87735

Измерение фокусного расстояния линзы

Лабораторная работа

Физика

Приборы и принадлежности: виртуальная оптическая скамья включающая исследуемые собирающие линзы экран осветитель и измерительную линейку. Описание виртуальной установки Для определения фокусного расстояния собирающей линзы используется метод непосредственного измерения.

Русский

2015-04-22

216.94 KB

6 чел.

9

ВИРТУАЛЬНАЯ ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

 Измерение фокусного расстояния линзы

Цель работы: Экспериментально измерить фокусные расстояния двух собирающих линз.

Приборы и принадлежности: виртуальная оптическая скамья, включающая исследуемые собирающие линзы, экран, осветитель и измерительную линейку.

Описание виртуальной установки

Для определения фокусного расстояния собирающей линзы используется метод непосредственного измерения. На оптической скамье установлен осветитель О (с предметной диафрагмой в виде стрелки С) экран Э на расстоянии около 100 см друг от друга. Экран для наглядности изображен фронтально. Между ними помещают рейтер с собирающей линзой Л. Перемещая линзу, находим такое ее положение, при котором получается наиболее резкое изображение предмета стрелки. Положения линзы и экрана, относительно предмета, измеряются по шкале оптической скамьи.

Особенности управления виртуальной установкой

Прежде чем приступить к работе, необходимо «подключить» установку к сети. Для этого достаточно кликнуть мышкой по кнопке «Сеть» на блоке питания БП. При этом зажигается лампа осветителя и на экране возникает «размытое» изображение предмета.

Затем, перемещая линзу или экран (при нажатой левой кнопке мыши), необходимо получить на экране четкое изображение стрелки. Положения линзы и экрана отмечаются стрелками и для удобства считывания отображается в соответствующих текстовых полях. Например, положение линзы на рисунке соответствует расстоянию 30,2 см от предмета, а экрана – 90,0 см.

В установке используется две линзы с различными фокусными расстояниями. По умолчанию (как на рисунке) установлена «Линза 1». Для ее замены нужно кликнуть мышкой по кнопке «Заменить линзу». Номер линзы отображается под указателем ее положения.

Методика выполнения работы

Краткая теория метода

Фокусное расстояние собирающей линзы F связано с расположением предмета и его изображением формулой тонкой линзы:

 (1)

где d - расстояние от линзы до предмета (в нашем случае это положение линзы относительно предмета),  f -  расстояние от линзы до изображения.

Как видно из рисунка, d + f = l – расстояние от предмета до экрана (в нашем случае это положение экрана относительно предмета).

Выразим фокусное расстояние из формулы (1):

 (2)

Оценка систематической погрешности

Найдем относительную погрешность измерений. Прологарифмируем (2)

ln F = ln(l – d) + ln d – ln l.

(3)

Абсолютная погрешность измерения фокусного расстояния определяется выражением:

F = ·F (4)

В предлагаемой установке погрешность измерения положения d = l = 0,1 cм.

Обработка экспериментальных

1. Заготавливаем две одинаковых таблицы Excel (Таблицы 1 и 2) с вбитыми формулами (2), (3) и (4).

2. Запускаем ролик с флэш-анимацией (Lens.swf или Lens.exe).

3. Кликнув по кнопке «Сеть», включаем осветитель.

4. Передвигая линзу, добиваемся как можно более четкого изображения стрелки на экране.

5. Заносим значения d и l (значения положений линзы и экрана соответственно) в таблицу для выбранной линзы.

6. Передвигаем экран и повторяем пункты 4 и 5, проводим 6 измерений положений линзы и экрана для различных четких изображений.

7. Меняем линзу и повторяем для нее пункты 4-6.

8. Получаем значения фокусных расстояний, погрешностей и средних величин по формулам (2), (3), (4) (в Excel значения считаются автоматически, после того, как в 5, 6 и 7 столбцы внесены формулы (2), (3) и (4) соответственно).

Ответ. ,

Ответы на контрольные вопросы

1. Основные законы геометрической оптики (прямолинейность распространения лучей, отражение, преломление, обратимость хода лучей).

Закон прямолинейного распространения света: в оптически однородной среде свет распространяется прямолинейно.

Рис. 1 Законы отражения и преломления света.

Закон отражения света: падающий и отраженный лучи, а также перпендикуляр, проведенный к границе раздела двух сред, восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости (плоскость падения). Угол отражения γ равен углу падения α (рис. 1).

Закон преломления света: падающий и преломленный лучи, а также перпендикуляр, проведенный к границе раздела двух сред, восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости. Отношение синуса угла падения α к синусу угла преломления β есть величина, постоянная для двух данных сред и равна относительному показателю преломления второй среды относительно первой :

 (рис. 1).

Закон обратимости светового луча: луч света, распространившийся по определённой траектории в одном направлении, повторит свой ход в точности при распространении и в обратном направлении.

2. Что такое линза? Чем отличаются собирающие и рассеивающие линзы?

Рис. 2 a) – собирающие линзы,

           b) – рассеивающие.

Прозрачное тело, ограниченное с двух сторон криволинейной поверхностью, называется линзой. В частном случае одна из поверхностей может быть плоской. В большинстве случаев обе поверхности, ограничивающие линзу, являются сферическими.

Собирающая линза в середине толще, чем у краев, рассеивающая линза, наоборот, в средней части тоньше, собирающая линза собирает лучи света, имеет действительный фокус F>0, рассеивающая – рассеивает лучи, фокус – мнимый F<0 (рис. 2). 

3. Можно ли на экране получить изображение с помощью рассеивающей линзы?

Нет, так как лучи, проходящие через нее, расходятся, то рассеивающая линза не дает действительных изображений.

Рассеивающая линза дает уменьшенное, мнимое, прямое изображение, которое находится по ту же сторону от линзы, что и предмет.

4. Какие линзы называются тонкими?

Линза считается тонкой, если ее толщина намного меньше радиусов кривизны R1 и R2 обеих поверхностей.

5. Дайте определения основных точек, линий и плоскостей, характеризующих тонкие линзы (оптический центр, оптическая ось, главный фокус, фокальная плоскость).

Оптический центр линзы – точка, сквозь которую световые лучи проходят не преломляясь в линзе, находится на пересечении линзы с главной оптической осью.

Главная оптическая ось - это прямая, на которой лежат центры ограничивающих линзу сферических поверхностей. Всякая прямая, проходящая через оптический центр и отличная от главной оптической оси, называется побочной оптической осью.

Если на линзу направить пучок лучей, параллельных главной оптической оси, то после прохождения через линзу лучи (или их продолжения) соберутся в одной точке F, которая называется главным фокусом линзы.

Фокальная плоскость линзы - это плоскость, которая проходит перпендикулярно главной оптической оси через центр линзы.

6. Постройте с помощью собирающей и рассеивающей линз изображение точки, лежащей на главной оптической оси.

Собирающая линза OS > F – действительное изображение точки:

Собирающая линза OS < F – мнимое изображение точки.

Рассеивающая линза:

7. Как изменится изображение, создаваемое линзой, если закрыть половину линзы?

Уменьшится яркость изображения.

8. Опишите основные искажения (аберрации), возникающие при получении изображений с помощью линз.

Искажения, возникающие при формировании изображения, называются аберрациями. Главные из них – сферическая и хроматическая аберрации. Сферическая аберрация проявляется в том, что в случае широких световых пучков лучи, далекие от оптической оси, пересекают ее не в фокусе. Формула тонкой линзы справедлива только для лучей, близких к оптической оси. Изображение удаленного точечного источника, создаваемое широким пучком лучей, преломленных линзой, оказывается размытым. При больших углах наклона пучка к оси существенна аберрация, называемая астигматизмом. Если при прохождении оптической системы сферическая световая волна деформируется и перестаёт быть сферической, то пучок лучей становится сложным: лучи пересекаются не в одной точке, а в двух взаимно перпендикулярных отрезках прямой линии, расположенных на некотором расстоянии друг от друга. Такой пучок называется астигматическим, а само явление — астигматизмом. Аберрация оптической системы, называемая дисторсией, выделяется неодинаковостью линейного увеличения в пределах всего поля изображения и приводит к нарушению геометрического подобия между объектом и его изображением.

Хроматическая аберрация возникает вследствие того, что показатель преломления материала линзы зависит от длины волны света λ. Это свойство прозрачных сред называется дисперсией. Фокусное расстояние линзы оказывается различным для света с разными длинами волн, что приводит к размытию изображения при использовании немонохроматического света.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

84186. ОПУХОЛИ КРОВЕНОСНЫХ И ЛИМФАТИЧЕСКИХ СОСУДОВ 24.01 KB
  Микроскопически опухоль состоит из ветвящихся сосудов капиллярного типа с узким просветом который не всегда заполнен кровью. 1ломусангиома опухоль Барре Массона зрелая доброкачественная опухоль сосудистого происхождения миоартериального гломуса. Гемангиоперицитома опухоль сосудистого происхождения в которой наряду с формированием сосудов происходит пролиферация периваскулярных клеток.
84187. Опухоли синовиальной ткани. Опухоли мезотелиальной ткани. Опухоли периферических нервов 24.61 KB
  Опухоли мезотелиальной ткани. Опухоли периферических нервов. Опухоли симпатических ганглиев.
84188. ОПУХОЛИ (ОБЩЕЕ УЧЕНИЕ) 24.92 KB
  Хондрома зрелая доброкачественная опухоль. Микроскопически опухоль имеет строение зрелого гиалинового хряща. Остеома зрелая доброкачественная костная опухоль. Макроскопически опухоль пестрого вида от белосерой до коричневокрасной окраски рыхлой консистенции несмотря на наличие очагового обызвествления.
84189. РАК ВАЖНЕЙШИХ ЛОКАЛИЗАЦИЙ 28.8 KB
  Высокая заболеваемость раком желудка по мнению многих авторов обусловлена употреблением в пишу продуктов содержащих нитраты. Чаще всего рак в желудке возникает в пилорическом отделе затем на малой кривизне в кардиалъном отделе на большой кривизне реже на передней и задней стенке очень редко в области дна. Чаще всего рак желудка имеет язвенную форму с бугристыми приподнятыми или плоскими краями иногда в сочетании с инфильтрирующим ростом язвенноинфильтративный рак на втором месте стоит диффузный рак форма инфильтрата с...
84190. ОПУХОЛИ КРОВЕТВОРНОЙ СИСТЕМЫ, ИЛИ ГЕМОБЛАСТОЗЫ 26.56 KB
  Лимфомы. Принципы классификации лимфом: неходжкинские лимфомы; лимфомы Ходжкина. Лимфомы и лейкемии относят к полиэтиологическим заболеваниям.
84191. РЕВМАТИЧЕСКИЕ БОЛЕЗНИ. РЕВМАТИЗМ. ПОРОКИ СЕРДЦА 28.8 KB
  ПОРОКИ СЕРДЦА Определение Этиология и патогенез Морфогенез Эндокардит Миокардит Перикардит Патаритрит Пороки сердца Системные заболевания соединительной ткани принято называть в настоящее время ревматическими болезнями. Ревматизм болезнь Сокольского Вуйо инфекционноаллергическое заболевание с преимущественным поражением сердца и сосудов волнообразным течением периодами обострения атаки и ремиссии. Важное значение придается антителам перекрестно реагирующим с антигенами стрептококка и антигенами тканей сердца а также клеточным...
84192. ПАТОЛОГИЯ КЛЕТОК КРОВИ И КОСТНОГО МОЗГА. АНЕМИИ 23.96 KB
  АНЕМИИ Анемии Паталогическая анатомия Гемолитические анемии Болезни системы крови разнообразны. Наибольшее развитие имеют анемии гемобластозы тромбоцитопении и тромбоцитопатии. Анемии или малокровие группа заболеваний и состояний характеризующихся уменьшением общего количества гемоглобина. В зависимости от этиологии и патогенеза различают анемии: постгеморрагические; вследствие нарушения кровообразования; вследствие повышенного кроворазрушения гемолитические.
84193. ПАТОЛОГИЯ КЛЕТОК КРОВИ И КОСТНОГО МОЗГА. ЛЕЙКОЗЫ. ЛИМФОГРАНУЛЕМАТОЗ 24.71 KB
  костном мозге бластных клеток. Острый плазмобластный лейкоз возникает из клетокпредшественников Влимфоцитов способных к продукции иммуноглобулинов. При остром эритромиелозе ди Гульелымо в костном мозге происходит разрастание эритробластов и других ядросодержащих клеток эритропоэза миелобластов монобластов и недифференцированных бластов.
84194. БОЛЕЗНИ ОРГАНОВ ПИЩЕВАРЕНИЯ. ГАСТРИТ 24.07 KB
  ГАСТРИТ Острый гастрит Хронический гастрит Болезни органов пищеварения отличаются большим разнообразием. Гастрит воспалительное заболевание слизистой оболочки желудка. Различают острый и хронический гастриты. Воспаление слизистой оболочки может охватывать весь желудок диффузный гастрит или определенные его отделы очаговый гастрит.