metod_uk_4sem / Квантовая оптика (51-57) PDF / Мет. 51

Федеральное агентство по образованию РФ Ухтинский государственный технический университет

51

Изучение преломления света в линзах

Методические указания к лабораторной работе для студентов всех специальностей дневной и заочной формы обучения

Ухта

2007

Шамбулина, В.Н. Изучение преломления света в линзах . [Текст]: метод. указания/ В.Н. Шамбулина, В.И.Сухарев. – Ухта: УГТУ, 2007. – 13 с.: ил.

Методические указания предназначены для выполнения лабораторной работы по физике по теме “Элементы геометрической и электронной оптики” для студентов специальностей 290700, 290300 и направлению 550100.

Методические указания рассмотрены и одобрены кафедрой физики от 19.02.07г., пр. № 5.

Содержание методических указаний соответствует рабочей учебной программе.

Рецензент : Филиппов Г.П., старший преподаватель кафедры физики Ухтинского государственного технического университета.

Редактор : Северова Н.А., доцент кафедры физики Ухтинского государственного технического университета.

В методических указаниях учтены предложения рецензента и редактора.

План 2007г., позиция 63. Подписано в печать 16,04.2007.

Компьютерный набор Сивенкова А. гр. ИСТ-05.

Объём 13 с. Тираж 50 экз. Заказ № 209.

Ухтинский государственный технический университет, 200 7 169300, г.Ухта, ул.Первомайская, 13.

Отдел оперативной полиграфии УГТУ. 169300, г.Ухта, ул.Октябрьская, 13.

2

Изучение преломления света в линзах

Цель работы: изучение характеристик линз, некоторых методов и оптических приборов для их определения.

Приборы и принадлежности: оптическая скамья, оснащенная коллиматором, плоскопараллельной пластиной, держателями для линз и микроскопом. Исследуемые линзы.

Свойства и характеристики линз

Линза является одним из основных элементов оптических приборов. Столь широкое применение линз обусловлено тем, что световые потоки, излучаемые или отражаемые объектом, находящимся перед линзой, дважды преломившись в ней, обеспечивают получение изображения, геометрически подобного объекту. Это свойство линзы является следствием осевой симметрии их формы.

Если изображение получается как р езультат действительного пересечения преломлённых лучей, его называют действительным. Изображение, получаемое продолжением расходящихся преломлённых лучей, называется мнимым. Как действительные, так и мнимые изображения зрительно воспринимаются как одинаково достоверные, поскольку в основе работы зрительной системы человека – проецирование на сетчатку глаз расходящихся световых потоков и далее, при активном участии мозга – определение пространственного расположения точек, из которых эти потоки исходят.

Если в центре линзы толщина стекла наибольшая, линза является

собирающей, если наименьшая – рассеивающей.

Точка линзы, через которую проходят лучи, сохраняющие первоначальное направление распространения, называется оптическим центром линзы. Прямая, проходящая через оптический центр, называется оптической осью. Оптическая ось, проходящая через центры кривизны преломляющих поверхностей линзы, называется главной оптической осью.

Лучи, параллельные главной оптической оси, преломившись в линзе, пересекаются в точке, называемой фокусом линзы. Расстояние от точки фокуса до оптического центра линзы называется фокусным расстоянием: расстояние от точки фокуса до поверхности линзы - вершинным отрезком линзы.

Величина D, обратная фокусному расстоянию, выраженному в метрах:

D 1f

называется оптической силой линзы; измеряется в диоптриях.

Если линза рассеивающая, то фокусом называют точку, в которой пересекаются продолжения расходящихся преломлённых лучей (мнимый фокус). В этом случае фокусное расстояние и оптическая с ила линзы – величины отрицательные.

3

Плоскость, проходящая через точку фокуса перпендикулярно главной оптической оси, называется фокальной плоскостью. Луч, параллельный некоторой оптической оси, преломившись в линзе, пройдёт через точку пересечения этой оптической оси с фокальной плоскостью.

Линза называется тонкой, если её толщина мала по сравнению с радиусами кривизны преломляющих поверхностей.

Применение закона преломления света для тонких линз приводит к следующему соотношению:

nл, nср – абсолютные показатели преломления материала линзы и окружающей среды.

Пучок параллельных лучей можно считать исходящим от бесконечно удалённого объекта. Изображение такого объекта будет находиться в фокальной плоскости линзы.

Из (1) следует выражение для определения фокусного расстояния тонких

линз:

Положение фокальной плоскости оптических систем, состоящих из нескольких линз, зависит от их фокусных расстояний и взаимного расположения. Рассмотрим эти взаимосвязи на примере системы, состояще й из вогнутой и выпуклой линз (рис. 1).

Фокус этой системы находится в точке F, в которой пересекаются лучи, параллельные главной оптической оси, после преломления в обеих линзах. Его положение определяется следующими построениями: луч СС1, преломившись в линзе Л1, пойдет по направлению С1С2, на продолжении которого лежит фокус F1 этой линзы; далее, луч С1С2 , будучи параллельным оптической оси О´O´´, преломившись в линзе Л2, пересечет её фокальную плоскость в точке К, а главную оптическую ось в точке F.

4

Из подобия треугольников FО2С2 и FF2К следует:

из подобия F1O2C2 и O2F2K:

Тогда из (4) и (5) следует:

Это соотношение позволяет определить положение фокальной плоскости оптической системы относительно центра собирающей линзы.

Описание установки

Установка смонтирована на базе оптической скамьи и состоит из следующих элементов:

Здесь: К – коллиматор; П – плоско-параллельная пластинка, смонтированная на столике, предназначена для настройки коллиматора; Л1, Л2 – универсальные зажимы для исследуемых линз; М – микроскоп.

5

Коллиматор предназначен для получения параллельного пучка света (или «коллинеарного», отсюда происходит термин «коллиматор», в более широком смысле коллиматор – устройство для получения потоков излучения с заданными свойствами). В данной работе используется коллиматор, имеющий следующую оптическую схему:

параллельный поток света, полученный с помощью электрической лампочки 1 и конденсора 2, проходит через

стеклянные пластинки 3, между которыми помещён фильм – сетка 4 со шкалой. Попадая на призму – куб 5, свет, отразившись от поверхности соприкосновения половинок призмы, направляется на объектив 6. При этом, если продолжение расходящихся лучей пересекаются в точке F фокуса объектива, то световой поток на выходе коллиматора будет параллельным. Для такой фокусировки в приборе предусмотрена возможность перемещен ия корпуса 7 объектива относительно корпуса 8. (Примечание: винты кремальерного механизма и

фиксатора без необходимости не вращать!)

Плоско - параллельная пластина ( П на рис. 2 и рис. 3) используется в работе для проверки правильности фокусировки коллимат ора. Если пластина установлена нормально световому потоку, то отражённый в ней световой поток (около 4% падающего потока) вернётся в коллиматор, и при правильности его фокусировки через окуляр 9 будет наблюдаться отчетливое изображение шкалы 4. Окуляр 9 имеет подвижную втулку для наводки по глазу наблюдателя.

Универсальные зажимы для исследуемых линз ( Л1 и Л2 на рис. 2) обеспечивают перемещение линз по трём взаимно -перпендикулярным направлениям. При работе с зажимами большие механические усилия не допустимы.

Микроскоп предназначен для рассматривания изображения, даваемого исследуемыми линзами, и оценки его качества. Микроскоп смонтирован на штативе, который можно перемещать вдоль скамьи; кроме того, имеются три механизма отчётных перемещений микроскопа относительно штатива.

6

Задания и методика их выполнения

1. Измерение фокусного расстояния собирающей линзы

Если из коллиматора на собирающую линзу падает параллельный пучок света, то в микроскопе будет наблюдаться отчётливое изображение сетки коллиматора только в том случае, если фокальная плоскость F2 исследуемой линзы (и находящееся в ней изображение сетки) будет находится на расстояниим от объектива микроскопа, как показано на рис. 4′.

Как видно из рис. 4′, фокусное расстояние 2 линзы Л2 равно:

где f – фокусное расстояние системы линз.

Толщину линзы можно определить с помощью кронциркуля, штангенциркуля или индикатора (толщина линзы дана на установке).

Расстояние м определяется с помощью микроскопа следующим образом: 1. С помощью маховичка, находящегося на микроскопе, устанавливают трубку микроскопа на отcчёт 0 мм по

его шкале.

2. Оправу с линзой поворачивают на 90°(чтобы можно было через микроскоп наблюдать боковую поверхность оправы, как показано на рис. 4′′).

3. Приближают стойку микроскопа к стойке линзы до соприкосновения объектива микроскопа с оправой линзы.

4. Вращением маховичка отводят объектив микроскопа от оправы линзы до появления резкого изображения

поверхности оправы и снимают отсчёт по шкале микроскопа, который и р авен

м.

Расстояние L между поверхностью линзы и объективом микроскопа измеряются по шкале оптической скамьи следующим образом:

7

1. Стойка микроскопа устанавливается в 30 -40 см от конца скамьи так, чтобы её указатель совпал с целым числом сантиметров на шкале оптической скамьи (первый отсчет).

2. Стойка с линзой устанавливается вплотную к стойке микроскопа. Объектив микроскопа приближают к линзе до соприкосновения.

3. Включают осветитель коллиматора и удаляют стойку микроскопа от стойки линзы до тех пор, пока в поле зрения микроскопа не появится изображение сетки коллиматора. Расстояние L будет равно разности отсчётов положения микроскопа на оптической скамье.

2. Определение фокусного расстояния рассеивающей линзы

Если между коллиматором и собирающей линзой Л2 установить рассеивающую линзу Л1 , то получим оптическую систему, изображённую на рис. 1 и 5.

Рис. 5

Выполнение работы

1.Измерить толщину собирающей линзы и фокусное расстояние м микроскопа так, как изложено в методике выполнения работы.

2.Снять со скамьи рассеивающую линзу, включить коллиматор и, перемещая стойку микроскопа вдоль скамьи, добиться резкого изображения сетки коллиматора. Измерение расстояния L провести в соответствии с методикой выполнения работы. Полученные результаты внести в таблицу 1,

по формуле (7) вычислить фокусное расстояние 2 собирающей линзы.

3. Установить между линзой Л2 и коллиматором рассеивающую линзу

Л1. Сблизить штативы линз до соприкосновения и измер ить с помощью линейки расстояние ℓ между центрами линз.

8

4. Перемещениями микроскопа вдоль скамьи добиться резкого изображения сетки коллиматора. По шкале оптической скамьи определить

1.Что называется линзой?

2.Назовите основные элементы собирающих и рассеи вающих линз.

3.Рассмотрите построение в линзах при различных положениях предмета относительно фокуса.

4.Назовите свойства фокальной плоскости линзы.

5.Рассмотрите ход лучей в системе, из двух выпуклых линз.

6.Что называется оптической силой линзы? В каких единицах она измеряется.

7.Оптическая сила линзы равна 4 диоптриям. Что это значит?

8.Уменьшится или увеличится оптическая сила стеклянной линзы, если она будет окружена не воздухом, а водой. Как это объяснить?

9.Может ли двояковыпуклая линза быть рассеивающей.

10.Как изменится оптическая сила линзы, если ее погрузить в жидкость. С таким же показателем преломления, как и вещество из которого сделана линза? Объяснить!

11.Определить фокусное расстояние очкового стекла с оптической силой в 4 диоптрии.

12.Запишите формулу тонкой линзы. Укажите на рисунке все величины, входящие в эту формулу.

13.Что называется линейным увеличением линзы? Угловым увеличением линзы?

9

Индивидуальные задания

1.

Расстояние между источником и экраном равно 0,5 м. Линза дает четкое изображение источника при двух ее положениях, расстояние между которыми 0,1 м. Каково фокусное расстояние линзы?

2.

Желая получить снимок зебры, фотограф снял белого осла, надев на объектив фотоаппарата, стекло с черными полосками. Что получилось на снимке?

3.

Построить изображение произвольной точки S, которая лежит на главной оптической оси собирающей линзы.

4.

Построить изображение произвольной точки S, которая лежит на главной оптической оси рассеивающей линзы.

5.

Определите построением ход луча после преломления его соби рающей (рис. 1а) и рассеивающей (рис. 1б) линзами. На рисунках MN - положение главной оптической оси; O - оптический центр линзы; F - фокусы линзы. Среды по обе стороны линзы одинаковы.

Рис. 1

6.

На рис. 2 показаны положения главной оптической оси MN тонкой собирающей линзы и ход одного луча ABC через эту линзу. Постройте ход произвольного луча DE. Среды по обе стороны линзы одинаковы.

10