Определение оптической силы и фокусного. Определение оптической силы собирающей линзы


ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 22

И РАССЕИВАЮЩЕЙ ЛИНЗ

Цель работы :

Приборы и материалы:

Рис. 1. Ход луча, падающего на центр линзы.


Рис.2. Ход луча, падающего на линзу параллельно главной оптической оси.


Рис.3. Ход луча, падающего на линзу через фокус.

Для построения изображения в системе линз полезно знать ход луча, падающего на линзу произвольно: необходимо через фокус линзы провести фокальную плоскость. Затем параллельно падающему лучу через центр линзы провести прямую и найти ее пересечение с фокальной плоскостью. Именно через эту точку и пойдет дальше луч, преломившийся в линзе (рис. 4):


Рис. 4. Ход луча, падающего на линзу произвольно.

Значение оптической силы линзы можно определить экспериментально.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИЧЕСКОЙ СИЛЫ ЛИНЗЫ ПО РАССТОЯНИЮ ПРЕДМЕТА И ЕГО ИЗОБРАЖЕНИЯ ОТ ЛИНЗЫ

На рис 5 показано построение изображение предмета АВ в собирающей линзе. Обозначим расстояние от предмета АВ до линзы d , а расстояние от изображения этого предмета А¢B¢ до линзы f (рис.5).

Рис. 5. Построение изображения в тонкой собирающей линзе.

Основная формула линзы дает связь между этими расстояниями и главным фокусным расстоянием линзы, или ее оптической силой:

. (6)

Следовательно, определение силы линзы сводится к определению расстояний от предмета до линзы (d ) и от линзы до изображения (f ).

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИЧЕСКОЙ СИЛЫ ЛИНЗЫ ПО ВЕЛИЧИНЕ ЕЕ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ПРИ ПОЛУЧЕНИИ ДВУХ ИЗОБРАЖЕНИЙ ОДНОГО ПРЕДМЕТА (способ Бесселя)

Этот способ состоит в следующем: если расстояние от предмета до изображения, которое обозначим через L , более 4-х фокусных расстояний, то всегда при неизменном расстоянии между предметом и экраном, можно найти два таких положения линзы, при котором на экране получаются отчетливые изображения предмета: в одном случае увеличенное, в другом – уменьшенное.

Рис. 6. Получение увеличенного (а) и уменьшенного (б) изображений в собирающей линзе.

Для получения увеличенного изображения линза располагается так, чтобы предмет находился между точками, удаленными от линзы на расстояние, равное главному фокусному расстоянию F и двойному фокусному расстоянию 2F (рис.6а). Для получения уменьшенного изображения линза смещается к экрану так, чтобы предмет АВ находился на расстоянии больше двух фокусных (рис. 6б). Обозначим: L – расстояние между предметом и экраном, которое остается постоянным; d 1 и d 2 – расстояние от линзы до предмета в первом и во втором случаях соответственно; f 1 и f 2 - расстояние от линзы до изображения в обоих случаях; l 0 -расстояние между двумя положениями линзы (рис. 6а и рис. 6б).

В соответствии с формулой (6), для первого случая (рис. 6а) оптическую силу линзы можно выразить следующим образом:

, (7)

но , и тогда формула (7) принимает вид:

.(8)

Приведя к общему знаменателю, получим:

. (9)

Рассуждая таким же образом во втором случае, когда изображение получится уменьшенным (рис. 6б), получим:

или ,

. (10)

Приравнивая правые части уравнений (9) и (10), получим:

,

а после преобразований

Подставляя найденные значения d 1 в уравнение (9), получаем:

.

Следовательно:

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИЧЕСКОЙ СИЛЫ ЛИНЗЫ ПО ВЕЛИЧИНЕ ПРЕДМЕТА И ЕГО ИЗОБРАЖЕНИЯ И ПО РАССТОЯНИЮ ПОСЛЕДНЕГО ОТ ЛИНЗЫ

Если обозначить величину предмета АВ через Y, величину его изображения А¢ В¢ через Y 1 , расстояние от линзы до предмета d , а расстояние от линзы до изображения f , то между этими величинами, как видно из рис. 5 имеет место соотношение:

Если из этого выражения определить расстояние от предмета до линзы, получим:

Тогда или . (12)

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИЧЕСКОЙ СИЛЫ РАССЕИВАЮЩЕЙ ЛИНЗЫ

Определение фокусного расстояния рассеивающей линзы усложняется тем, что она не дает действительных изображений (рис. 7).

Для определения оптической силы рассеивающей линзы вначале получают изображение S 2 с помощью собирающей линзы (рис. 8а). Затем между собирающей линзой и экраном помещают рассеивающую линзу. Изображение предмета, создаваемое на экране собирающей линзой, при этом расплывается. После этого осторожно отодвигаем экран до тех пор, пока на нем не получается отчетливое изображение предмета S 3 .

Для рассеивающей линзы формула (4) примет следующий вид:

. (13)

Знак минус указывает на то, что изображение мнимое (расстояние до мнимого изображения является величиной отрицательной).


Рис. 8. Определение оптической силы рассеивающей линзы.

На рис.8(б) видно, что если в точке S 3 перед рассеивающей линзой поместить предмет, то действительное изображение S 2, ранее созданное собирающей линзой, по отношению к этому предмету было бы его мнимым изображением. Тогда, расстояние от рассеивающей линзы до мнимого изображения:

Подставляя значения f и d в уравнение (13), получим оптическую силу рассеивающей линзы:

. (14)

ХОД РАБОТЫ

1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИЧЕСКОЙ СИЛЫ ПО РАССТОЯНИЯМ ОТ ЛИНЗЫ ДО ПРЕДМЕТА И ОТ ЛИНЗЫ ДО ИЗОБРАЖЕНИЯ.

1. Соберите установку, расположив на оптической скамье предмет, собирающую линзу и экран.


Таблица 1

Таблица 2

Таблица 3

Таблица 4

Литература

Трофимова Т.И. Курс физики: Учебное пособие для вузов.- М: Высшая школа, 1990.- 478 с.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 22

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИЧЕСКОЙ СИЛЫ СОБИРАЮЩЕЙ

И РАССЕИВАЮЩЕЙ ЛИНЗ

Цель работы : определить оптическую силу собирающей и рассеивающей линз различными способами, научиться находить положение изображения предмета в линзе построением и расчетами.

Приборы и материалы: источник света, экран, собирающая и рассеивающая линзы на стойках.

Цель:

определить оптическую силу собирающей линзы

Оборудование:

собирающая линза, экран, линейка

Схема опыта:

Лучи, идущие от предмета, находящегося на большом расстоянии от плоскости линзы можно считать параллельными. Тогда параллельный пучок света после прохождения через линзу соберётся в точке, которая называется главным фокусом линзы.

Величина, обратная фокусному расстоянию линзы называется её оптической силой

Единица оптической силы линзы в СИ – диоптрий (дптр)

Порядок выполнения задания.

1. На столе установить экран и линзу (Опыт проводить на наибольшем удалении от окна).

2. Перемещая линзу, добиться четкого изображения окна класса на экране.

3. Измерить расстояние F между линзой и экраном.

4. Определить оптическую силу собирающей линзы по формуле


Билет № 5

Измерение удельной теплоёмкости вещества

Цель:

определить удельную теплоёмкость вещества

Оборудование:

Термометр лабораторный, калориметр, мензурка, колба с водой, весы с разновесом, цилиндр металлический, сосуд с горячей водой

Схема опыта:

Количество теплоты, необходимое для нагревания тела, прямо пропорционально его массе и изменению температуры:

(1)

Коэффициент пропорциональности с называется удельной теплоёмкостью вещества . Его значение зависит от рода вещества.

Удельная теплоёмкость есть физическая величина, численно равная количеству теплоты, которое необходимо передать 1 кг данного вещества, чтобы изменить его температуру на 1 ºС.

Удельная теплоёмкость измеряется в

Порядок выполнения опыта

1. Налейте в калориметр 150 мл воды комнатной температуры. Измерьте и запишите температуру воды t 1 и определите её массу m 1 .

2. Определите массу цилиндра m 2 , температуру цилиндра примите равной комнатной – t 2

3. Погрузите цилиндр на нитке в калориметр с горячей водой. Опустите в калориметр с погружённым телом термометр и, перемешивая им воду, дождитесь, когда температура воды в калориметре перестанет расти. Запишите конечную температуру воды t к.

4. Определите количество теплоты, полученное водой по формуле (1). Удельная теплоёмкость воды – 4200 .

5. Считая, что отданное металлическим цилиндром теплота Q 2 равна по модулю полученной водой теплоте Q 1 , используйте формулу (1) и найдите удельную теплоёмкость вещества цилиндра


Билет № 6

Определение сопротивления участка электрической цепи с параллельным соединением проводников

Цель:

определить сопротивление участка электрической цепи с параллельным соединением проводников

Оборудование:

источник постоянного тока (лабораторный), два резистора (1 – 4 Ом), реостат (6 Ом), амперметр и вольтметр (лабораторные), ключ, соединительные провода».

Схема опыта:

При параллельном соединении проводников

Ø напряжение на всех соединённых проводниках одинаково:

Ø общее сопротивление разветвлённого участка равно:

Ø сила тока в неразветвлённой части цепи равна сумме сил токов ветвях цепи:

Порядок выполнения опыта

1. Собрать электрическую цепь по схеме (рис. 1)

2. Измерить силу тока I в цепи и напряжение U на резисторах.

3. По закону Ома определить сопротивление R участка электрической цепи с параллельным соединением проводников


Билет № 7

Похожая информация:

  1. Анализ взаимосвязи между технологическими переменными, определение основных требований к ведению процессов, формулирование критериев качества и целей управления
  2. Ангины: 1) определение, этиология и патогенез 2) классификация 3) патологическая анатомия и дифференциальная диагностика различных форм 4) местные осложнения 5) общие осложнения
  3. Апелляция к хадису о том, как Адам оправдался предопределением
  4. Бактериальный шок: 1) определение, этиология, клинические проявления 2) наиболее характерные входные ворота 3) факторы прорыва 4) патологическая анатомия 5) причины смерти

Тема урока: «Определение фокусного расстояния и оптической силы линзы. Получение

изображения с помощью линзы».

Цель урока: экспериментально научиться получать изображения, даваемые линзой,

определять фокусные расстояния и оптическую силу линзы. Формировать экспериментальные

умения и навыки.

Оборудование: собирающаяся линза, лампа на подставке, экран, измерительная лента, свеча

на подставке, видеофильм «Линзы».

Ход урока:

    Организация класса.

    Выявление знаний.

Мирозданье постигая,

Все познай, не отбирая

Что внутри - во внешнем сыщешь

Что вовне - внутри отыщешь

Так примите ж без оглядки

Мира внятные загадки.

а) Фронтальный опрос

Вы получили отчетные листы с заданиями. Начнем с вопросов. Прочитайте и ответьте на вопросы:

    Что называется линзой?

    Чем отличаются выпуклые линзы от вогнутых?

    Что называется главной оптической осью линзы?

    Какую точку называют главным фокусом линзы?

    Что называют оптической силой линзы?

    Каким образом можно измерить фокусное расстояние собирающей линзы?

б) Давайте вспомним, как построить изображения с помощью линзы?

  1. ряд: {2Г

    ряд: 6 >

Какое изображение вы получили? (ответы учащихся).

III. Выполнение лабораторной работы.
Вспомним правила по охране труда:

    Не берите руками чашечку - она горячая, можно обжечься.

    Нельзя задувать свечу.

Откройте стр.155 в учебнике. Лабораторная работа № 9.

Чтобы приблизительно определить фокусное расстояние линзы расположите линзу между

окном и экраном, получите на экране резкое изображение какого-либо удаленного предмета,

измерьте расстояние от линзы до полученного изображения, это и есть фокусное расстояние Г

линзы. Выразите полученный результат в сантиметрах и метрах.

Какой результат вы получили? (ответы учащихся).

Антон предлагает другой более точный способ определения фокусного расстояния:

(демонстрационный эксперимент проводит учащийся Ушаков Антон).

    Между лампочкой и экраном ставят линзу. Замыкают цепь и передвигают линзу до тех пор, пока на экране не получиться резкое увеличенное изображение нити накала лампочки.

    Измеряют, возможно, более точно расстояние от лампочки до линзы д и расстояние от линзы до изображения на экране Г.

На развернутом листе бумаги изображают главную оптическую ось линзы, а на ней в масштабе 1:2 указывают положение лампочки, линзы и экрана. Лампочку схематически изображают в виде отрезка прямой АВ произвольной высоты, перпендикулярного к главной оптической оси. Из точки А проводят луч, проходящий без преломления через оптический центр О линзы В точке пересечения его с экраном на рисунке отмечают точку А, которая является изображением точки А Второй луч из точки А, проходящий параллельно главной оптической оси, после преломления в линзе также попадает в точку А Точка пересечения этого луча с оптической осью является фокусом линзы.

Отмечают точку Г на главной оптической оси и линейкой измеряют фокусное расстояние

линзы О {.

Проверка качества выполнения работы;

По одну сторону от линзы, на двойном фокусном расстоянии от нее ставят лампочку, а по

другую, на таком же расстоянии - экран. Зажигают лампочку и если работа выполнена

хорошо, то на экране сразу получается резкое изображение нити накала лампочки.

Антон получил фокусное расстояние Г = 8 см. "

Значит мы выполнили работу правильно. Теперь посчитайте оптическую силу линзы

не забывая перевести сантиметры в метры. Какой результат вы получили?

Д=12,5дитр. (Физ. минутка) Чтобы немного отдохнуть послушайте информацию:

    Человек всегда мечтал увидеть мелкие предметы лучше и поближе. Но невооруженным глазом сделать это крайне тяжело. Историки предполагают, что первые увеличительные стекла появились около 700 г. до н.э. на среднем Востоке, известно множество приспособлений основной деталью которых являются линзы

    Насекомые существуют на Земле более 300 млн. лет. Большинство из них не претерпело каких-либо важных изменений за последние десятки миллионов лет. Поэтому их вполне можно считать «живыми динозаврами». Спасаясь от врагов, они полагаются в основном на свое зрение. Несмотря на различный образ жизни устройство глаз почти у всех насекомых одинаковое - фасеточное. Фасеточный глаз состоит из омматидией - отдельных глазков, которые смотрят в разных направлениях. В каждом омматидии есть своя линза она, фокусирует свет на несколько фоторецепторных клеток объединенных в зрительную палочку. Свет, воздействуя эти клеточки, вызывает последовательность нервных импульсов передаваемых в мозг насекомого по зрительному нерву.

Вернемся к работе. Наша задача - получить изображение с помощью линзы

Фокусное расстояние мы уже измерили, запишите его в таблицу. Посчитайте двойное

фокусное расстояние.

Поместите свечу на расстояние Г2Г. Перемещая экран получите изображение. Измерьте

расстояние от линзы до изображения. Охарактеризуйте изображение. Далее расположите

свечу на расстоянии 4 > 21*. Перемещая экран получите резкое изображение. Измерьте новое

расстояние Г от линзы до изображения. Опишите характер изображения. Получили ли вы

подтверждение теории, (ответы учащихся)

IV . Закрепление изученного материала.

Ответьте на вопросы:

    Почему капельки воды на теле человека могут в летнюю жару причинить вред? (Капельки воды подобно линзам собирают свет в фокусе, что увеличивает световое воздействие на кожу человека).

    Как раздобыть огонь, если под рукой нет ни спичек ни огнива? (Можно изготовить линзу из двух стекол от часов: нужно сложить их вместе и заполнить пространство между ними водой, а края замазать глиной или смолой хвойных деревьев).

3 А может ли быть линзой обычная колба заполненная водой?

(ответы учащихся)



Одинаково ли распространяется луч в воде и в воздухе? Давайте посмотрим на экран.

(видеофильм «Линзы») Вопросы по ходу фильма:

    Колба с водой - собирающая или рассеивающая линза?

    Пустая колба в воде - какая линза?

    Полная водой колба - какая линза?

V, Решение задачи: (если останется время) VI Подведение итогов урока.

Выставление опенок учащимся VII. Домашнее задание. Повторение § 34, § 35.

Цель: научиться на практике, получать изображения с помощью двояковыпуклой линзы и находить фокусное расстояние.

Оборудование: линейка, два прямоугольных треугольника, длиннофокусная собирающая линза, лампочка на подставке с колпачком, источник тока, выключатель, соединительные провода, экран, направляющая рейка.

Порядок выполнения.

При определении Δ 1 и Δ 2 следует иметь в виду, что измерение расстоянии d и f не может быть проведено с погрешностью, меньшей половины толщины линзы h.

Так как опыты проводятся при неизменном d, то Δ 1 =h/2. Погрешность измерения f будет больше из-за неточности настройки на резкость примерно еще на h/2. Поэтому Δ 2 =h/2+h/2=h.

  1. Измерить толщину линзы h и вычислить ΔD по формуле

ΔD=h/2d 2 +h/f 2

  1. Записать результаты в форме

D ср -ΔD≤D≤D ср +ΔD


Таблица №15.

f, *10 -3 F ср, *10 -3 d, *10 -3 D ср, м F ср, м
0,068 14,70 0,068
0,071 14,08
0,066 15,15

Методические указания.

Простейший способ измерения опти ческой силы и фокусного расстояния линзы основан на использовании формулы тонкой линзы

1/d+1/f=D или 1/d+1/f=1/F

В качестве предмета используются светящаяся рессеянным светом буква в колпачке осветителя. Действительное изображение получают на экране.

Контрольные вопросы.

  1. Что такое линза?
  2. Что необходимо знать для нахождения фокусного расстояния по формуле линзы?
  3. Что такое оптическая сила линзы, и какими единицами она измеряется? (дать определение)
  4. Чем отличается линзы выпуклые от вогнутых линз по оптическим параметрам?
  5. Назвать типы изображений. Что такое мнимое и действительное изображение?
  6. Какова роль линз при устранении дальнозоркости и близорукости глаз?
  7. Сделайте выводы

Лабораторная работа №14.

Определение длины световой волны помощью дифракционной решетки.

Цель работы : определить длину световой волны с помощью дифракционной решетки.

Оборудование: дифракционная решетка с указанным на ней периодом, измерительная установка, источник дневного света, штатив лабораторный.

Порядок выполнения.

1.Подготовьте бланк отчета с таблицей для записей результатов измерений и вычислений.

2. Соберите измерительную установку, установите экран на произвольном расстоянии от решетки.

3. Гладя сквозь дифракционную решетку и щельв экране на источник света и
перемещая решетку в держателе, установите ее так, чтобы дифракционные
спектры располагались параллельно шкале экрана.

4. Определите положение середин цветных полос в спектрах 1-го или 2-го
порядков.

5. Данные занесите в таблицу №16.

Таблица №16.

6. По данным измерений вычислите длины в олн

7. Сравните полученные результаты с табличным значением длины волны видимой части спектра.

Методические указания.

В работе для определения длины световой волны используется дифракционная решеткас периодом (период указан на решетке). Она является основной частью измерительной установки, показанной на рисунке 1. Решетка 1устанавливается в держателе 2, который прикреплен к концу линейки 3. На линейке же располагается черный экран 4 с узкой вертикальной щелью 5 посередине. Экран может перемещаться вдоль линейки, что позволяет изменять расстояние между ним и дифракционной решеткой. На экране и линейке имеются миллиметровые шкалы. Вся установка крепится на штативе 6.


Если смотреть сквозь решетку и прорезь на источник света, то на черном фоне экрана можно наблюдать по обе стороны от щели дифракционные спектры 1-го, 2-го и т.д порядков.

Длина волны определяется по формуле:

где: d - период решетки; к - поряд ок спектра; - угол, под которым наблюдаются максимум света соответствующего цвета;

Поскольку углы, под которыми наблюдается максимумы 1-го и 2-го порядков, не превышают 5 0 , можно вместо синусов углов использовать их тангенсы.

Из рисунка видно, что .

Расстояние отсчитывают по линейке от решетки до экрана, расстояние b – по шкале экрана от щели до выбранной линии спектра.

Окончательная формула дня определения длины волны имеет вид:

Контрольные вопросы.

1. Какое физическое явление называют дифракцией? Каким волновым процессам оно свойственно.

2. Кто разработал теорию дифракции?

3. Почему нулевой максимум дифракционного спектра белого света – белая полоса, а максимум высших порядков набор цветных полос?

4. Почему максимумы располагаются как слева, так и справа от нулевого максимума?

5. Какой вид имеет интерференционая картина в случае монохроматического света?

6. В каких точках экрана получается световой минимум?

7. Сделайте выводы


Министерство Образования и Науки Ресспублики Казахстан

Темиртауский Политехнический Колледж