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

8 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

42598. Метод измерения Рн-прибором п-201с применением измерительных электродов 37 KB
  Березниковский филиал Пермского Государственного Технического Университета лабораторная работа №3 По курсу: методика автоматического анализа Тема: метод измерения Рнприбором п201с применением измерительных электродов Выполнил: студент гр. Цель работы: произвести измерение с помощью электродов сравнить данные с приборов с истинным значением сделать вывод. назначение приборов П201 преобразовывает сигнал с электродов Rt –замеряет температуру среды М325...
42599. Изучение конструкции и геометрических параметров спиральных сверл 517 KB
  Угол наклона винтовой канавки а расчетный б по отпечатку в по угломеру ЛМТ ω1 ω2 ω3 280 270 270 9. Угол при вершине сверла Угол при режущей кромки 1 Угол при режущей кромки 2 2φ φ1 φ2 3440 34020’ 34020’ 11. Угол наклона поперечной режущей кромки: по угломеру ψ 5310 13. Главный задний угол в осевой плоскости: rx=09r rx=04r 108 48 16.
42600. ФИЗИОЛОГИЯ СОСУДИСТОЙ СИСТЕМЫ. КРОВЯНОЕ ДАВЛЕНИЕ И ПУЛЬС 220.37 KB
  Кровяное давление как основной показатель гемодинамики. Факторы, обуславливающие величину артериального и венозного давления. Методы исследования. Артериальный и венный пульс, их происхождение. Анализ сфигмограммы и флебограммы.
42601. Конструктивные элементы и геометрические параметры фрез 150.5 KB
  Фреза — инструмент с несколькими режущими лезвиями (зубьями) для фрезерования. Виды фрез по геометрии(исполнению) бывают — цилиндрические, торцевые, червячные, концевые, конические и др. Виды фрез по обрабатываемому материалу - дерево,сталь, чугун, нержавеющая сталь, закаленная сталь, медь, алюминий, графит. Материал режущей части — быстрорежущая сталь, твёрдый сплав, минералокерамика, металокерамика или алмаз, массив кардной проволоки.
42602. Классификация токарных резцов 82 KB
  Характеристика резцов Материал режущей части Назначение Форма и расположения головки Направления подачи Конструкция Характер обработки Форма передней поверхности 1 ВК 6 Проходной прямой левый Прямая Левое Напайная Черновая Плоская с положительным передним углом 2 ВК 8 Подрезной торцевой левый Прямая Левое Напайная Черновая Плоская с положительным передним углом 3 ВК 8 Подрезной торцевой левый Отогнутая Левое Напайная Черновая Плоская с положительным передним углом 4 Проходной прямой левый Отогнутая Правое Цельная Черновая Плоская с...
42603. Формы в HTML-документах 80 KB
  enctype Атрибут указывающий способ кодирования содержимого формы для передачи программеобработчику. type Атрибут type определяет вид элемента INPUT. Значения атрибута type элемента INPUT: type= text по умолчанию Создание поля ввода в котором можно сразу после загрузки страницы разместить произвольный текст используя атрибут vlue. Например INPUT nme= T1 vlue= Родион type= pssword Создание поля для ввода пароля.
42604. Настольный горизонтально-фрезерный станок модели НГФ-110Ш 625.5 KB
  Оснащение: горизонтально – фрезерный станок модели НГФ110Ш; плакаты и электрифицированные стенды для изучения устройства и кинематической схемы фрезерного станка; набор инструментальных инструментов методические пособия. Горизонтальнофрезерный станок1 фундаментная плита 2 станина 3 консоль 4 салазки 5 стол 6 хобот 7 оправка со фрезойОтличается от универсальнофрезерного станка отсутствием поворотного устройства то есть стол станка может перемещаться только перпендикулярно или вместе с салазками параллельно оси...
42606. Табличный процессор Microsoft Excel 94.5 KB
  Настроить внешний вид таблицы – выделить ее выбрать Формат Ячейки. В закладке Число нажать на кнопку – выбрать ячейку В2 Должно получиться: Число В2 = 0. В закладке Число для функции BS нажав на кнопку – выбрать ячейку С2 Должно получиться: Число С2 = 0. Выбрать: График самый верхний левый; Нажать Далее посмотреть вид графика; Нажать Далее; Заполнить: Название диаграммы: график функций f1x f2x Ось Х: х радианы Ось Y: f1x f2x.