WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 |
Лабораторные работы Элементы геометрической оптики Н.И.Ескин, И.С.Петрухин Описание и методика проведения опытов подготовлены под редакцией проф. кафедры общей физики МФТИ Локшина Г.Р.

Работа 1. Определение фокусного расстояния положительной и отрицательной линзы различными методами Работа 2. Моделирование оптических приборов и определение их увеличения: трубы Кеплера, трубы Галилея Введение.

Сотни лет до нашей эры были проведены и установлены на опыте четыре основных закона оптических явлений. [1,2].

1.Закон прямолинейного распространения света.

2.Закон независимости световых пучков.

3.Закон отражения света.

4.Закон преломления света.

Сущность этих законов сводится к следующему.

1. Закон прямолинейного распространения света. Свет в прозрачной однородной среде распространяется по прямым линиям. На опыте - это резкие тени от непрозрачного тела освещенного точечным источником света, (см.рис.1.1).

Точечный источник - это источник света размеры которого весьма малы по сравнению с размерами освещаемого тела и расстоянием до него.

2. Закон независимости световых пучков. Распространение всякого светового пучка в среде совершенно не зависит от того, есть ли в среде другие световые пучки или нет. Т.е., если световой поток разбить на отдельные световые пучки, то эффект произведенный отдельным пучком, не зависит от того, действуют ли одновременно другие пучки или они устранены.

Освещенность задаваемая несколькими световыми пучками равна сумме освещенностей, создаваемых каждым пучком в отдельности.

3. Закон отражения света. Когда луч света достигает плоской границы раздела двух прозрачных сред, он частично проходит во вторую среду (преломляется), частично возвращается обратно (отражается).

S - точечный источник света;

ABCD - непрозрачный предмет;

А'В'C'D' - геометрическая тень предмета.

Рис. 1.1 Рис. 1.3 Под лучом мы будем понимать конечный, но достаточно узкий световой пучок, который еще может существовать изолированно от других пучков светового потока.

Закон утверждает- падающий и отраженный луч лежит в одной плоскости с нормалью к границе раздела в точке падения (эта плоскость называется плоскостью падения); угол падения равен углу отражения ' (рис. 1.2):

= ' (1) 4. Закон преломления света (закон Снеллиуса). Преломленный луч лежит в плоскости падения (см.рис.1.3) причем отношение синуса угла падения к синусу угла преломления для рассматриваемых сред зависит только от длины световой волны, но не зависит от угла падения:

п - относительный коэффициент преломления или коэффициент преломления второй среды относительно первой.

Учитывая, что можно записать:

n Sin = n Sin (3) 1 Для обширной области явлений, наблюдаемых в обычных оптических приборах, все законы соблюдаются достаточно строго. Поэтому в практически важном разделе оптики - учении об оптических инструментах - эти законы могут считаться вполне приемлемыми [1,2,3,4].

Идеальной оптической системой [3] называют систему, в которой сохраняется гомоцентричность пучков и изображение геометрически подобно предмету.

Оптическая система обладает осью симметрии называемой главной оптической осью (О О на рис. 1.4) и поверхностями, ограничивающими 1 оптическую систему (ММ и NN на рис. 1.3). Луч A B - входящий луч, 1 параллельный оптической оси. Луч C D - выходящий из системы (рис. 1.4) 2 проходит точку F. Точка F - задний фокус системы. Плоскость 2 перпендикулярная оптической оси О О и проходящая через точку F - фокальная 1 2 плоскость. Точка F - передний фокус. Исходящие из нее лучи в пространстве изображений параллельны между собой. Плоскости P и P - называются 1 главными плоскостями, точки H и 1 2- главными точками системы.

Рис. 1.4. Ход лучей в толстой линзе Рис. 1.5. Построение изображения в тонкой линзе Расстояния от главных точек до фокусов называются фокусными расстояниями: f = H F, f = H F. Если среда одна и та же f = f = f.

1 1 1 2 2 2 1 Если известно положение фокусов и главных плоскостей, изображение предмета может быть найдено путем простых геометрических построений (см. рис. 1.4).

Оптическая система называется положительной (собирающей), если передней фокус F лежит справа от главной плоскости, а задний F - слева от 1 1. Если расположение обратное - система называется отрицательной или рассеивающей. Фокусному расстоянию присваивают знак: плюс - для собирающих и минус - для рассеивающих систем.

Легко установить (см.рис.1.5) соотношение между расстояниями до предмета а и изображением а от главных плоскостей и фокусным расстоянием f:

1 Здесь фокусное расстояние берется со своим знаком, a, считается положительным, если предмет лежит слева от передней главной плоскости, а положительно, если изображение лежит справа от задней главной плоскости.

Практически интересен случай, когда главные плоскости (главный точки H и H см.рис.1.3) совмещаются и располагаются посередине системы. Такая оптическая система называется тонкой линзой. Формула (4) справедлива для тонкой линзы. Расстояния а, а и фокусное расстояние f можно в этом случае 1 считать от центра линзы.

Внимание! Лазерное излучение опасно при попадании в глаза. Длина волны излучения лазера = 670 нм = 0.67мкм = 6,710-5 см. Мощность 1 мВт.

Работа 1. Элементы геометрической оптики. Определение фокусного расстояния положительной и отрицательной линзы различными методами Упражнение 1. Определение фокусного расстояния положительной линзы в параллельных лучах.

Цель В работе определяют фокусное расстояние положительной линзы.

Расчеты и измерения в работе проводятся в предположении, что линзы тонкие и все расстояния приближенно отсчитываются от центра линзы.



Принадлежности: направляющая, набор рейтеров, лазер, призма, набор положительных линз, экран, линейка.

Методика проведения. Фокусное расстояние положительной линзы определяют, изучая прохождение параллельных лучей лазерного света через положительную линзу. Схема опыта дана на рисунке 1.6. Луч света лазера падает на специальную призму и расщепляется на два параллельных пучка. Эти пучки после прохождения линзы собираются в фокусе, далее опять расходятся.

Расстояние от центра линзы до точки пересечения лучей является фокусным расстоянием линзы f.

Для более четкого проведения опытов мы в дальнейшем будем пользоваться схемой (см.рис.1.7) расположения установочных мест для рейтеров и оснастки оптической направляющей.

Согласно схеме рис.2 в опыте лазер устанавливается в положение 1 на направляющей. Призму устанавливают в положение 2. Линзу, фокусное расстояние которой хотят определить ставят в положение 4, 5 или в паз, в зависимости от того, является эта линза длиннофокусной или среднефокусной.

Передвижением линзы (или экрана) следят за ходом прохождения лучей после линзы и добиваются, чтобы экран попадал в точку схождения лучей. В этом случае экран отстоит от линзы на фокусном расстоянии f. Определяют с помощью линейки от линзы до экрана расстояние f. Такие операции проводят несколько раз.

После этого определяют среднее значение фокусного расстояния линзы и ошибку.

Задание 1. Соберите схему согласно рис. 1.6. Для этого лазер в оправе и на рейтере ставится в положение 1 направляющей (см.рис.1.7), делительная призма в оправе и на рейтере ставится в положение 2 на направляющей. Экран наблюдения в оправе и на рейтере, помещается в положение направляющей. На экране закрепляется лист бумаги для зарисовки положения оптических лучей.

Внимание ! Все наблюдения за лазерным лучом во время настройки оптической схемы и выполнения задания проводить только по картинкам на экране.

2. Включите лазер. Установите делительную призму в луч лазера так, чтобы ее грань разделяла луч. В этом случае на экране возникнет два луча.

Перемещая призму по высоте убедитесь в приблизительно одинаковой освещенности в обеих лучах.

Рис.1.6. 1.Лазер. 2.Призма. З.Линза. 4.Экран. 5.Направляющая.

Рис. 1.7. Направляющая Рис.1.8. 1.Лазер. 2.Призма. 3-4.Линзы. 5.Экран. 6.Направляющая.

3. Карандашом на листке бумаги зарисуйте местоположения лазерных лучей.

Сдвиньте бумагу на экране и снова отметьте лучи. После нескольких передвижений бумага снимается, измеряется расстояние между метками с помощью линейки. Найдите среднее. Оцените ошибку.

4. Переставьте экран из положения 7 в положение 4 направляющей и проведите измерения п.п.3. Оцените параллельность лазерных пучков и определите расстояние между ними. Верните экран в положение направляющей.

5.Найдите фокусное расстояние среднефокусной положительной линзы. Для этого поставьте линзу в оправе и на подставке в паз 6 направляющей.

Передвигая линзу по пазу добейтесь чтобы оба луча сошлись в одной точке на экране. Измерьте расстояние между серединой линзы и экраном.

Отодвиньте линзу от экрана и снова приблизьте. Сделайте это несколько раз. Снимите измерения. Определите средние значения фокусного расстояния линзы. Оцените ошибку.

6.Найдите фокусное расстояние длиннофокусной положительной линзы по п.п.5. Размера паза 6 при этом может быть недостаточно. Выберите удобную для этого геометрию расположения длиннофокусной линзы и экрана.

Упражнение 2. Определение фокусного расстояния положительной линзы по формуле линзы.

Цель В работе определяют фокусное расстояние положительной линзы исходя из формулы линзы. Расчеты и измерения в работе проводят в предположении, что линзы тонкие и все расстояния приблизительно измеряют с помощью линейки от центра линзы.

Принадлежности: направляющая, набор рейтеров, лазер, призма, набор линз, экран, линейка.

Методика проведения. Схема опыта дана на рис. 1.8. Вспомогательная линза (3) собирает параллельные лучи в точке, называем ее предметной. Фокусное расстояние этой линзы известно. В опыте положение предметной точки проектируется на экран линзой (4) фокусное расстояние которой хотят найти.

Линза (4) помещена на некотором расстоянии L от вспомогательной линзы (3).

Перемещением линзы (4), (или перемещением экрана (5)) добиваются, чтобы Дополнение к упражнению 2 стр 5.

Вместо создания предметной точки вспомогательной линзой (3) см.рис.1.8. в эту плоскость ставится объект-сетка. Она может быть использована в схеме при определении фокусного расстояния линз по формуле линзы. Размер сетки может быть выполнен по величине изображения ее на экране, полученного с помощью дополнительной короткофокусной линзы (f = 47 мм). Вместо сетки можно использовать объект-шкалу.

Зная размер шкалы, дополнительно определяют фокусное расстояние короткофокусной линзы по ее изображению и расстояние от шкалы до линзы и от линзы до шкалы.

лазерные лучи сошлись в точку на экране (проекция предметной точки). После этого с помощью линейки определяют расстояния а и а, где: а - расстояние от 1 2 середины искомой линзы до предметной точки; а - расстояние от середины линзы (4) до экрана, L - расстояние между линзами (линзы считаем тонкими).

В опыте лазер (1) устанавливается в положение 1 на направляющей. Призму (2) устанавливают в положение 2. Линза (3) ставится в положение 3 на направляющей. Экран (5) ставят в положение 7. Положение измеряемой линзы определяется подбором, при помещении ее в положение 4,5 или паз 6. С помощью линейки определяются величины a и а. Затем рассчитываются значения 1 фокусного расстояния измеряемой линзы по формуле линзы. Если фокусное расстояние вспомогательной линзы не известно, то его определяют согласно упражнению 1.





Задание 1. Соберите схему согласно рис. 1.8. Для этого лазер в оправе и на рейтере ставится в положение 1 направляющей (см.рис. 1.8), делительная призма в оправе и на рейтере ставится в положение 2 на направляющей.

Среднефокусная линза в оправе и на рейтере ставится в положение 3.

Длиннофокусная линза в оправе и на рейтере ставится в паз 6. Экран наблюдения в оправе и на рейтере, помещается в положение 7 направляющей.

На экране закрепляется лист бумаги для зарисовки положения оптических лучей. Соблюдается соосность расположения деталей схемы.

Внимание! Все наблюдения за лазерным лучом во время настройки оптической схемы и выполнения задания проводить только по картинкам на экране.

2.Включите лазер. Установите делительную призму в луч лазера так, чтобы ее грань разделяла луч. В этом случае на экране возникнет два луча. Перемещая призму по высоте убедитесь в приблизительно одинаковой освещенности в обеих лучах.

3.Перемещая длиннофокусную линзу добейтесь схождения лучей на экране наблюдения в одну точку. Измерьте расстояние L между линзами и расстояние а от длиннофокусной линзы до экрана. Затем передвиньте длиннофокусную линзу и вновь добейтесь схождения лучей на экране. Проделайте это несколько раз. Найдите средние значения величин и определите ошибку. Зная величину фокусного расстояния среднефокусной линзы определите фокусное расстояние искомой и ошибку.

4. Поместите среднефокусную линзу в положение 4. Повторите п.п.3 в новой геометрии и определите фокусное расстояние искомой линзы, ошибку и сравните результаты п.п.3 и 4.

Упражнение 3. Определение фокусного расстояния отрицательной линзы.

Цель В работе определяют фокусное расстояние отрицательной линзы.

Принадлежности: направляющая, набор рейтеров, лазер, призма, положительная линза, отрицательная линза, экран, линейка.

Методика проведения. Определение фокусного расстояния отрицательной линзы затрудняется тем, что изображение предмета получается мнимым (лучи расходятся) и поэтому расстояние до него не может быть непосредственно измерено. Эту трудность можно обойти с помощью вспомогательной положительной линзы с известным фокусным расстоянием F.

Параллельные лазерные лучи (см.рис.1.9) после прохождения призмы (2) падают на вспомогательную линзу (3) и далее попадают на отрицательную линзу (4). Подбирая расстояние L между линзами (3) и (4) добиваются параллельности пучков на выходе линзы (4).

Если задний фокус положительной линзы совпадает с передним фокусом отрицательной линзы (следует помнить, что в этом случае передний фокус отрицательной линзы расположен за линзой), то изображение перемещается в бесконечность, т.е. из отрицательной линзы выходят параллельные лучи. Зная положение фокуса линзы (3), нетрудно определить фокусное расстояние отрицательной линзы.

В опыте (см.рис.1.9) на направляющую в положение 1 (см.рис.1.7) ставится лазер. Призму (2) устанавливают в положение 3. Вспомогательная положительная линза (3) ставится в положение 4 или 5 (положение подбирается в опыте).

Отрицательная линза (4), фокусное расстояние которой мы хотим определить, ставится в паз 6 направляющей (6). Передвигая отрицательную линзу добиваемся параллельности луча на ее выходе. Это проверяется путем измерения расстояния между двумя лучами на выходе отрицательной линзы и на экране. Это расстояние должно совпадать в обоих случаях. После окончательной установки отрицательной линзы измеряют расстояние L между положительной и отрицательной линзами. Фокусное расстояние вспомогательной положительной линзы известно и равно f. Если оно не известно, то его можно определить Рис.1.9. 1.Лазер. 2.Призма.З-4.Линзы. 5.Экран. 6.Направляющая.

Объектив Окуля р Рис.2.1. Ход лучей в зрительной трубе Кеплера Объектив Окуляр Рис.2.2. Ход лучей в трубе Галилея (см.упр. 1). Фокусное расстояние искомой отрицательной линзы окажется равным f = f - L. С помощью линейки определяют величину L и вычисляется фокусное 2 расстояние отрицательной линзы f Задание 1. Соберите схему согласно рис. 1.9. Для этого лазер в оправе и на рейтере ставится в положение 1 направляющей, делительная призма в оправе и на рейтере ставится в положение 2 на направляющей. Длиннофокусная линза в оправе и на рейтере ставится в положение 5. Отрицательная линза в оправе и на рейтере ставится в паз 6. Экран наблюдения в оправе и на рейтере, помещается в положение 7 направляющей. На экране закрепляется лист бумаги для зарисовки положения оптических лучей. Соблюдается соосность расположения деталей схемы.

Внимание! Все наблюдения за лазерным лучом во время настройки оптической схемы и выполнения задания проводить только по картинкам на экране.

2.Включите лазер. Установите делительную призму в луч лазера так, чтобы ее грань разделяла луч. В этом случае на экране возникнет два луча. Перемещая призму по высоте убедитесь в приблизительно одинаковой освещенности в обеих лучах.

3.Передвигая по пазу отрицательную линзу добейтесь параллельности лучей падающих на экран. Для этого проделайте п.п.3 и 4 упражнения 1, причем в п.п.4 экран ставится в паз за отрицательной линзой.

4.Измерьте расстояние L между линзами. Зная величину фокусного расстояния длиннофокусной линзы (п.п.6 упр.1), найдите фокусное расстояние отрицательной линзы и ошибку опыта.

Pages:     || 2 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.