзы L2. По величине расстояния между двумя положениями линз L1 и L2, равному d,

11

и расстояния между источником света и экраном, равному S, вычислить фокусное расстояние f1 по формуле (3).

2. Повторить измерения 2–3 раза, изменяя положение экрана. Найти среднее значение фокусного расстояния f1 и оптическую силу

D1.

3.Определить фокусное расстояние f2 второй собирающей линзы и оптическую силу D2, проводя действия, описанные в пунктах

1и 2 данного задания.

4.Сравнить полученные значения с результатами, представленными в задании 1.

Задание 3. Определение фокусного расстояния

иоптической силы системы линз и рассеивающей линзы

1.Определить фокусное расстояние системы 2-х тех же со-

бирающих линз вторым способом, вычислить оптическую силу системы D12 и сравнить с суммой оптических сил этих линз, определенных в заданиях 1 и 2, используя формулу (4).

2.Определить фокусное расстояние и оптическую силу D123 системы 3-х линз (двух собирающих и одной рассеивающей) вторым способом.

3.Вычислить оптическую силу D3, используя формулу (4),

ифокусное расстояние f3 рассеивающей линзы.

Контрольные вопросы и задания

1.Дать определения: а) линзы, б) тонкой линзы, в) собирающей и рассеивающей линз, г) фокуса линзы, д) оптической силы линзы, ж) главной оптической оси линзы.

2.Построить изображения предмета в собирающей и рассеивающей линзах (по заданию преподавателя).

3.Как связана оптическая сила системы соприкасающихся тонких линз с оптической силой линз, входящих в систему?

4.Как определить фокусное расстояние рассеивающей лин-

зы?

5.Почему нельзя определить оптическую силу рассеивающей линзы прямым опытом?

6.Запишите формулу, с помощью которой можно определить оптическую силу системы линз.

12

3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Цель работы: ознакомление с оптическими схемами микроскопа и зрительной трубы Кеплера, моделирование этих систем из тонких линз.

Приборы и принадлежности: набор линз в оправах, осветитель со шкалой, оптическая скамья с миллиметровой шкалой, матовый экран на рейтере.

Теоретическая подготовка

1.Построение изображений в линзах.

2.Ход лучей в лупе.

3.Оптическая схема микроскопа. Оптический интервал.

4.Оптическая схема зрительной трубы Кеплера.

5.Увеличения микроскопа и зрительной трубы.

Указания к теоретической подготовке

Микроскоп и зрительная труба представляют собой оптические системы, состоящие из двух основных частей: объектива – линзы, обращенной к объекту, и окуляра – линзы, обращенной к глазу наблюдателя. Объектив создает действительное изображение предмета. Это изображение наблюдается глазом через окуляр, который действует как лупа.

Различие между микроскопом и телескопом состоит в основном в расстоянии от предмета до прибора и в величине фокусного расстояния объектива. Микроскоп имеет короткофокусный объектив, а предмет располагается чуть дальше фокуса объектива. Зрительная труба имеет длиннофокусный объектив, а предмет можно считать бесконечно удаленным. Оптическая схема микроскопа показана на рис. 5.

Глаз видит изображение y" на расстоянии наилучшего зрения l. Расстояние L между объективом и окуляром называется длиной трубы микроскопа, а расстояние между фокусами объектива и окуляра – оптическим интервалом .

Из рис. 5 видно:

13

y”

l

Рис. 5

Увеличение микроскопа К = y"/y приближенно определяется формулой

бесконечность»), то при наводке на резкость окуляр перемещают так, чтобы лучи выходили из него почти параллельным пучком. При этом изображение y' окажется точно в фокусе окуляра. Такая система линз, когда входящий в объектив параллельный пучок

14

при выходе из окуляра остается параллельным, называется телескопической системой.

Угловое увеличение зрительной трубы (рис. 6)

где – угол, под которым виден предмет невооруженным глазом;– угол, под которым виден предмет в трубу. Для телескопической системы формула (3) выполняется точно. Наряду с формулой (3) для телескопической системы можно определить угловое увеличение по диаметрам входящего и выходящего пучков света (рис. 7):

Рис. 7

Выполнение эксперимента

Задание 1. Центрирование оптической системы

1.Матовый экран расположить на расстоянии 40–50 см от осветителя с миллиметровой шкалой (сеткой).

2.Поместить между осветителем и экраном линзу с фокусным расстоянием 250 мм и, перемещая её по скамье, добиться четкого увеличенного изображения шкалы.

3.Отметить на экране простым карандашом положение закрашенного квадратика шкалы.

15

4.Поместить между осветителем и экраном линзу с фокусным расстоянием 110 мм и, перемещая её по скамье, добиться четкого увеличенного изображения шкалы и закрепить линзу на оптической скамье.

5.Совместить положение закрашенного квадратика с поставленной точкой на экране, перемещая линзу с помощью регулирующих винтов по вертикали и горизонтали.

6.Проделать пункты 4 и 5 для линзы с фокусным расстоянием 94 мм.

Задание 2. Моделирование микроскопа

1.Для заданного преподавателем увеличения К рассчитать оптический интервал и длину трубы с помощью формул (1) и (2), используя в качестве объектива и окуляра линзы с фокусными расстояниями 94 и 110 мм. Все расчеты проводить в системе

СИ!

2.Собрать на оптической скамье модель микроскопа. Перемещая по скамье одновременно обе линзы, расположенных на расстоянии, равном длине трубы, получить на экране четкое изображение шкалы (сетки).

3.С помощью сантиметровой линейки определить величину (размер) деления на экране. Сравнить с истинным значением деления. Определить увеличение собранного микроскопа и сравнить его с заданным.

Задание 3. Моделирование телескопа

1.Поместить линзу с фокусным расстоянием 94 мм на расстоянии 94 мм от сетки для получения параллельного пучка света.

2.Линзу с фокусным расстояние 250 мм (объектив) расположить за линзой с фокусным расстоянием 94 мм.

3.Линзу с фокусным расстоянием 110 мм (окуляр) расположить на расстоянии L = fоб + fок от объектива.

4.Перемещая экран (или обе линзы одновременно, сохраняя расстояние L), получить четкое изображение оправы объектива.

5.Измерить с помощью линейки размер оправы объектива D

иеё изображения D’ на экране и рассчитать увеличение по формуле (4). Рассчитать увеличение телескопа по формуле (3), зная

16

фокусные расстояния объектива и окуляра. Сравнить полученный результат с экспериментальным.

Контрольные вопросы и задания

1.Начертить оптические схемы микроскопа и телескопа.

2.Что такое оптический интервал в схеме микроскопа?

3.Как вычислить увеличение микроскопа?

4.Что такое телескопическая система?

5.Как вычислить угловое увеличение телескопа?

6.Каким образом при моделировании телескопа получают параллельный пучок света?

7.Охарактеризовать изображение, даваемое микроскопом.

17

4. ИЗУЧЕНИЕ ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ИСТОЧНИКА СВЕТА

Цель работы: исследование светового поля лампы накаливания и определение ее световых характеристик.

Приборы и принадлежности: оптическая скамья, штатив с лимбом и рефлектором, люксметр, исследуемые лампы.

Теоретическая подготовка

1.Основные понятия фотометрии: энергетический и световой потоки, сила света, светимость, яркость, освещенность. Единицы их измерения.

2.Переход от энергетических величин к световым. Спектральная характеристика глаза (кривая видности).

4.Основные технические характеристики электрических ламп накаливания: удельная мощность, светоотдача, коэффициент полезного действия источника излучения.

Указания к теоретической подготовке

Удельной мощностью лампы РУД называется отношение потребляемой ею электрической мощности РВТ к ее средней силе света I, т. е.

РУД РВТ I .

Силу света можно рассчитать, зная освещённость Е и расстояние между источником света и освещаемой поверхностью r (в нашем случае датчик люксметра):

Экономичность электролампы характеризуют величинами, называемыми светоотдачей и КПД.

Светоотдачей К называется отношение светового потока Ф (лм), испускаемого источником света, к потребляемой им мощности Р (Вт):

где Ф 4 I .

18

Коэффициентом полезного действия (КПД) источника светаназывается отношение светоотдачи к максимально возможной светоотдаче в области длин волн в 555 нм:

Максимальная светоотдача соответствует максимуму на кривой видности и равна

Выполнение эксперимента

Задание 1. Исследовать зависимость силы света от направления излучения лампы накаливания

спрозрачным баллоном, без рефлектора

1.Вкрутить электролампу с прозрачным баллоном в патрон,

2.Электролампа в патроне может поворачиваться на 360 градусов, а ее положение – фиксироваться с помощью указателя

илимба, проградуированного в градусах. При изучении светового поля лампы (без рефлектора или с рефлектором) ее следует поворачивать от выбранного нулевого положения и через каждые 20 градусов измерять освещенность.

3.Рассчитать силу света, пользуясь законом освещенности для точечного источника света, по формуле (1) для каждого значения угла.

4.Полученные результаты представить в полярных координатах, проведя из общего центра радиус-векторы, по модулю равные силе света в соответствующем направлении, через каждые 20 градусов.

19

5. Определить среднее значение силы света и рассчитать полный световой поток, удельную мощность, светоотдачу и КПД. Значение потребляемой мощности указано на баллоне лампы.

Задание 2. Исследовать зависимость силы света от направления излучения той же лампы с рефлектором

Закрепить на держателе с лимбом рефлектор с помощью крепёжной гайки, выкрутив предварительно лампу. Вкрутить лампу и повторить действия, описанные в пунктах 2–4 задания 1. При необходимости изменить предел измерения люксметра.

Задание 3. Исследовать зависимость силы света от направления излучения лампы накаливания с матовым баллоном, без рефлектора

Проделать измерения и расчёты, описанные в задании 1. Считая данную лампу ламбертовским источником света, определить ее светимость и яркость.

Задание 4. Исследовать зависимость силы света от направления излучения лампы с матовым баллоном

при наличии рефлектора

Проделать измерения и расчёты, описанные в задании 2.

Контрольные вопросы и задания

1.Что понимают под энергетическим и световым потоками?

2.Дайте понятие силы света, светимости и яркости источников света. В каких единицах измеряются эти величины?

3.Дайте понятие освещенности поверхности и сформулируйте закон освещенности для точечного источника света.

4.Как связаны между собой светимость и яркость для ламбертовских источников?

6.Дайте понятие удельной мощности, светоотдачи, коэффициента полезного действия источника света.

7.Как по показаниям люксметра определить силу света излучателя?

20