Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Оптика. Атомная физика. Лабораторный практикум
.pdf
n
n
1
R
2
R
21
11
1
1
RRn
n
F
ср
л
R
(он идет не преломляясь) (см. рис. 1.4). Все остальные лучи, падающие на линзу из точки-предмета, проходят через линзу так, что
их продолжение попадает в ту же точку (изображение), где пересекаются продолжения характерных лучей.
Рис. 1.4. Построение изображений в рассеивающей линзе
5. Если F – фокусное расстояние линзы,
ломления материала, из которого изготовлена линза,
преломления среды, в которой находится линза,
– показатель пре-
л
– показатель
ср
и
– радиусы
кривизны одной и другой поверхности линзы, то
. (1.11)
Радиус кривизны выпуклой поверхности берут со знаком
«плюс», вогнутой – со знаком «минус», для плоской
11
.
fdF
111
fdF
111
fd
df
F
4
...41FF
F
ср
Формулы ±
линзы справедливы лишь при условии, что по обе стороны линзы
находится одна и та же среда. Если по обе стороны линзы находятся среды с разными показателями преломления, то положение
изображения определяют с помощью формулы (7), применяя ее
последовательно для каждой сферической поверхности.
Оборудование и материалы: источник света, линза, экран, из-
мерительная линейка.
Указания по технике безопасности приведены в Приложении 1.
1. Получите с помощью собирающей линзы четкое изображе-
ние предмета на экране.
2. Не меняя положения предмета и экрана, перемещением
линзы найдите для нее второе положение, при котором на экране
вновь получается резкое изображение.
3. Измерьте расстояние от предмета до линзы (d) и от линзы
до экрана (f) в каждом из двух опытов.
4. Повторите измерения.
5. Из формулы тонкой линзы
для собирающей и рассеивающей
Задания
следует, что
. Используя полученные значения для d и f, рассчи-
тайте фокусное расстояние собирающей линзы F.
6. Найдите
7. Результаты занесите в таблицу.
Отчет по лабораторной работе 0
«Определение фокусного расстояния собирающей линзы»
Выполнил(а) студент____ ____ курса, института _________
группа _______________ «___» _____________ 20___ г.
Цель работы: _______________________________________
.
12
№
п/п
d
, м
f
, м
F
, м
F
ср
, м
1
2
3 4
Вывод: _____________________________________________
Контрольные вопросы
1. Геометрическая оптика, луч. Закон прямолинейного распро-
странения света, закон отражения, закон преломления.
2. Центрированные оптические системы. Параксиальные лучи.
3. Линза. Главная оптическая ось, побочная оптическая ось.
Оптический центр линзы, фокус линзы.
4. Собирающая и рассеивающая линзы. Построение изобра-
жения в линзах.
5. Формула тонкой оптической линзы. Геометрическое увели-
чение линзы.
Литература
1. Трофимова Т. И. Курс физики. М.: Высшая школа, 2009.
2. Сивухин Д. В. Общий курс физики. В 5 т. М.: Физматлит,
2010.
3. Матвеев А. Н. Механика и теория относительности. СПб.:
Лань, 2009.
4. Матвеев А. Н. Электричество и магнетизм: М., 2005.
5. Ландсберг Г. С. Оптика. М.: Физматлит, 2006.
6. Иродов И. Е. Механика: Основные законы. М.: Бином,
2007.
7. Иродов И. Е. Физика макросистем: Основные законы. М.:
Бином, 2010.
8. Матвеев А. Н. Молекулярная физика. М: Оникс Мир и об-
разование, 2006.
9. Матвеев А. Н., Атомная физика. М: Оникс Мир и образова-
ние, 2007.
10. http://fizkaf.narod.ru – кафедра и лаборатория физики Московского института открытого образования;
13
Таблица
11. http://www.phys.spb.ru – сайт физического факультета
СПбГУ;
12. http://experiment.edu.ru – естественнонаучные эксперимен-
ты – Физика: Коллекция Российского общеобразовательного пор-
тала;
13. http://www.edu.delfa.net – кабинет физики СанктПетербургской академии постдипломного педагогического образования;
14. http://demo.home.nov.ru – Мир физики: физический эксперимент;
15. http://genphys.phys.msu.ru – сайт кафедры общей физики
физфака МГУ;
16. http://www.online-electric.ru/ – система автоматизации решения электротехнических задач, возникающих при проектировании, монтаже, оптимизации и эксплуатации систем электроснабжения.
14
1
0
1
c
c
n
1
n
2
n
2
1
1
2
21
c
c
n
n
n
1
2
21
sin
sin
n
n
n
2. Измерение показателя преломления стекла линзы
Цель: изучение законов геометрической оптики на примере
преломления света на сферической поверхности; измерение показателя преломления стекла линзы.
Компетенции, формируемые при выполнении работы: ОК-1,
ПК-11, ПК-32.
Теоретическая часть
Законы отражения и преломления света. Отношение ско-
рости распространения света в вакууме к скорости распространения света в данной среде называют абсолютным показателем преломления данной среды:
.
Чем меньше скорость света в данной среде по сравнению со
скоростью света в вакууме (чем больше n1), тем оптически более
плотной считается среда по сравнению с вакуумом.
Если луч света идет из среды с абсолютным показателем преломления
то показатель преломления второй среды относительно первой
(относительный показатель преломления) равен:
в среду с абсолютным показателем преломления
,
. (2.1)
Закон преломления: лучи падающий и преломленный лежат в
одной плоскости с перпендикуляром к границе раздела двух сред,
восстановленным из точки падения и
, (2.2)
где – угол падения; – угол преломления луча (рис. 2.1).
15
nn
21
nn
21
падающий
отраженный
преломленный
n
1
n
2
Рис. 2.1. Отражение и преломление света на плоской границе
раздела двух сред
Если луч идет из среды оптически менее плотной в оптически
более плотную, то
и (преломленный луч отклоняется
от своего начального направления, приближаясь к перпендикулярному, восстановленному из точки падения луча).
Если луч идет из оптически более плотной среды в менее
плотную среду, то
и β>α (преломленный луч отклоняется от
своего начального направления к границе раздела сред).
Рассмотренный выше пример преломления света относится
к преломлению на плоской поверхности, в общем же случае преломляющая поверхность может быть искривленной. Частным случаем искривленной преломляющей поверхности является сферическая поверхность.
Линза. Линзой называется прозрачное тело, ограниченное
двумя сферическими поверхностями. Если толщина самой линзы
мала по сравнению с радиусами кривизны сферических поверхностей, то линзу называют тонкой.
Линзы входят в состав практически всех оптических приборов. Линзы бывают собирающими и рассеивающими. Собирающая
линза в середине толще, чем у краев, рассеивающая линза, наоборот, в средней части тоньше (рис. 2.2).
16
O
1
O
2
Рис. 2.2. Собирающие (a) и рассеивающие (b) линзы
Прямая, проходящая через центры кривизны
и их условные обозначения
и
сфериче-
ских поверхностей, называется главной оптической осью линзы.
В случае тонких линз можно приближенно считать, что главная
оптическая ось пересекается с линзой в одной точке, которую принято называть оптическим центром линзыO. Луч света проходит
через оптический центр линзы, не отклоняясь от первоначального
направления. Все прямые, проходящие через оптический центр,
называются побочными оптическими осями.
Рис. 2.3. Преломление параллельного пучка лучей в собирающей (a)
и рассеивающей (b) линзах. Точки O1 и O2 – центры сферических
поверхностей, O1O2 – главная оптическая ось, O – оптический центр,
F – главный фокус, F' – побочный фокус, OF' – побочная оптическая ось,
Ф – фокальная плоскость
17
Если на линзу направить пучок лучей, параллельных главной
оптической оси, то после прохождения через линзу лучи (или их
продолжения) вследствие преломления соберутся в одной точкеF,
которая называется главным фокусом линзы. У тонкой линзы имеются два главных фокуса, симметрично расположенных относительно линзы на главной оптической оси. У собирающих линз фокусы действительные, у рассеивающих – мнимые. Пучки лучей, параллельных одной из побочных оптических осей, также фокусируются после прохождения через линзу в точку F', которая расположена при пересечении побочной оси с фокальной плоскостью Ф, то
есть плоскостью перпендикулярной главной оптической оси и
проходящей через главный фокус (рис. 2.3). Расстояние между оптическим центром линзы Ои главным фокусом Fназывается фокусным расстоянием. Оно обозначается той же буквойF.
Основное свойство линз – способность давать изображения
предметов. Изображения бывают прямыми и перевернутыми, действительными и мнимыми, увеличенными и уменьшенными.
Положение изображения и его характер можно определить с
помощью геометрических построений. Для этого используют
свойства некоторых стандартных лучей, ход которых известен. Это
лучи, проходящие через оптический центр или один из фокусов
линзы, а также лучи, параллельные главной или одной из побочных оптических осей. Примеры таких построений представлены на
рис. 2.4 и 2.5.
Рис. 2.4. Построение изображения в собирающей линзе
18
R
1
R
2
21
11
1
1
RRn
n
F
ср
л
R
D
Ffd
111
м
дптр
1
1
Рис. 2.5. Построение изображения в рассеивающей линзе
Следует обратить внимание на то, что некоторые из стандартных лучей, использованных на рис. 2.4 и 2.5 для построения изображений, не проходят через линзу. Эти лучи реально не участвуют
в образовании изображения, но они могут быть использованы для
построений.
Если F– фокусное расстояние линзы, nл – показатель преломления материала, из которого изготовлена линза, n
преломления среды, в которой находится линза,
кривизны поверхностей линзы, то формула тонкой линзы записывается следующим образом:
. (2.3)
Радиус кривизны выпуклой поверхности берут со знаком
«плюс», вогнутой – со знаком «минус», для плоской
Если расстояние от предмета до линзы обозначить черезd, а
расстояние от линзы до изображения через f, то формулу тонкой
линзы можно записать в виде:
. (2.4)
– показатель
ср
и
– радиусы
.
Величину D, обратную фокусному расстоянию, называют оптической силой линзы. Единица измерения оптической силы является 1 диоптрия (дптр). Диоптрия – оптическая сила линзы с фокусным расстоянием 1 м:
19
d
fd
11
Ff
11
0F
0F
0d
0f
0d
0f
0F
03Fd
0
2
3
Ff
0F
0Fd
0
3
2
Ff
В случае, если
Фокусным расстояниям линз принято приписывать определенные знаки: для собирающей линзы
.
Величины d и f также подчиняются определенному правилу
знаков:
альных источников света, а не продолжений лучей, сходящихся за
линзой) и изображений;
изображений.
Для случая, изображенного на рис. 2.4, имеем:
бирающая),
По формуле тонкой линзы получим:
тельно, изображение действительное.
В случае, изображенном на рис. 2.5,
щая),
и
(действительный предмет),
f
. (2.5)
– для действительных предметов (то есть ре-
и
(действительный предмет).
– для мнимых источников и
, для рассеивающей
(линза со-
, следова-
(линза рассеиваю-
, то есть
изображение мнимое.
Оборудование и материалы: линза, измерительная линейка,
штангенциркуль.
Указания по технике безопасности приведены в Приложении 1.
Задания
Измерение длин штангенциркулем. Штангенциркуль – изме-
рительный инструмент, внешний вид которого показан на рис. 2.6.
Основной особенностью штангенинструментов является наличие
нониуса.
Нониус – вспомогательная короткая шкала, позволяющая повысить точность измерений в 10–20 раз. Принцип построения и
использования нониуса показан на рис. 2.6.
20
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]