профессор

Лабораторная работа № 4–1:

ОПРЕДЕЛЕНИЕ фокусного расстояния тонкой ЛИНЗы

Студент:_____________________________________________________________________ группа:_________________

Допуск_____________________________________Выполнение_______________________Защита_________________

Цель работы : Определение фокусного расстояния собирающей и рассеивающей линз, сферической и хроматической аберраций собирающей линзы.

Приборы и принадлежности : Установка ФПВ-05-1-6.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

В оптическом диапазоне с достаточно большой точностью можно представить распространение

электромагнитных волн как перенос ими энергии вдоль некоторых линий. Эти линии получили название световых лучей.

Раздел оптики, в котором законы распространения оптического излучения изучаются на основе математической модели, в которой световые волны заменяют световыми лучами и применяют к ним обычные правила евклидовой геометрии и несколько простых законов, установленных опытным путем называется геометрической оптикой .

Основными законами геометрической оптики являются:

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

2. Закон независимости световых пучков: распространение всякого светового пучка в среде не зависит от наличия других пучков; лучи обратимы.

Луч света, падающий на границу раздела двух сред, разделяется на два – отраженный и преломленный, направления которых определяются законами отражения и преломления (рис. 1).

3. Законы отражения:

- отраженный луч лежит в одной плоскости с падающим лучом и перпендикуляром, проведенным к границе раздела двух сред в точке падения луча;

Угол отражения γ равен углу падения α:

4. Законы преломления:

- луч падающий, луч преломленный и перпендикуляр, проведенный к границе раздела в точке падения луча лежат в одной плоскости падения;

Отношение синуса угла падения https://pandia.ru/text/78/597/images/image002_219.gif" width="16" height="21 src="> есть величина постоянная для двух данных сред (закон Снеллиуса):

где - относительный показатель преломления двух сред,

И - абсолютные показатели преломления первой и второй среды.

Рис. 1. Отражение и преломление падающего луча света на границе раздела двух сред.

Положения геометрической оптики можно применять тогда, когда эффекты, вызываемые волновой природой света (интерференция, дифракция и поляризация), несущественны.

Линза – прозрачное (чаще всего стеклянное) тело, ограниченное двумя криволинейными (обычно сферическими) или одной криволинейной и одной плоской поверхностями (рис. 2).

Рис. 2. Собирающие (a) и рассеивающие (b) линзы и их условные обозначения.

В зависимости от формы линзы различают собирающие (положительные) и рассеивающие (отрицательные) линзы.

К группе собирающих линз обычно относят линзы, у которых середина толще их краёв, а к группе рассеивающих - линзы, края которых толще середины. Следует отметить, что это верно только в том случае, когда показатель преломления материала линзы больше, чем у окружающей среды. Если показатель преломления линзы меньше, ситуация будет обратной.

Прямая проходящая через центры сферических поверхностей линзы О 1О 2, называется главной оптической осью линзы (рис. 3). Расстояние между поверхностями линзы, измеренное вдоль главной оптической оси, называется толщиной линзы . Линзы, у которых толщина весьма мала по сравнению с радиусами кривизны ее поверхностей, называются тонкими . У бесконечно тонкой линзы обе поверхности совпадают и пересекают главную оптическую ось в одной и той же точке, называемой оптическим центром линзы О .

Любой луч, проходящий через оптический центр тонкой линзы, не испытывает преломления и не меняет направления распространения. Любая линия, проходящая через оптический центр линзы, называется оптической осью линзы (побочной оптической осью).

Если на линзу направить пучок лучей, параллельных главной оптической оси, то после прохождения линзы все лучи соберутся в одной точке, называемой фокусом линзы (для рассеивающей линзы пересекаются продолжения лучей).

Фокус линзы, лежащий на главной оптической оси, называется главным фокусом линзы F .

DIV_ADBLOCK302">

Фокусное расстояние сферической линзы можно найти по формуле:

, (2)

где R1 и R2 - радиусы кривизны сферических поверхностей линзы; - относительный показатель преломления материала линзы, равный отношению абсолютных показателей преломления материала линзы и окружающей среды https://pandia.ru/text/78/597/images/image012_33.jpg" width="616 height=237" height="237">

Линза, у которой фокусное расстояние положительно, называется собирающей , линза с отрицательным фокусным расстоянием называется рассеивающей . Таким образом, при Светотехника и источники света" href="/text/category/svetotehnika_i_istochniki_sveta/" rel="bookmark">источник света , называют передним фокусом линзы, а фокус в пространстве с изображением источника света – задним фокусом . В случае собирающей линзы лучи от бесконечно удаленного источника будут собираться в заднем фокусе (изображение действительное ), а в случае рассеивающей линзы в переднем фокусе будут собираться продолжения лучей (изображение мнимое )

Источник света можно представить как совокупность светящихся точек, каждая из которых является вершиной расходящегося пучка лучей, называемого гомоцентрическим , т. е. имеющим общий центр. Если свет от точечного источника после прохождения оптической системы вновь собирается в одной точке, то эту точку называют точечным или стигматическим изображением источника. Две точки (источник и его изображение) называются сопряженными точками данной оптической системы. Вследствие обратимости хода световых лучей источник и его изображение можно поменять местами. Изображение называется действительным , если лучи действительно пересекаются в точке. Если пересекаются не сами лучи, а их продолжения, проведенные в направлении, противоположном направлению распространения света, то такое изображение называют мнимым . Аналогично действительным и мнимым может быть и точечный источник света.

В рамках геометрической оптики ограничиваются, как правило, рассмотрением центрированных систем и параксиальных лучей. Система называется центрированной , если центры кривизны всех сферических поверхностей расположены на одной прямой, т. е. главные оптические оси всех линз совпадают. Параксиальными называются лучи, образующие малые углы с главной оптической осью и нормалями к преломляющим поверхностям системы. Для идеальных центрированных систем показано, что любой источник в виде плоскости, прямой или точки будет давать изображение также в виде соответственно плоскости, прямой или точки , за исключением источников в фокальной плоскости.

Для тонкой линзы справедлива следующая формула, называемая формулой тонкой линзы :

где F - фокусное расстояние линзы, а - расстояние от источника до линзы, b - расстояние от линзы до изображения.

Фокусным расстояниям линз принято приписывать определенные знаки: для собирающей линзы F > 0, для рассеивающей F < 0. Величины a и b также подчиняются определенному правилу знаков: a > 0 и b > 0 – для действительных предметов (то есть реальных источников света, а не продолжений лучей, сходящихся за линзой) и изображений; a < 0 и b < 0 – для мнимых источников и изображений.

Основное свойство линз – способность давать изображения предметов . Положение изображения и его характер можно определить с помощью геометрических построений. Полное изображение линейного предмета в линзе находится путем построения изображения его крайних точек. Для этого используют свойства некоторых стандартных лучей, ход которых известен. Это лучи, проходящие через оптический центр или один из фокусов линзы, а также лучи, параллельные главной или одной из побочных оптических осей. При построении изображения с помощью указанных лучей необходимо руководствоваться следующими правилами:

1) луч, идущий через оптический центр линзы в любом направлении, не испытывает преломления и пройдет без изменения направления.

2) луч, проходящий через передний (задний) фокус собирающей (рассеивающей) линзы, пойдет параллельно главной оптической оси.

3) луч, параллельный главной оптической оси, после преломления в собирающей (рассеивающей) линзе пройдет через ее задний (передний) фокус.

4) луч, параллельный какой-либо оптической оси собирающей (рассеивающей) линзы, пройдет через точку пересечения этой оси с задней (передней) фокальной плоскостью.

Примеры построения изображений в собирающей и рассеивающей линзах приведены на рис. 5 и 6.

Рис. 5. Построение изображения в собирающей линзе.

Рис. 6. Построение изображения в рассеивающей линзе.

Следует обратить внимание на то, что некоторые из стандартных лучей, использованных на рис. 5 и 6 для построения изображений, не проходят через линзу. Эти лучи реально не участвуют в образовании изображения, но они могут быть использованы для построений.

В общем случае изображение предмета, получаемое с помощью линзы, в зависимости от его положения по отношению к линзе может быть:

1. действительным (если после преломления преломляются сами лучи) или мнимым (если после преломления пересекаются их продолжения);

2. увеличенным, уменьшенным или равным самому себе;

3. прямым или перевернутым.

Характеристики изображений и их положения в зависимости от положения предмета для собирающей и рассеивающих линз отражены в таблице.

Таблица 1. Характеристика изображения и его положения в зависимости от положения предмета.

Положение предмета,	Положение изображения,	Характеристика изображения
собирающие линзы
		Обратное, действительное, уменьшенное
		Обратное, действительное, равное
		Обратное, действительное, увеличенное
		Изображение находится в бесконечности
		Прямое, увеличенное, мнимое
рассеивающие линзы
		Прямое, уменьшенное, мнимое
		Прямое, уменьшенное, мнимое

Отношение линейных размеров изображения к линейным размерам h предмета называется линейным увеличением линзы.

Линзы обладают рядом недостатков, не позволяющих получать высококачественные изображения. Искажения, возникающие при формировании изображения, называются аберрациями . Главные из них – сферическая и хроматическая аберрации .

Сферическая аберрация проявляется в том, что монохроматические лучи по-разному преломляются в линзе (то есть имеют разный фокус), в зависимости от их расстояния от оптической оси линзы (рис. 7). Это приводит к тому, что центральная часть изображения оказывается наиболее резкой, а периферийные участки размытыми. Этот дефект изображения связан с тем, что форма преломляющих поверхностей линзы не обеспечивает фокусировку всех лучей светового пучка, падающего на линзу. В случае параллельного пучка лучи, близкие к оси, проходят через фокус, внешние лучи пересекаются ближе к линзе. В результате изображение предмета получается нечетким. Эффект сферической аберрации можно устранить, если использовать только центральную область линзы. Для этого в оптических приборах применяют диафрагмы.

Хроматическая аберрация проявляется в том, что световые лучи разных цветов, находящихся на одинаковом расстоянии от оптической оси линзы, преломляются по-разному (то есть имеют разный фокус). Это явление возникает вследствие дисперсии среды (то есть зависимости показателя преломления среды от частоты световой волны). Когда преломляется белый свет, то фокусные расстояния линзы различны для света различных цветов. Наименьшее фокусное расстояние у фиолетовых лучей, наибольшее – у красных (рис. 7). Поэтому изображение становится нечетким и окрашенным.

https://pandia.ru/text/78/597/images/image023_22.jpg" align="left" width="251" height="176">

Существует также коматическая аберрация (или кома), дисторсия и астигматизм .

Кома – это внеосевая аберрация, связанная с наклоном лучей света, идущих от источника, к оптической оси телескопа (рис. 8).

При этом изображение точечного источника света имеет вид капли. Линейные размеры пятна комы пропорциональны расстоянию точечного источника от оптической оси и квадрату относительного отверстия объектива.

Дисторсия выражается в том, что масштаб изображения на различном расстоянии от центра поля различен.

Изображение точечного источника света собирается в одну точку, но эта

точка не совпадает с изображением источника в идеальной оптической системе.

Из-за этого изображение квадрата будет иметь вид либо подушки (положительная дисторсия), либо вид бочки (отрицательная дисторсия) (см. рис 9).

Наконец, астигматизм заключается в растягивании точечного изображения в черточку. Лучи света от объекта, идущие в разных плоскостях, фокусируются не в плоскости, а на некоторой искривлённой поверхности (рис. 10), что также искажает изображение.

Размер астигматического изображения растет пропорционально квадрату углового расстояния точечного источника от центра оптической

ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

Установка состоит из оптической скамьи, рейтеров, осветителя с регулируемым источником питания, собирающих и рассеивающей линз, красного и синего светофильтров, дисковой и кольцевой диафрагм, экрана и держателей линз. Общий вид установки представлен на рис 5.

https://pandia.ru/text/78/597/images/image028_25.gif" width="45" height="21"> от осветителя 2 с сеткой.

2. Перемещая экран найдите такое его положение, при котором получается отчетливое уменьшенное изображение предмета.

3. Установите держатель 4 с рассеивающей линзой № 13 между собирающей линзой и экраном.

4. Определите расстояние от рассеивающей линзы до экрана a .

5. Перемещая экран, найдите отчетливое изображение предмета. Для рассеивающей линзы «предметом» является изображение предмета, даваемое собирающей линзой.

6. Определите расстояние от рассеивающей линзы до экрана b .

7. Измените положение рассеивающей линзы и проведите измерения согласно пунктам 4 - 6.

Измерения повторите не менее 5 раз.

По формуле (3) определите фокусное расстояние рассеивающей линзы. Результаты измерений занесите в таблицу 4.

Таблица 4. Экспериментальные данные и расчетные значения фокусного расстояния рассеивающей линзы.

8. Обработку результатов произведите по методике прямых измерений (см. лабораторную работу 0-1)

Ответ запишите в виде:

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Дайте определение геометрической оптике. Сформулируйте и поясните основные законы геометрической оптики.

2. Что такое абсолютный и относительный показатели преломления среды? Поясните их физический смысл.

3. Что называется световым лучом, оптической линзой? Расскажите о классификации линз (по толщине, по форме преломляющих поверхностей, по преломлению падающих лучей) и их характеристиках.

4. Укажите основные элементы линзы и дайте их характеристику.

5. Напишите формулу тонкой собирающей линзы (рассеивающей линзы). При каких условиях собирающая линза

может работать как рассеивающая?

6. Что называется линейным увеличением линзы? Как зависит оптическая сила линзы от оптических свойств среды,

в которой находится линза.

7. Сформулируйте правила построения изображения предметов в линзах. Охарактеризуйте изображение предмета

в зависимости от расстояния предмета до линзы.

8. Дайте определение аберрации. Какие виды аберраций существуют? Поясните их природу.

9. Постройте ход лучей в идеальной линзе в случаях, когда изображение будет:

1) увеличенным;

2) уменьшенным;

3) прямым;

4) перевернутым;

5) действительным;

6) мнимым.

Как расположены при этом друг относительно друга предмет, линза и ее фокусы?

10. Какой пучок лучей называется гомоцентрическим? Какие изображения называются стигматическими?

11. Какие изображения формируют собирающая линза? рассеивающая линза?

Линзами называют прозрачные тела, ограниченные с двух сторон сферическими поверхностями.

Линзы бывают двух типов выпуклыми (собирающими) или вогнутыми (рассеивающими). У выпуклой линзы середина толще чем края, у вогнутой наоборот середина тоньше чем края.
Ось проходящая через центр линзы, перпендикулярная линзе, называется главной оптической осью.


Лучи идущие параллельно главной оптической оси преломляются проходя через линзу и собираются в одной точке, называемой точкой фокуса линзы или просто фокус линзы (для собирающей линзы). В случае рассеивающей линзы, лучи идущие параллельно главной оптической оси рассеиваются и расходятся в сторону от оси, но продолжения этих лучей пересекаются в одной точке, называемой точкой мнимого фокуса.


OF - фокусное расстояние линзы (OF=F просто обозначают буквой F).
Оптическая сила линзы - это величина, обратная ее фокусному расстоянию. , измеряется в диоптриях [дптр].
Например если фокусное расстояние линзы равно 20 см (F=20см=0,2м) то ее оптическая сила D=1/F=1/0,2=5 дптр
Для построения изображения с помощью линзы используют следующие правила:
- луч прошедший через центр линзы не преломляется;
- луч идущий параллельно главной оптической оси преломившись пройдет через точку фокуса;
- луч прошедший через точку фокуса после преломления пойдет параллельно главной оптической оси;

Рассмотрим классические случаи: а) предмет АВ находится за двойным фокусом d>2F.


изображение: действительное, уменьшенное, перевернутое.

изображение: мнимое, уменьшенное, прямое.

Б) предмет АВ находится между фокусом и двойным фокусом F

изображение: действительное, увеличеное, перевернутое.

В) предмет АВ находится между линзой и фокусом d

изображение: мнимое, увеличеное, прямое.

изображение: мнимое, уменьшеное, прямое.

Г) предмет АВ находится на двойном фокусе d=F


изображение: действительное, равное, перевернутое.

где F - фокусное расстояние линзы, d - расстояние от предмета до линзы, f - расстояние от линзы до изображения.

Г - увеличение линзы, h - высота предмета, H - высота изображения.

Задание огэ по физике: С помощью собирающей линзы получено мнимое изображение предмета. Предмет по отношению к линзе расположен на расстоянии
1)меньшем фокусного расстояния
2)равном фокусному расстоянию
3)большем двойного фокусного расстояния
4)большем фокусного и меньшем двойного фокусного расстояния
Решение: Мнимое изображение предмета с помощью собирающей линзы можно получить только в случае когда предмет по отношению к линзе расположен на расстоянии меньшем фокусного расстояния. (см рисунок выше)
Ответ: 1
Задание огэ по физике фипи: На рисунке изображён ход луча, падающего на тонкую линзу с фокусным расстоянием F. Ходу прошедшего через линзу луча соответствует пунктирная линия


Решение: Луч 1 проходит через фокус, значит до этого он шел параллельно главной оптической оси, луч 3 параллелен главной оптической оси, значит до этого он прошел через фокус линзы (слева от линзы), луч 2 находится между ними.
Ответ: 2
Задание огэ по физике фипи: Предмет находится от собирающей линзы на расстоянии, равном F. Каким будет изображение предмета?
1) прямым, действительным
2) прямым, мнимым
3) перевернутым, действительным
4) изображения не будет
Решение: луч прошедший через точку фокуса попав в линзу идет параллельно главной оптической оси, получить изображения предмета находящегося в точке фокуса невозможно.
Ответ: 4
Задание огэ по физике фипи: Школьник проводит опыты с двумя линзами, направляя на них параллельный пучок света. Ход лучей в этих опытах показан на рисунках. Согласно результатам этих опытов, фокусное расстояние линзы Л 2

1) больше фокусного расстояния линзы Л 1
2) меньше фокусного расстояния линзы Л 1
3) равно фокусному расстоянию линзы Л 1
4) не может быть соотнесено с фокусным расстоянием линзы Л 1
Решение: после прохождения через линзу Л 2 лучи идут параллельно, следовательно фокусы двух линз совпали, из рисунка видно, что фокусное расстояние линзы Л2 меньше фокусного расстояния линзы Л 1
Ответ: 2
Задание огэ по физике фипи: На рисунке изображены предмет S и его изображение S′, полученное с помощью

1) тонкой собирающей линзы, которая находится между предметом и его изображением
2) тонкой рассеивающей линзы, которая находится левее изображения
3) тонкой собирающей линзы, которая находится правее предмета
4) тонкой рассеивающей линзы, которая находится между предметом и его изображением
Решение: соеденив предмет S и его изображение S′ найдем где находится центр линзы, так как изображение S′ выше чем предмет S, значит изображение увеличенное. Собирающая линза дает увеличенное изображение S′. (см выше в теории)
Ответ: 3
Задание огэ по физике фипи: Предмет находится от собирающей линзы на расстоянии, меньшем 2F и большем F. Какими по сравнению с размерами предмета будут размеры изображения?
1) меньшими
2) такими же
3) большими
4) изображения не будет
Решение: Смотрите выше пункт б) предмет АВ находится между фокусом и двойным фокусом.
Ответ: 3
Задание огэ по физике фипи: После прохождения оптического прибора, закрытого на рисунке ширмой, ход лучей 1 и 2 изменился соответственно на 1" и 2". За ширмой находится

1) собирающая линза
2) рассеивающая линза
3) плоское зеркало
4) плоскопараллельная стеклянная пластина
Решение: лучи, после прохождения оптического прибора, расходятся, а это возможно только после прохождения лучей через рассеивающую линзу.
Ответ: 2
Задание огэ по физике фипи: На рисунке изображены оптическая ось ОО 1 тонкой линзы, предмет А и его изображение А 1 , а также ход двух лучей, участвующих в образовании изображения.

Согласно рисунку фокус линзы находится в точке
1) 1, причём линза является собирающей
2) 2, причём линза является собирающей
3) 1, причём линза является рассеивающей
4) 2, причём линза является рассеивающей
Решение: луч, идущий параллельно главной оптической оси, после прохождения сквозь линзу, преломляется и проходит через точку фокуса. На рисунке видно, что это точка 2 и линза собирающая.
Ответ: 2
Задание огэ по физике фипи: Ученик исследовал характер изображения предмета в двух стеклянных линзах: оптическая сила одной линзы D 1 = –5 дптр, другой D 2 = 8 дптр – и сделал определённые выводы. Из приведённых ниже выводов выберите два правильных и запишите их номера.
1) Обе линзы собирающие.
2) Радиус кривизны сферической поверхности первой линзы равен радиусу кривизны сферической поверхности второй линзы.
3) Фокусное расстояние первой линзы по модулю больше, чем второй.
4) Изображение предмета, созданное и той, и другой линзой, всегда прямое.
5) Изображение предмета, созданное первой линзой, всегда мнимое, изображение, а созданное второй линзой мнимое только в том случае, когда предмет находится между линзой и фокусом.
Решение: Знак минус показывает что первая линза рассеивающая, а вторая собирающая, следовательно изображение предмета, созданное первой линзой, всегда мнимое, изображение, а созданное второй линзой мнимое только в том случае, когда предмет находится между линзой и фокусом. Фокусное расстояние первой линзы по модулю больше, чем фокусное расстояние второй линзы. Из формулы для оптической силы линзы F=1/D, тогда F 1 =0,2 м. F 2 =0,125 м.
Ответ: 35
Задание огэ по физике фипи: В какой из точек будет находиться изображение точечного источника S, создаваемое собирающей линзой с фокусным расстоянием F?

1) 1
2) 2
3) 3
4) 4
Решение:

Ответ: 1
Задание огэ по физике фипи: Может ли двояковыпуклая линза рассеивать пучок параллельных лучей? Ответ поясните.
Решение: Может, если показатель преломления окружающей среды будет больше показателя преломления линзы.
Задание огэ по физике фипи: На рисунке изображены тонкая рассеивающая линза и три предмета: А, Б и В, расположенные на оптической оси линзы. Изображение какого(-их) предмета(-ов) в линзе, фокусное расстояние которой F, будет уменьшенным, прямым и мнимым?

1) только А
2) только Б
3) только В
4) всех трёх предметов
Решение: Тонкая рассеивающая линза, всегда дает уменьшенное, прямое и мнимое изображение, при любом расположении предмета.
Ответ: 4
Задание огэ по физике (фипи): Предмет, находящийся между фокусным и двойным фокусным расстоянием линзы, переместили ближе к двойному фокусу линзы. Установите соответствие между физическими величинами и их возможными изменениями при приближении предмета к двойному фокусу линзы.
Для каждой величины определите соответствующий характер изменения:
1) увеличивается
2) уменьшается
3) не изменяется
Запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами. Цифры в ответе могут повторяться.
Решение: Если предмет находится между фокусом и двойным фокусом то его изображение увеличиное и находится за двойным фокусом, при приближении к двойному фокусу размеры будут уменьшаться и изображение станет ближе к линзе, так как, если тело находится на двойном фокусном расстоянии то изображение равно самому себе и находится на двойном фокусе.
Ответ: 22
Задание демонстрационного варианта ОГЭ 2019: На рисунке изображены три предмета: А, Б и В. Изображение какого(-их) предмета(-ов) в тонкой собирающей линзе, фокусное расстояние которой F, будет уменьшенным, перевёрнутым и действительным?

1) только А
2) только Б
3) только В
4) всех трёх предметов
Решение: Изображение будет уменьшенным, перевёрнутым и действительным если предмет находится за двойным фокусом d>2F (см. теорию выше). Предмет А находится за двойным фокусом.

Рассмотрим теперь, другой случай, имеющий большое практическое значение. Большинство линз, которыми — мы пользуемся, имеет не одну, а две поверхности раздела. К чему это приводит? Пусть имеется стеклянная линза, ограниченная поверхностями с разной кривизной (фиг. 27.5). Рассмотрим задачу о фокусировании пучка света из точки О в точку О’. Как это сделать? Сначала используем формулу (27.3) для первой поверхности, забыв о второй поверхности. Это позволит нам установить, что испускаемый в точке О свет будет казаться сходящимся или расходящимся (в зависимости от знака фокусного расстояния) из некоторой другой точки, скажем О’. Решим теперь вторую часть задачи. Имеется другая поверхность между стеклом и воздухом, и лучи подходят к ней, сходясь к точке О’. Где они сойдутся на самом деле? Снова воспользуемся той же формулой! Находим, что они сойдутся к точке О». Таким образом можно пройти, если необходимо, через 75 поверхностей, последовательно применяя одну и ту же формулу и переходя от одной поверхности к другой!

Имеются еще более сложные формулы, которые могут нам помочь в тех редких случаях нашей жизни, когда нам почему-то нужно проследить путь света через пять поверхностей. Однако если уж это необходимо, то лучше последовательно перебрать пять поверхностей, чем запоминать кучу формул, ведь может случиться, что нам вообще не придется возиться с поверхностями!

Во всяком случае, принцип расчета таков: при переходе через одну поверхность мы находим новое положение, новую точку фокуса и рассматриваем ее как источник для следующей

поверхности и т. д. Часто в системах бывает несколько сортов стекла с разными показателями n 1 , n 2 , … ; поэтому для конкретного решения задачи нам нужно обобщить формулу (27.3) на случай двух разных показателей n 1 , n 2 . Нетрудно показать, что обобщенное уравнение (27.3) имеет вид

Особенно прост случай, когда поверхности близки друг к другу и ошибками из-за конечной толщины можно пренебречь. Рассмотрим линзу, изображенную, на фиг. 27.6, и поставим такой вопрос: каким условиям должна удовлетворять линза, чтобы пучок из О фокусировался в О’? Пусть свет проходит точно через край линзы в точке Р. Тогда (пренебрегая временно толщиной линзы Т с показателем преломления n 2) излишек времени на пути ОРО’ будет равен (n 1 h 2 /2s) + (n 1 h 2 /2s’). Чтобы уравнять время на пути ОРО’ и время на прямолинейном пути, линза должна обладать в центре такой толщиной Т, чтобы она задерживала свет на нужное время. Поэтому толщина линзы T должна удовлетворять соотношению

Можно еще выразить Т через радиусы обеих поверхностей R 1 и R 2 . Учитывая условие 3 (приведенное на стр. 27), мы находим для случая R 1 < R 2 (выпуклая линза)

Отсюда получаем окончательно

Отметим, что, как и раньше, когда одна точка находится на бесконечности, другая будет расположена на расстоянии, которое мы называем фокусным расстоянием f. Величина f определяется равенством

где n = n 2 /n 1 .

В противоположном случае, когда s стремится к бесконечности, s’ оказывается на фокусном расстоянии f’. Для нашей линзы фокусные расстояния совпадают. (Здесь мы встречаемся еще с одним частным случаем общего правила, по которому отношение фокусных расстояний равно отношению показателей преломления тех двух сред, где лучи фокуси-руются. Для нашей оптической системы оба показателя одинаковы, а поэтому фокусные расстояния равны.)

Забудем на время формулу для фокусного. расстояния. Если вы купили линзу с неизвестными радиусами кривизны и каким-то показателем преломления, то фокусное расстояние можно просто измерить, собирая в фокус лучи, идущие от удаленного источника. Зная f, удобнее переписать нашу формулу сразу в терминах фокусного расстояния

Давайте посмотрим теперь, как работает эта формула и что из нее получается в разных случаях. Во-первых, если одно из расстояний s и s’ бесконечно, другое равно f. Это условие означает, что параллельный пучок света фокусируется на расстоянии f и может использоваться на практике для определения f. Интересно также, что обе точки движутся в одну сторону. Если одна идет направо, то и вторая движется в ту же сторону. И наконец, если s и s’ одинаковы, то каждое из них равно 2f.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ФОКУСНОГО РАССТОЯНИЯ

СОБИРАТЕЛЬНОЙ И РАССЕИВАЮЩЕЙ ЛИНЗ

Элементарная теория тонких линз приводит к простым соотношениям между фокусным расстоянием тонкой линзы, с одной стороны, и расстоянием от линзы до предмета и до его изображения – с другой.

Простой оказывается связь между размерами объекта, его изображения, даваемого линзой, и их расстояниями до линзы. Определяя на опыте названные величины, нетрудно по упомянутым соотношениям вычислить фокусное расстояние тонкой линзы с точностью, вполне достаточной для большинства случаев.

Упражнение 1

Определение фокусного расстояния собирательной линзы

На расположенной горизонтально оптической скамье могут перемещаться на ползушках следующие приборы: матовый экран со шкалой, линза , предмет (вырез в виде буквы F), осветитель . Все эти приборы устанавливаются так, чтобы центры их лежали на одной высоте, плоскости экранов были перпендикулярны к длине оптической скамьи, а ось линзы ей параллельна. Расстояния между приборами отсчитываются по левому краю ползушки на шкале линейки, расположенной вдоль скамьи.

Определение фокусного расстояния собирательной линзы производится следующими способами.

Способ 1. Определение фокусного расстояния по расстоянию предмета

и его изображения от линзы.

Если обозначить буквами а и b расстояния предмета и его изображения от линзы, то фокусное расстояние последней выразится формулой

или ; (1)

(эта формула справедлива только в том случае, когда толщина линзы мала по сравнению с a и b ).

Измерения . Поместив экран на достаточно большом расстоянии от предмета, ставят линзу между ними и передвигают ее до тех пор, пока не получат на экране отчетливое изображение предмета (буква F ). Отсчитав по линейке, расположенной вдоль скамьи, положение линзы, экрана и предмета, передвигают ползушку с экраном в другое положение и вновь отсчитывают соответствующее положение линзы и всех приборов на скамье.

Ввиду неточности визуальной оценки резкости изображения, измерения рекомендуется повторить не менее пяти раз. Кроме того, в данном способе полезно проделать часть измерений при увеличенном, а часть при уменьшенном изображении предмета. Из каждого отдельного измерения по формуле (1) вычислить фокусное расстояние и из полученных результатов найти его среднее арифметическое значение.

Способ 2. Определение фокусного расстояния по величине предмета и

его изображения, и по расстоянию последнего от линзы.

Обозначим величину предмета через l. Величину его изображения через L и расстояние их от линзы (соответственно) через a и b . Эти величины связаны между собой известным соотношением

.

Определяя отсюда b (расстояние предмета до линзы) и подставляя его в формулу (1), легко получить выражение для f через эти три величины:

. (2)

Измерения. Ставят линзу между экраном и предметом так, чтобы на экране со шкалой получилось сильно увеличенное и отчетливое изображение предмета, отсчитывают положение линзы и экрана. Измеряют при помощи линейки величину изображения на экране. Размеры предмета «l » в мм даны на рис.1.

Измерив расстояние от изображения до линзы, находят фокусное расстояние до линзы по формуле (2).

Изменяя расстояние от предмета до экрана, повторяют опыт несколько раз.

Способ 3. Определение фокусного расстояния по величине перемещения линзы

Если расстояние от предмета до изображения, которое обозначим через А , более 4 f , то всегда найдутся два таких положения линзы, при которых на экране получается отчетливое изображение предмета: в одном случае уменьшенное, в другом – увеличенное (рис.2).

Нетрудно видеть, что при этом оба положения линзы будут симметричны относительно середины расстояния между предметом и изображением. Действительно, воспользовавшись уравнением (1), можно написать для первого положения линзы (рис.2).

;

для второго положения

.

Приравняв правые части этих уравнений, найдем

.

Подставив это выражение для x в ( A - e - x ) , легко найдем, что

;

то есть, что действительно оба положения линзы находятся на равных расстояниях от предмета и изображения и, следовательно, симметричны относительно середины расстояния между предметом и изображением.

Чтобы получить выражение для фокусного расстояния, рассмотрим одно из положений линзы, например, первое. Для него расстояние от предмета до линзы

.

А расстояние от линзы до изображения

.

Подставляя эти величины в формулу (1), найдем

. (3)

Этот способ является принципиально наиболее общим и пригодным как для толстых, так и для тонких линз. Действительно, когда в предыдущих случаях пользовались для расчетов величинами а и b , то подразумевали отрезки, измеренные до центра линзы. На самом же деле следовало эти величины измерять от соответствующих главных плоскостей линзы. В описываемом же способе эта ошибка исключается благодаря тому, что в нем измеряется не расстояние от линзы, а лишь величина ее перемещения.

Измерения. Установив экран на расстоянии большем 4 f от предмета (ориентировочно значение f берут из предыдущих опытов), помещают линзу между ними и, передвигая ее, добиваются получения на экране отчетливого изображения предмета, например, увеличенного. Отсчитав по шкале соответствующее положение линзы, сдвигают ее в сторону и вновь устанавливают. Эти измерения производят пять раз.

Передвигая линзу, добиваются второго отчетливого изображения предмета – уменьшенного и вновь отсчитывают положение линзы по шкале. Измерения повторяют пять раз.

Измерив расстояние А между экраном и предметом, а также среднее значение перемещений е , вычисляют фокусное расстояние линзы по формуле (3).

Упражнение 2

Определение фокусного расстояния рассеивающей линзы

Укрепленная на ползушках рассеивающая и собирательная линзы, матовый экран и освещенный предмет размещают вдоль оптической скамьи и устанавливают согласно тем же правилам, как и в упражнении 1.

Измерение фокусного расстояния рассеивающей линзы производится следующим способом. Если на пути лучей, выходящих из точки А и сходящихся в точке D после преломления в собирательной линзе В (рис.3), поставить рассеивающую линзу так, чтобы расстояние С D было меньше ее фокусного расстояния, то изображение точки А удалится от линзы В. Пусть, например, оно переместится в точку Е . В силу оптического принципа взаимности мы можем теперь мысленно рассмотреть лучи света, распространяющиеся из точки Е в обратную сторону. Тогда точка будет мнимым изображением точки Е после прохождения лучей через рассеивающую линзу С.

Обозначая расстояние ЕС буквой а , D С – через b и замечая, что f и b имеют отрицательные знаки, получим согласно формуле (1)

, т.е. . (4)

Измерения. На оптической скамье размещают освещенный предмет (F), собирающую линзу, рассеивающую линзу, рассеивающую линзу, матовый экран (в соответствии с рис.3). Положения матового экрана и рассеивающей линзы могут быть выбраны произвольно, но удобнее расположить их в точках, координаты которых кратны 10.

Таким образом, расстояние а определяется как разность координат точек Е и С (координату точки С записать). Затем, не трогая экран и рассеивающую линзу, перемещают собирающую линзу до тех пор, пока на экране не получится четкое изображение предмета (точность результата эксперимента очень зависит от степени четкости изображения).

После этого рассеивающую линзу убирают, а экран перемещают к собирающей линзе и вновь получают четкое изображение предмета. Новое положение экрана определит координату точки D .

Очевидно, разность координат точек С и D определит расстояние b , что позволит по формуле (4) вычислить фокусное расстояние рассеивающей линзы.

Таких измерений проделывают не менее пяти раз, выбирая каждый раз новое положение экрана и рассеивающей линзы.

Примечание. Анализируя расчетную формулу

легко приходим к выводу, что точность определения фокусного расстояния очень зависит от того, насколько сильно отличаются отрезки b и а . Очевидно, что при а близком к b малейшие погрешности в их измерении могут сильно исказить результат.

Фокусное расстояние является важнейшей колляцией всякий линзы . Впрочем, на самом увеличительном стекле данный параметр традиционно не указан. В большинстве случаев на них обозначают только кратность увеличения, а на линзах без оправы частенько и совсем отсутствует какая-нибудь маркировка.

Вам понадобится

• Источник света
• Экран
• Линейка
• Карандаш

Инструкция

1. Примитивный метод определения фокусного расстояния линзы – экспериментальный. Расположите источник света на некотором удалении от экрана, заведомо превышающем двойное фокусное расстояние линзы . Параллельно воображаемому отрезку, соединяющему источник света с экраном, приложите линейку. Прислоните линзу к источнику света. Медлительно перемещая ее в направлении экрана, добейтесь возникновения на нем отчетливого изображения источника света. Подметьте на линейке карандашом место, где при этом находится линза.

2. Продолжайте перемещать линзу по направлению к экрану. В определенный момент на экране вновь появится отчетливое изображение источника света. Также подметьте на линейке это расположение линзы .

3. Измерьте расстояние между источником света и экраном. Возведите его в квадрат.

4. Измерьте расстояние между первым и вторым расположениями линзы и также возведите в квадрат.

5. Вычтите из первого итога возведения в квадрат 2-й.

6. Получившееся в итоге вычитания число поделите на учетверенное расстояние между источником света и экраном, и получится фокусное расстояние линзы . Оно будет выражено в тех же единицах, в которых производились измерения. Если это вас не устраивает, переведите его в комфортные для вас единицы.

7. Определить фокусное расстояние рассеивающей линзы напрямую немыслимо. Для этого потребуется добавочная линза – собирающая, причем, ее фокусное расстояние может быть и неведомо.

8. Расположите источник света, экран и линейку так же, как в предыдущем навыке. Потихоньку отодвигая собирающую линзу от источника света, добейтесь отчетливого изображения источника света на экране. Зафиксируйте линзу в этом расположении.

9. Между экраном и собирающей линзой разместите рассеивающую, фокусное расстояние которой вы хотите измерить. Изображение станет расплывчатым, но пока на это не нужно обращать внимание. Измерьте, на каком расстоянии от экрана расположена эта линза.

10. Отодвигайте экран от линзы , пока изображение вновь не станет сосредоточенным. Измерьте новое расстояние от экрана до рассеивающей линзы .

11. Умножьте первое расстояние на второе.

12. Вычтите второе расстояние из первого.

13. Итог умножения поделите на итог вычитания, и получится фокусное расстояние рассеивающей линзы .

Существует два вида линз – собирающие (выпуклые) и рассеивающие (вогнутые). Фокусное расстояние линзы – расстояние от линзы до точки, являющейся изображением безмерно удаленного объекта. Проще говоря, это точка, в которой пересекаются параллельные лучи света позже прохождения через линзу.

Вам понадобится

• Приготовьте линзу, лист бумаги, сантиметровую линейку (25-50 см), источник света (зажженная свеча, фонарь, маленькая настольная лампа).

Инструкция

1. 1-й метод – самый примитивный. Выйдите на освещенное солнцем место. С поддержкой линзы сосредоточьте ясные лучи на лист бумаги. Изменяя расстояние между линзой и бумагой, добейтесь наименьшего размера полученного пятна. Как водится, при этом бумага начинает обугливаться. Расстояние между линзой и листом бумаги в данный момент будет соответствовать фокусному расстоянию линзы .

2. 2-й метод – типичный. Установите источник света на край стола. На иной край, на расстоянии 50-80 см, поставьте импровизированный экран. Сделайте его из стопки книг либо маленький коробки и закрепленного вертикально листа бумаги. Передвигая линзу, добейтесь отчетливого (опрокинутого) изображения источника света на экране. Измерьте расстояния от линзы до экрана и от линзы до источника света. Сейчас расчет. Перемножьте полученные расстояния и поделите на расстояние от экрана до источника света. Полученное число и будет фокусным расстояние м линзы .

3. Для рассеивающей линзы все немножко труднее. Используйте то же оборудование, что и для второго метода с собирающей линзой. Рассеивающую линзу расположите между экраном и собирающей линзой. Перемещайте линзы для приобретения резкого изображения источника света. Собирающую линзу закрепите в этом расположении статично. Измерьте расстояние от экрана до рассеивающей линзы . Подметьте мелом либо карандашом местоположение рассевающей линзы и уберите ее. Приближайте экран к собирающей линзе до тех пор, пока не получите на экране крутое изображение источника света. Измерьте расстояние от экрана до того места, где находилась рассеивающая линза. Перемножьте полученные расстояния и поделите на их разность (из большего вычесть меньшее). Итог готов.

Обратите внимание!
Будьте внимательны при применении источников света. Соблюдайте правила электро- и пожарной безопасности.

Полезный совет
Если все измерения проводятся в миллиметрах, то и полученное фокусное расстояние будет в миллиметрах.

Фокусное расстояние – это расстояние от оптического центра до фокальной плоскости, на которой собираются лучи и формируется изображение. Оно измеряется в миллиметрах. Приобретая камеру, неукоснительно необходимо узнать фокусное расстояние объектива, потому что чем оно огромнее, тем мощней объектив увеличивает изображение предмета съемки.

Вам понадобится

• Калькулятор.

Инструкция

1. 1-й метод. Фокусное расстояние дозволено обнаружить с поддержкой формулы тонкой линзы: 1/расстояние от линзы до предмета+1/расстояние от линзы до изображения=1/главное фокусное расстояние линзы. Из данной формулы выразите основное фокусное расстояние линзы. У вас должна получиться дальнейшая формула: основное фокусное расстояние линзы=расстояние от линзы до изображения*расстояние от линзы до предмета/(расстояние от линзы до изображения+расстояние от линзы до предмета). Сейчас сосчитайте неведомую вам величину с поддержкой калькулятора.

2. Если перед вами не тонкая, а толстая линза, то формула остается без метаморфозы, но расстояния отсчитываются не от центра линзы, а от основных плоскостей. Для действительного изображения от действительного предмета в собирающей линзе фокусное расстояние принимайте, как величину правильную. Если же линза рассеивающая – фокусное расстояние негативно.

3. 2-й метод. Фокусное расстояние дозволено обнаружить с поддержкой формулы масштаба изображения: масштаб=фокусное расстояние линзы/(расстояние от линзы до изображения-фокусное расстояние линзы) либо масштаб=(расстояние от линзы до изображения-фокусное расстояние линзы)/фокусное расстояние линзы. Выразив из данной формулы фокусное расстояние, вы легко его сосчитаете.

4. 3-й метод. Фокусное расстояние дозволено обнаружить с поддержкой формулы оптической силы линзы: оптическая сила линзы=1/фокусное расстояние. Выразим из данной формулы фокусное расстояние: фокусное расстояние=1/оптическую силу. Сосчитайте.

5. Четвертый метод. Если вам дана толщина линзы и увеличение, то, чтоб обнаружить фокусное расстояние, перемножьте их.

6. Сейчас вы знаете, как обнаружить фокусное расстояние. Выбирайте тот либо другой вышеперечисленный метод в зависимости от того, что вам дано, и тогда вы без труда решите поставленную перед вами задачу. Непременно определяйте какая перед вами линза, потому что именно от этого зависит позитивное либо негативное значение имеет фокусное расстояние. И тогда вы решите все без цельной ошибочки.