ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГЛАВНОГО ФОКУСНОГО РАССТОЯНИЯ И ОПТИЧЕСКОЙ СИЛЫ СОБИРАЮЩЕЙ ЛИНЗЫ
Линза является основной деталью оптических приборов (зрительной трубы, микроскопа, фотоаппарата, бинокля и др.). Линзы для видимого света изготавливают из стекла, для ультрафиолетового излучения – из кварца, для инфракрасного – из каменной соли.
Линзой называется тело с определенным показателем преломления, ограниченное двумя сферическими (иногда цилиндрическими) поверхностями, одна из которых может быть плоской.
На рис.1. изображены поперечные сечения двояковыпуклой (а) и двояковогнутой (б) сферических линз (R1, R2, R3 – радиусы кривизны поверхностей линз).
Рис.1
Сферическими (выпуклыми) называются линзы, превращающие падающий на них пучок параллельных лучей в пучок сходящихся лучей. У таких линз середина толще краев.
Рассеивающими (вогнутыми) называются линзы, превращающие пучок параллельных лучей в пучок расходящихся лучей. У таких линз края толще середины. Схематическое изображение собирающих (а) и рассеивающих (б) линз приведено на рис. 2
Линзы бывают тонкие и толстые. Тонкой называется линза, толщина которой мала по сравнению с радиусами кривизны линзы. Мы будем рассматривать только тонкие линзы. У такой линзы (рис.3) имеется точка 0, обладающая тем свойством, что проходящие через нее лучи не изменяют своего направления.
Точка 0 называется оптическим центром линзы.
Плоскость ММ / , перпендикулярная главной оптической оси и проходящая через оптический центр, называется главной плоскостью линзы: прямая SS / , проходящая через центры кривизны О1 и О2 поверхностей, образующий линзу, называется главной оптической осью линзы (рис. 1, 3).
Прямая, РР / , проходящая через оптический центр под углом к главной оптической оси, называется побочной оптической осью.
Луч, идущий вдоль оптической оси (главной или побочной), называется центральным.
Главным фокусом линзы называется точка, в которой пересекаются после преломления в линзе лучи, падающие на нее параллельно главной оптической оси (рис. – точки F1 и F2).
Расстояние главного фокуса от оптического центра линзы ( и 2) называется главным фокусным расстоянием.
Для собирающих линз фокусное расстояние величина положительная, для рассеивающих отрицательная. Фокусы у собирающей линзы – действительное, у рассеивающей – мнимые.
Плоскости Q1 и Q2, проходящие через фокусы перпендикулярно главной оптической оси, называются фокальными плоскостями линзы. В каждой линзе имеются два фокуса, лежащие по обе стороны ее /передний и задний/.
Лучи, падающие на линзу L параллельно побочной оптической оси PP΄, сходятся после преломления в точке К, лежащей в фокальной плоскости Q (рис.4).
Рис.4
Общая формула тонкой линзы имеет вид:
где -расстояние от предмета до линзы,
-расстояние от изображения предмета до линзы,
-относительный показатель преломления вещества, из которого изготовлена линза .
R1 и R2 – радиусы кривизны поверхностей линзы.
Тогда фокусное расстояние для линзы:
, (2)
Учитывая (2), формулу линзы можно представить в виде:
(3)
Формула (3) остается справедливой и для рассеивающей линзы, только расстояния f и в следует считать отрицательными:
(3)
Величина, обратная фокусному расстоянию, называется оптической слой линзы:
Д = (4)
Единица измерения оптической силы – диоптрия (дп).
1 дп – есть оптическая сила линзы с фокусным расстоянием в 1м.
Радиусы кривизны считаются положительными для собирающей линзы и отрицательными для рассеивающей. Следовательно, оптическая сила рассеивающей линзы меньше нуля (Д<0), а для собирающей – больше нуля (Д>0).
Для построения изображений, получаемых с помощью собирающей линзы мы будем пользоваться тремя видами удобных лучей. Как было показано ранее, параллельные главной оптической оси, преломившись в линзе, проходят через ее фокус. Из обратимости хода лучей следует, что лучи, идущие к линзе через ее фокус, после преломления, пойдут параллельно главной оптической оси. Наконец, лучи, проходящие через оптический центр линзы, не меняют своего направления. Они лишь испытывают параллельное смещение, которое в случае тонкой линзы невелико, и им можно пренебречь.
Пример построения изображения в собирающей линзе изображен на рис. 5.
Линейный размер n изображения определяется по линейному размеру m предмета из следующего соотношения ( рис. ).
(5)
Линейное увеличение, даваемое тонкой линзой можно подсчитать по формуле:
(6)
I. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ
На расположенной горизонтально оптической скамье А перемещаются на ползушках линза L, экран Э и осветитель S (рис.6).
В качестве источника света используется осветитель ОИ-19 (лампа накаливания 8 В, 20 Вт). Лампа питается от блока питания БП.
При работе необходимо, чтобы середины предмета, линзы и экрана лежали на одной прямой, параллельной длине оптической скамьи. Плоскость экрана нужно установить перпендикулярно к длине оптической скамьи, а ось линзы – параллельно.
Оптическая схема осветителя состоит из лампы накаливания, двухлинзового коллектора, диафрагмы и матового стекла М, на котором тушью нанесена сетка или стрелка (предмет). В качестве предмета можно вырезать стрелку в картоне или другом непрозрачном материале вместо матового стекла.
II. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ.
1. Включите осветитель в сеть и установите требуемую яркость лампы.
2. Поместите экран на достаточно большом расстоянии от предмета.
3. Перемещайте линзу L до тех пор, пока не получите на экране отчетливое изображение предмета (стрелки).
4. Отсчитайте величины а и в по шкале скамьи (или линейкой).
5. Меняя положение ползушки с экраном, подберите вновь соответствующе положение линзы. Измерение повторите не менее трех раз.
6. Вычислите фокусное расстояние линзы по формуле
для каждого отдельного измерения и из полученных результатов найдите среднее значение f ср.
7. Определите оптическую силу линзы по формуле (4).-
8. Данные измерений и вычислений занесите в таблицу 1.
9. Сделайте выводы.
Таблица 1
Определение главного фокусного расстояния и оптической
силы линзы
№№ пп | а,см | в, см | f, см | , см | f=fср±Δfсм | Д., дп | |
1. 2. 3. | |||||||
Сред |
Дата добавления: 2015-06-17; просмотров: 3959;