Вимірювання f лінз
Лабораторна робота №2
Вимірювання фокусних відстаней лінз.
Мета роботи. ознайомлення з методом визначення фокусних відстаней лінз.
Устаткування: оптична лава, лінзи, тримачі для лінз.
Елементарна теорія тонких лінз призводить до простих співвідношенням між фокусною відстанню тонкої лінзи F з одного боку, і відстанями від лінзи до предмета d і до його зображення f - з іншого. Простий виявляється також зв'язок між розмірами об'єкта, його зображення, що дається лінзою, і їх відстанями до лінзи.
Визначаючи на досвіді ці величини, неважко по співвідношенням, які наводяться нижче, обчислити фокусна відстань тонкої лінзи з точністю цілком достатньою для більшості випадків.
1.Визначення фокусної відстані збиральної лінзи
Якщо не брати до уваги важко здійсненного безпосереднього вимірювання фокусної відстані при користуванні точковим джерелом світла або паралельними пучками променів, то визначення Fможет бути виконано наступним чином:
а) на підставі формули, що зв'язує фокусна відстань F з відстанню до предметаd і його ізображеніяf від лінзи
б) на підставі формули, що зв'язує F з величиною предметаX і з величиною ізображеніяY і з расстояніемd
в) за способом зміщення, запропонованого Бесселя і що полягає в наступному:
якщо відстань від предмета до екрана (див. рис. 1) L превишает4F,
Мал. 1. Розташування оптичних елементів
то знайдуться такі два положення лінзи Л1 ІЛ2. при яких на екрані виходять виразні зображення, в одному випадку збільшене, в іншому - зменшене.
Позначимо для одного положення лінзи (Л1) відстані від неї до предмета і екрана черезd1 іf1. а для іншого - черезd2 іf2. Так як відстань між предметом і екраном залишається при переміщеннях лінзи постійним, то
Звідси і на підставі формули (1) випливає, що
Спільне існування рівності (3) і (4) можливо, або якщо d1 = d2 іf1 = f2. чого не може бути по суті досвіду, або есліd1 = f2 і d2 = f1. Інакше кажучи, що розглядаються положення лінзи такі, що відстань її до екрану при одному положенні дорівнює відстані її від предмета при іншому положенні.
Позначивши відстань між обома положеннями лінзи через l. легко переконається, що коли лінза ближче до предмету
а коли вона ближче до екрану, то
Формула (1) дає для обох випадків
Для визначення фокусної відстані збиральної лінзи зазначеними способами лінза поміщається в спеціальному утримувачі на повзунку на оптичну лаву. У передній стінці освітлювача є виріз, освітлюваний зсередини лампочкою. У виріз вставлено скло з зображеної на ньому стрілкою, яка виконує роль розглянутого предмета. Зображення предмета виходить за допомогою досліджуваної лінзи на екрані, розташованому також на повзунку на лаві.
Лінза встановлюється так, щоб центр її знаходився на одній висоті з серединою стрілки. Площина екрану розташовують перпендикулярно до довжини оптичної лави і паралельно склу зі стрілкою.
Відстані між приладами відраховуються за шкалою, розташованої уздовж оптичної лави, за допомогою покажчиків, розташованих на повзунках.
Визначення F збиральної лінзи проводять всіма трьома описаними способами, причому досвід повторюється в кожному випадку кілька разів при різних положеннях екрану. За формулами (1), (2), (7) вичісляютF лінзи. Результати вимірювань і обчислень вносять в таблиці:
З отриманих за формулами (1), (2) і (7) значень фокусної відстані лінзи знаходять середнє значення Fср лінзи. Остаточний результат записують у вигляді
.
2. Визначення фокусної відстані розсіює лінзи
Так як рассеивающая лінза не дає дійсного зображення предмета на екрані, до неї можна приєднати збірну лінзу, таку, щоб отримана система лінз була збирає і давала б дійсне зображення предмета. Цим і користуються при визначенні фокусної відстані розсіює лінзи.
Між предметом S і екраном (див. Рис. 2) ставлять спочатку тільки збиральну лінзу Л1
і наголошують на тому положення екрану S1, при якому на ньому виходить чітке зображення предмета. Далі між екраном і збиральної лінзою поміщають досліджувану розсіюють лінзуЛ2. Чіткість зображення на екрані при цьому порушується. Переміщаючи екран, знову відновлюють чіткість зображення. Відзначають нове положення екрану S2. можна сказати, що для розсіює лінзи «предметом» є зображення, що дається збиральної лінзою при становище екранаS1. Тому відстань від розсіює лінзи до першого положення екрану буде для цієї лінзи расстояніемd1. Відстань же від розсіює лінзи до другого положення екранаS2 дає для неї велічінуf1.
За формулою визначають фокусна відстань розсіює лінзи, враховуючи при цьому, що f1 - негативно. Фокусна відстань розсіює лінзи також негативно.
Досвід повторюють кілька разів.
Результати вимірювань і обчислень вносять в таблицю
1. Які основні фізичні характеристики тонких лінз?
2. Який з розглянутих способів визначення F збиральної лінзи найбільш точний?
3. Які робляться допущення при застосуванні зазначених формул в даній роботі?
4. Від чого залежить дія лінзи, тобто буде дана лінза збирає або розсіює?
5. Дайте різні випадки побудови зображень в тонких лінзах (збірних і розсіюють).
6. Вивести співвідношення (2).
С.З. Фріш і А.В. Тіморева, Курс фізики, т.3, ГІТТЛ, 1957р.
Фізичний практикум під ред. В.І. Івероновой, «Наука», 1968 р.