Задание 3. Определение фокусного расстояния и увеличения объектива с помощью калибровочной сетки.

1. Повторите эксперимент, описанный в задании 2, используя вместо конденсора калибровочную сетку (вместо точечного источника протяженный предмет), установленную в двухкоординатном держателе (модуль 8) на расстоянии 20-40 мм от лазера. Принципы измерений те же.

2. Увеличение объектива β₁ и β₂ определяйте при двух его положениях, дающих резкое изображение сетки. Для этого для каждого из трех положений микропроектора определяйте шаг (расстояние между соседними штрихами) Н₁ и Н₂ двух резких изображений сетки, а также соответствующие значения a₁, b₁, a₂, b₂. Измерив данные величины, выньте калибровочную сетку из двухкоординатного держателя и вставьте ее в кассету микропроектора, расфокусируйте систему, сдвинув объектив на 1-2 см и измерьте шаг Н изображения сетки, получившегося на экране установки.

3. Проведите измерения, описанные в пункте 2, еще для двух положений микропроектора.

4. Увеличения находят по формулам:

5. Проанализируйте соотношение между и .

6. Полученные сведения занесите в таблицы. Данные, касающиеся определения фокусного расстояния объектива, занесите в таблицу, идентичную таблице в задании 2. Остальные результаты поместите в нижеследующую таблицы:

№
1
2
3

№
1
2
3

Сделайте вывод о проделанной работе.

Контрольные вопросы

1. Что называется линзой? Какие классы линз вы знаете? От чего зависит, к какому классу относится линза?

2. Назовите основные характеристики линзы.

3. Формулы линзы и величины входящие в эти соотношения.

4. Дать определения действительного и мнимого изображения. От чего зависит вид изображения (действительное или мнимое, уменьшенное или увеличенное), созданного собирающей и рассеивающей линзами?

5. Как строится изображение предмета в собирающей линзе? Проиллюстрируйте примерами построения действительного и мнимого изображений.

6. Как строится изображение предмета в рассеивающей линзе? Покажите на примере.

7. На каком расстоянии от собирающей линзы с оптической слой 3 диоптрии нужно поместить предмет, чтобы получить его мнимое изображение, увеличенное в 5 раз?

8. Вывести формулу (2.3).

9. Что получается при сравнении с ?

10. Выполняются ли соотношения и ? Почему они должны выполняться?

11. Выведите соотношение между линейными увеличениями β₁ и β₂ в упражнении 2.

Литература

Лабораторная работа № 3.

Измерение силы света лазера.

Измерение интенсивность света в сферической волне.

Цель работы: овладеть методами определения силы света, и экспериментально проверить зависимость интенсивности сферической волны от расстояния до источника.

Оборудование: модули: микропроектор 2, конденсор 5, модуль 21 – мультиметр М 830-В на кронштейне, объектив 6; объекты: линза-насадка 42, фотодатчик диодный 38.

Краткая теория

Основные фотометрические величины и единицы.

Фотометрией называется раздел оптики, занимающийся измерением световых потоков и величин, связанных с такими потоками. В фотометрии используются следующие величины:

1) энергетические – характеризуют энергетические параметры оптического излучения безотносительно к его действию на приемники излучения;

2) световые – характеризуют физиологическое действие света и оцениваются по воздействию на глаз (исходя из так называемой средней чувствительности глаза) или другие приемники излучения.

1. Энергетические величины. Поток излучения Φ_e – величина, равная отношению энергии W излучения ко времени t, за которое излучение произошло:

. (3.1)

Единица потока излучения – ватт (Вт).

Энергетическая светимость (излучательность) R_e – величина, равная отношению потока излучения Φ_e, испускаемого поверхностью, к площади S сечения, сквозь которое этот поток проходит:

, (3.2)

т.е. представляет собой поверхностную плотность потока излучения.

Единица энергетической светимости – ватт на метр в квадрате (Вт/м²).

Интенсивность излучения:

, (3.3)

где ΔS – малая поверхность, перпендикулярная направлению распространения излучения, через которую переносится поток ΔΦ_е.

Единица измерения интенсивности излучения такая же, как у энергетической светимости –Вт/м².

Для определения последующих величин понадобится использовать одно геометрическое понятие – телесный угол, который является мерой раствора некоторой конической поверхности. Как известно, мерой плоского угла является отношение дуги окружности l к радиусу этой окружности r, т.е. (рис. 3.1 а). Аналогично этому определяется телесный угол Ω (рис. 3.1 б) как отношение поверхности шарового сегмента S к квадрату радиуса сферы:

. (3.4)

Единицей измерения телесного угла служит стерадиан (ср) – это телесный угл, вершина которого расположена в центре сферы, и который вырезает на поверхности сферы площадь, равную квадрату радиуса: Ω = 1 ср, если . Нетрудно убедиться, что полный телесный угол вокруг точки равен 4π стерадиан – для этого нужно поверхность сферы разделить на квадрат ее радиуса.

Энергетическая сила света (сила излучения) I_e определяется с помощью понятия о точечном источнике света – источнике, размерами которого по сравнением с расстоянием до места наблюдения можно пренебречь. Энергетическая сила света – величина, равная отношению потока излучения источника к телесному углу Ω, в пределах которого это излучение распространяется:

. (3.5)

Единица энергетической силы света – ватт на стерадиан (Вт/ср).

Энергетическая яркость (лучистость) В_е – величина, равная отношению энергетической силы света ΔI_e элемента излучающей поверхности к площади ΔS проекции этого элемента на плоскость, перпендикулярную направлению наблюдения:

. (3.6)

Единица энергетической яркости – ватт на стерадиан-метр в квадрате (Вт/(ср·м²)).

Энергетическая освещенность (облученность) Е_е характеризует величину потока излучения, падающего на единицу освещаемой поверхности. Единица энергетической освещенности совпадает с единицей энергетической светимости (Вт/м²).

2. Световые величины. При оптических измерениях используются различные приемники излучения (например, глаз, фотоэлементы, фотоумножители), которые не обладают одинаковой чувствительностью к энергии различных длин волн, являясь, таким образом, селективными (избирательными). Каждый приемник светового излучения характеризуется своей кривой чувствительности к свету различных длин волн. Поэтому световые измерения, являясь субъективными, отличаются от объективных, энергетических, и для них вводятся световые единицы, используемые только для видимого света. Основной световой единицей в СИ является единица силы света – кандела (кд), которая определяется как сила света в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частотой 540·10¹² Гц, энергетическая сила света которого в этом направлении составляет 1/683 Вт/ср. Определение световых единиц аналогично энергетическим.

Световой поток Φ_св определяется как мощность оптического излучения по вызываемому им световому ощущению (про его действию на селективный приемник света с заданной спектральной чувствительностью).

Единица светового потока – люмен (лм): 1 лм – световой поток, испускаемый точечным источником силой света в 1 кд внутри телесного угла в 1 ср (при равномерности поля излучения внутри телесного угла) (1 лм = 1 кд·ср).

Сила света I_св связана со световым потоком соотношением

, (3.7)

где dΦ_св – световой поток, излучаемый источником в пределах телесного угла dΩ. Если I_св не зависит от направления, источник света называется изотропным. Для изотропного источника

. (3.8)

Поток энергии _. Φ_е, измеряемый в ваттах, и световой поток Φ_св, измеряемый в люменах, связаны соотношением:

, лм, (3.9)

где - константа, - функция видности, определяемая чувствительностью человеческого глаза к излучению различных длин волн. Максимальное значение достигается при . В комплексе используется лазерное излучение с длиной волны . В этом случае .

Светимость R_св определяется соотношением

. (3.10)

Единица светимости – люмен на метр в квадрате (лм/м²).

Яркость В_φ светящейся поверхности площадью S в некотором направлении, образующем угол φ с нормалью к поверхности, есть величина, равная отношению силы света в данном направлении к площади проекции светящейся поверхности на плоскость, перпендикулярную данному направлению:

. (3.11)

Источники, яркость которых одинакова по всем направлениям, называются ламбертовскими (подчиняющимися закону Ламберта) или косинусными (поток, посылаемый элементом поверхности такого источника, пропорционален ). Строго следует закону Ламберта только абсолютно черное тело.

Единица яркости – кандела на метр в квадрате (кд/м²).

Освещенность Е – величина, равная отношению светового потока, падающего на поверхность, к площади этой поверхности:

. (3.12)

Единица освещенности – люкс (лк): 1 лк – освещенность поверхности, на 1 м² которой падает световой поток в 1 лм ( 1 лм = 1 лк/м²).