Лабораторная работа. ЛР «Определение фокусного расстояния линзы». Цель работы Ознакомление с простейшими оптическими системами и определение фокусного расстояния собирающей и рассеивающей линз Краткая теория

• Название: Цель работы Ознакомление с простейшими оптическими системами и определение фокусного расстояния собирающей и рассеивающей линз Краткая теория
• Анкор: Лабораторная работа
• Дата: 18.04.2023
• Размер: 28.24 Kb.
• Имя файла: ЛР «Определение фокусного расстояния линзы».docx
• Тип: Документы; #1069576

Домашнее задание для Л.Р. № 9

«Определение фокусного расстояния линзы»

1. 
   Цель работы
   

Ознакомление с простейшими оптическими системами и определение фокусного расстояния собирающей и рассеивающей линз

2. 
   Краткая теория
   

1. 
   Что называется аберрацией линз. Назовите три вида аберраций.
   

Аберрация – это искажение, отклонения от нормы, ошибки.

Основные аберрации линз – хроматическая, сферическая и дисторсия.

Аберрациями называются отклонения, возникающие в процессе движения лучей через реальную оптическую систему, от того направления, которое имеют эти лучи в идеальной системе.

Существует всего 14 видов основных аберраций. Наиболее существенными являются: сферическая; кома; хроматическая; дисторсия; астигматизм; кривизна поля изображения.

Хроматическая аберрация – искажения, обусловленные зависимостью показателя преломления прозрачных сред оптической системы от длинны волны проходящего через нее света.

Сферическая аберрация характеризуется не резким изображением вокруг источников света, вызванных разностью фокусов лучей света, проходящих через линзу на разных расстояниях. Устраняется при полностью открытом отверстии.

Дисторсия — аберрация оптических систем, при которой линейное увеличение изменяется по полю зрения. При этом нарушается подобие между объектом и его изображением.

Кома (рис. 12б). Это сферическая аберрация для наклонного пучка лучей. Светящаяся точка предмета рисуется оптической системой в плоскости изображения в виде запятой (комы). Исправляется с помощью подбора линз и диафрагмировании.

Астигматизм (см. рис. 15). Сущность этой аберрации заключается в том, что линза собирает наклонные пучки света не в одной плоскости, а а в двух, где отдельно фокусируются вертикальные и горизонтальные линии предмета. Данный факт объясняется тем, что для вертикальных и горизонтальных пучков света линза имеет как бы разную кривизну поверхностей. Это самая трудноустранимая аберрация. Исправляется путем подбора линз различных радиусов кривизны и сортов стекла. Объективы с исправленным астигматизмом называют анастигматами. Все объективы, выпускаемые в настоящее время – анастигматы.

Кривизна поля изображения (см. рис. 16). Является следствием астигматизма в линзе. Сущность этого явления заключается в том, что изображение строится резким не в плоскости, а на сфере. Осевые и наклонные пучки фокусируются линзой в различных плоскостях. Если резкость наведена для центральных лучей, то изображение на краевых участках будет нерезким и наоборот. Кривизну поля изображения устраняют совместно с астигматизмом.

2. 
   Что называется разрешающей способностью микроскопа. Назовите возможные пути повышения разрешающей способности микроскопа.
   

Разрешающей способностью оптического прибора называют его способность давать раздельные изображения соседних точек объекта.

Один из способов уменьшения предела разрешения микроскопа – использование света с меньшей длиной волны. В связи с этим применяют ультрафиолетовый микроскоп, в котором микрообъекты исследуются в ультрафиолетовых лучах. Принципиальная оптическая схема такого микроскопа аналогична схемам обычного микроскопа.

Другой способ уменьшения предела разрешения – увеличение числовой апертуры, что достигается увеличением как показателя преломления среды между предметом и объективом, так и апертурного угла.

Условия освещения объекта также влияют на разрешающую способность микроскопа, что важно учитывать в биологических исследованиях.

III. Порядок выполнения работы

При проведении лабораторной работы были получены следующие измерения:

Упражнение 1. Определение фокусного расстояния собирающей линзы. Первый способ.

	f, см	d, см	F, см
1	75	38
2	73	42

Рассчитать Fср (используем формулу №2 в лабораторном практикуме в ЛР №9).

Второй способ.

	L, см	l, см	F, см
1	115	36
2	105	28

Рассчитать Fср (используем формулу №3 в лабораторном практикуме в ЛР №9).

Упражнение 2. Определение фокусного расстояния рассеивающей линзы.

	f1, см	d1, см	F1, см
	27,3	10,5

Рассчитать F1 (используем формулу №4 в лабораторном практикуме в ЛР №9).

IV. Дополнительные задания

1. Чему будет равен угол между падающим и отраженным лучами, если угол падения был равен 40^о и его увеличили на 20^о ?

2. Постройте изображение и дайте его характеристику (мнимое или действительное) предмета, который находится между фокусом и собирающей линзой.

V. Контрольные вопросы

Ответить на контрольные вопросы № 3, 4, 5, 6, 8 (вопросы находятся после ЛР №9 в лабораторном практикуме).

3.В чём состоит физический смысл абсолютного показателя преломления вещества?

Абсолютный показатель преломления nабс - число, показывающее, во сколько раз скорость света  в данной среде меньше, чем в вакууме:

n_абс= С / 1. Cреду с большим n_абс называют оптически более плотной.

[Никитин, стр. 142]

4. 
   В чём состоит физический смысл относительного показателя преломления вещества?
   

Относительный показатель преломления - число, показывающее, во сколько раз скорость света во второй среде ₂ меньше, чем в первой ₁: n_отн ₂/₁ n₂₁. Первой называют среду из которой падает свет, а второй – в какую он проникает.

[Никитин, стр. 142]

4. 
   В чём состоит явление полного внутреннего отражения (ПВО) и при каком условии это явление происходит? Приведите примеры наблюдения ПВО в природе и применений в технике (оптических приборах, связи, медицине).
   

Явление полного внутреннего отражения (ПВО) наблюдается при переходе света из оптически более плотной среды в менее плотную. В этом случае имеем:   . Тогда, некоторому _кр , соответствует   90^o (т.е. свет не проникает во вторую среду) и, если вторая среда – воздух (n₂=1), то из закона преломления получим: sin_кр 1/ n₁. Причём, по мере стремления  к _кр , интенсивность преломлённого луча уменьшается и при _кр становится равной нулю.

Примеры ПВО в технике и в природе:

1) оптические волокна для передачи световых сигналов на расстояние;

2) медицинская эндоскопия с помощью оптических волокон;

3) поворотные призмы (в перископах и биноклях);

4) рефрактометрия (измерение показателей преломления веществ);

5) миражи (вследствие зависимости показателя преломления воздуха от температуры в атмосфере образуются временные оптические волноводы) и "лужи" на сухом нагретом асфальте;

6) вид со дна водоёма вверх на гладкую поверхность воды (кажется, что сидишь на дне колодца)..

[Никитин, стр. 143]

4. 
   Напишите формулу тонкой линзы и объясните смысл входящих в неё величин.
   

где среды линзы n - относительный показатель преломления материала линзы относительно окружающей среды (он может быть меньше 1!).

Если a  , т.е. лучи падают на линзу параллельно главной оптической оси, то b  f и формула тонкой линзы принимает вид:



,







Величину D называют оптической силой линзы.

[Никитин, стр. 144, 145]

8. 
   В чём состоит явление дисперсии света? Дать два определения дисперсии. Приведите примеры проявления этого явления в природе и применения в технике.
   

Это явление зависимости показателя преломления света n от его длины волны  (или частоты ). Оно описывается волновой теорией света. Различают нормальную и аномальную дисперсию. При нормальной дисперсии n 1/  (или n  ), при аномальной - n  (или n 1/  ). Бесцветные прозрачные среды (т.е. среды, слабо поглощающие свет) обладают нормальной дисперсией; а вот окрашенные среды могут иметь (но не всегда имеют) аномальную дисперсию. Вследствие дисперсии луч белого света, проходящий через границу раздела двух сред, оказывается разложенным на совокупность монохроматических лучей. Попадая на экран, эти лучи образуют дисперсионный спектр –ряд разноцветных полос.

Дисперсия света (разложение света; светорассеяние) — это разложение света в спектр, обусловленное зависимостью показателя преломления среды от частоты световой волны.

Дисперсия света — это совокупность явлений, обусловленных зависимостью абсолютного показателя преломления от частоты колебаний (длины волны) света.

Примеры:

Разноцветность радуги объясняется сложным составом белого света, испускаемого Солнцем, и явлением дисперсии – зависимостью показателя преломления n вещества (в случае капли – воды) от длины волны  излучения.

На явлении дисперсии основано применение жидких кристаллов, обладающих свойствами как жидкостей (текучесть), так и кристаллов (анизотропия). Проходя через жидкий кристалл, свет распадается на два луча: распространяющийся обычно и преломленный. С их помощью обнаруживают пары вредных химических соединений, гамма- и ультрафиолетовые излучения.

Применяют в информационной технике (жидкокристаллические индикаторы и экраны), в медицине, в микросхемах, на производстве. Например, жидкие кристаллы применяются в производстве «умного стекла», способного изменять опалесценцию и коэффициенты светопропускания и поглощения тепла.

В «кольце настроения» под слоем стекла или пластика находятся жидкие кристаллы, поэтому оно меняет цвет в зависимости от температуры. [Никитин, 144, 160 стр.]