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.

Сейчас речь пойдет о геометрической оптике. В этом разделе много времени уделяется такому объекту, как линза. Ведь она может быть разной. При этом формула тонкой линзы одна на все случаи. Только нужно знать, как ее правильно применить.

Виды линз

Ею всегда является прозрачное для тело, которое имеет особенную форму. Внешний вид объекта диктуют две сферические поверхности. Одну из них допускается заменить на плоскую.

Причем у линзы может оказаться толще середина или края. В первом случае она будет называться выпуклой, во втором — вогнутой. Причем в зависимости от того, как сочетаются вогнутые, выпуклые и плоские поверхности, линзы тоже могут быть разными. А именно: двояковыпуклыми и двояковогнутыми, плосковыпуклыми и плосковогнутыми, выпукло-вогнутыми и вогнуто-выпуклыми.

В обычных условиях эти объекты используются в воздухе. Изготавливают их из вещества, которого больше, чем у воздуха. Поэтому выпуклая линза будет собирающей, а вогнутая — рассеивающей.

Общие характеристики

До того, как говорить о формуле тонкой линзы , нужно определиться с основными понятиями. Их обязательно нужно знать. Поскольку к ним постоянно будут обращаться различные задачи.

Главная оптическая ось — это прямая. Она проведена через центры обеих сферических поверхностей и определяет место, где находится центр линзы. Существуют еще дополнительные оптические оси. Они проводятся через точку, являющуюся центром линзы, но не содержат центры сферических поверхностей.

В формуле тонкой линзы есть величина, определяющая ее фокусное расстояние. Так, фокусом является точка на главной оптической оси. В ней пересекаются лучи, идущие параллельно указанной оси.

Причем фокусов у каждой тонкой линзы всегда два. Они расположены по обе стороны от ее поверхностей. Оба фокуса у собирающей действительные. У рассеивающей — мнимые.

Расстояние от линзы до точки фокуса — это фокусное расстояние (буква F ) . Причем его значение может быть положительным (в случае собирающей) или отрицательным (для рассеивающей).

С фокусным расстоянием связана еще одна характеристика — оптическая сила. Ее принято обозначать D. Ее значение всегда - величина, обратная фокусу, то есть D = 1/ F. Измеряется оптическая сила в диоптриях (сокращенно, дптр).

Какие еще обозначения есть в формуле тонкой линзы

Помимо уже указанного фокусного расстояния, потребуется знать несколько расстояний и размеров. Для всех видов линз они одинаковые и представлены в таблице.

Все указанные расстояния и высоты принято измерять в метрах.

В физике с формулой тонкой линзы связано еще понятие увеличения. Оно определяется как отношение размеров изображения к высоте предмета, то есть H/h . Его можно обозначить буквой Г.

Что нужно для построения изображения в тонкой линзе

Это необходимо знать, чтобы получить формулу тонкой линзы, собирающей или рассеивающей. Чертеж начинается с того, что обе линзы имеют свое схематическое изображение. Обе они выглядят как отрезок. Только у собирающей на его концах стрелки направлены наружу, а у рассеивающей - внутрь этого отрезка.

Теперь к этому отрезку необходимо провести перпендикуляр к его середине. Так будет изображена главная оптическая ось. На ней с обеих сторон от линзы на одинаковом расстоянии полагается отметить фокусы.

Предмет, изображение которого требуется построить, рисуется в виде стрелки. Она показывает, где находится верх предмета. В общем случае предмет помещается параллельно линзе.

Как построить изображение в тонкой линзе

Для того чтобы построить изображение предмета, достаточно найти точки концов изображения, а потом их соединить. Каждая из этих двух точек может получиться от пересечения двух лучей. Наиболее простыми в построении являются два из них.

Идущий из указанной точки параллельно главной оптической оси. После соприкосновения с линзой он идет через главный фокус. Если речь идет о собирающей линзе, то этот фокус находится за линзой и луч идет через него. Когда рассматривается рассеивающая, то луч нужно провести так, чтобы его продолжение проходило через фокус перед линзой.

Идущий непосредственно через оптический центр линзы. Он не изменяет за ней своего направления.

Бывают ситуации, когда предмет поставлен перпендикулярно главной оптической оси и заканчивается на ней. Тогда достаточно построить изображение точки, которая соответствует краю стрелки, не лежащей на оси. А потом провести из нее перпендикуляр к оси. Это и будет изображение предмета.

Пересечение построенных точек дает изображение. В тонкой собирающей линзе получается действительное изображение. То есть оно получается непосредственно на пересечении лучей. Исключением является ситуация, когда предмет помещен между линзой и фокусом (как в лупе), тогда изображение оказывается мнимым. У рассеивающей же оно всегда получается мнимым. Ведь оно получается на пересечении не самих лучей, а их продолжений.

Действительное изображение принято чертить сплошной линией. А вот мнимое - пунктиром. Связано это с тем, что первое на самом деле там присутствует, а второе только видится.

Вывод формулы тонкой линзы

Это удобно сделать на основе чертежа, иллюстрирующего построение действительного изображения в собирающей линзе. Обозначение отрезков указано на чертеже.

Раздел оптики не зря называется геометрической. Потребуются знания именно из этого раздела математики. Для начала необходимо рассмотреть треугольники АОВ и А 1 ОВ 1 . Они подобны, поскольку в них имеется по два равных угла (прямые и вертикальные). Из их подобия следует, что модули отрезков А 1 В 1 и АВ относятся как модули отрезков ОВ 1 и ОВ.

Подобными (на основании того же принципа по двум углам) оказываются еще два треугольника: COF и A 1 FB 1 . В них равны отношения уже таких модулей отрезков: А 1 В 1 с СО и FB 1 с OF. Исходя из построения равными будут отрезки АВ и СО. Поэтому левые части указанных равенств отношений одинаковые. Поэтому равны и правые. То есть ОВ 1 / ОВ равно FB 1 / OF.

В указанном равенстве отрезки, обозначенные точками, можно заменить на соответствующие физические понятия. Так ОВ 1 — это расстояние от линзы до изображения. ОВ является расстоянием от предмета до линзы. OF — фокусное расстояние. А отрезок FB 1 равен разности расстояния до изображения и фокуса. Поэтому его можно переписать по-другому:

f / d = ( f - F ) / F или Ff = df - dF.

Для вывода формулы тонкой линзы последнее равенство необходимо разделить на dfF. Тогда получается:

1/ d + 1/f = 1/F.

Это у есть формула тонкой собирающей линзы. У рассеивающей фокусное расстояние отрицательное. Это приводит к изменению равенства. Правда, оно незначительное. Просто в формуле тонкой рассеивающей линзы стоит минус перед отношением 1/ F. То есть:

1/ d + 1/f = - 1/F.

Задача о нахождении увеличения линзы

Условие. Фокусное расстояние собирающей линзы равно 0,26 м. Требуется вычислить ее увеличение, если предмет находится на расстоянии 30 см.

Решение. Его начать стоит с введения обозначений и перевода единиц в Си. Так, известны d = 30 см = 0,3 м и F = 0,26 м. Теперь нужно выбрать формулы, основная из них та, которая указана для увеличения, вторая — для тонкой собирающей линзы.

Их нужно как-то объединить. Для этого придется рассмотреть чертеж построения изображения в собирающей линзе. Из подобных треугольников видно, что Г = H/h = f/d. То есть для того, чтобы найти увеличение, придется вычислить отношение расстояния до изображения к расстоянию до предмета.

Второе известно. А вот расстояние до изображения полагается вывести из формулы, указанной ранее. Получается, что

f = dF / ( d - F ).

Теперь эти две формулы необходимо объединить.

Г = dF / ( d ( d - F )) = F / ( d - F ).

В этот момент решение задачи на формулу тонкой линзы сводится к элементарным расчетам. Осталось подставить известные величины:

Г = 0,26 / (0,3 - 0,26) = 0,26 / 0,04 = 6,5.

Ответ: линза дает увеличение в 6,5 раз.

Задача, в которой нужно найти фокус

Условие. Лампа расположена в одном метре от собирающей линзы. Изображение ее спирали получается на экране, отстоящем от линзы на 25 см. Вычислите фокусное расстояние указанной линзы.

Решение. В данные полагается записать такие величины: d =1 м и f = 25 см = 0,25 м. Этих сведений достаточно, чтобы из формулы тонкой линзы вычислить фокусное расстояние.

Так 1/ F = 1/1 + 1/0,25 = 1 + 4 = 5. Но в задаче требуется узнать фокус, а не оптическую силу. Поэтому остается только разделить 1 на 5, и получится фокусное расстояние:

F = 1/5 = 0, 2 м.

Ответ: фокусное расстояние собирающей линзы равно 0,2 м.

Задача о нахождении расстояния до изображения

Условие . Свечку поставили на расстоянии 15 см от собирающей линзы. Ее оптическая сила равна 10 дптр. Экран за линзой поставлен так, что на нем получается четкое изображение свечи. Чему равно это расстояние?

Решение. В краткую запись полагается записать такие данные: d = 15 см = 0,15 м, D = 10 дптр. Формулу, выведенную выше, нужно записать с небольшим изменением. А именно, в правой части равенства поставить D вместо 1/ F.

После нескольких преобразований получается такая формула для расстояния от линзы до изображения:

f = d / ( dD - 1).

Теперь необходимо подставить все числа и сосчитать. Получается такое значение для f: 0,3 м.

Ответ: расстояние от линзы до экрана равно 0,3 м.

Задача о расстоянии между предметом и его изображением

Условие. Предмет и его изображение отстоят друг от друга на 11 см. Собирающая линза дает увеличение в 3 раза. Найти ее фокусное расстояние.

Решение. Расстояние между предметом и его изображением удобно обозначить буквой L = 72 см = 0,72 м. Увеличение Г = 3.

Здесь возможны две ситуации. Первая — предмет стоит за фокусом, то есть изображение получается действительное. Во второй — предмет между фокусом и линзой. Тогда изображение с той же стороны, что и предмет, причем мнимое.

Рассмотрим первую ситуацию. Предмет и изображение находятся по разные стороны от собирающей линзы. Здесь можно записать такую формулу: L = d + f. Вторым уравнением полагается записать: Г = f / d. Необходимо решить систему этих уравнений с двумя неизвестными. Для этого заменить L на 0,72 м, а Г на 3.

Из второго уравнения получается, что f = 3 d. Тогда первое преобразуется так: 0,72 = 4 d. Из него легко сосчитать d = 0, 18 (м). Теперь легко определить f = 0,54 (м).

Осталось воспользоваться формулой тонкой линзы, чтобы вычислить фокусное расстояние. F = (0,18 * 0,54) / (0,18 + 0,54) = 0,135 (м). Это ответ для первого случая.

Во второй ситуации — изображение мнимое, и формула для L будет другой: L = f - d. Второе уравнение для системы будет тем же. Аналогично рассуждая, получим, что d = 0, 36 (м), а f = 1,08 (м). Подобный расчет фокусного расстояния даст такой результат: 0,54 (м).

Ответ: фокусное расстояние линзы равно 0,135 м или 0,54 м.

Вместо заключения

Ход лучей в тонкой линзе — это важное практическое приложение геометрической оптики. Ведь их используют во многих приборах от простой лупы до точных микроскопов и телескопов. Поэтому знать о них необходимо.

Выведенная формула тонкой линзы позволяет решать множество задач. Причем она позволяет делать выводы о том, какое изображение дают разные виды линз. При этом достаточно знать ее фокусное расстояние и расстояние до предмета.

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?

Существует два условно разных типа задач:

• задачи на построение в собирающей и рассеивающей линзах
• задачи на формулу для тонкой линзы

Первый тип задач основан на фактическом построении хода лучей от источника и поиска пересечения преломлённых в линзах лучей. Рассмотрим ряд изображений, полученных от точечного источника, который будем помещать на различных расстояниях от линз. Для собирающей и рассеивающей линзу существуют рассмотренные (не нами) траектории распространения луча (рис. 1) от источника .

Рис.1. Собирающая и рассеивающая линзы (ход лучей)

Для собирающей линзы (рис. 1.1) лучи:

1. синий. Луч, идущий вдоль главной оптической оси, после преломления проходит через передний фокус.
2. красный. Луч, идущий через передний фокус, после преломления распространяется параллельно главной оптической оси.

Пересечение любых из этих двух лучей (чаще всего выбирают лучи 1 и 2) дают ().

Для рассеивающей линзы (рис. 1.2) лучи:

1. синий. Луч, идущий параллельно главной оптической оси, преломляется так, что продолжения луча проходит через задний фокус.
2. зелёный. Луч, проходящий через оптический центр линзы, не испытывает преломления (не отклоняется от первоначального направления).

Пересечение продолжений рассмотренных лучей даёт ().

Аналогично , получим набор изображений от предмета, расположенного на различных расстояниях от зеркала. Введём те же обозначения: пусть — расстояние от предмета до линзы, — расстояние от изображения до линзы, — фокусное расстояние (расстояние от фокуса до линзы).

Для собирающей линзы :

Рис. 2. Собирающая линза (источник в бесконечности)

Т.к. все лучи, идущие параллельно главной оптической оси линзы, после преломления в линзе проходят через фокус, то точка фокуса и является точкой пересечения преломлённых лучей, тогда она же и есть изображение источника (точечное, действительное ).

Рис. 3. Собирающая линза (источник за двойным фокусом)

Воспользуемся ходом луча, идущего параллельно главной оптической оси (отражается в фокус) и идущего через главный оптический центр линзы (не преломляется). Для визуализации изображения введём описание предмета через стрелку. Точка пересечения преломившихся лучей — изображение (уменьшенное, действительное, перевёрнутое ). Положение — между фокусом и двойным фокусом.

Рис. 4. Собирающая линза (источник в двойном фокусе)

того же размера, действительное, перевёрнутое ). Положение — ровно в двойном фокусе.

Рис. 5. Собирающая линза (источник между двойным фокусом и фокусом)

Воспользуемся ходом луча, идущего параллельно главной оптической оси (отражается в фокус) и идущего через главный оптический центр линзы (не преломляется). Точка пересечения преломившихся лучей — изображение (увеличенное, действительное, перевёрнутое ). Положение — за двойным фокусом.

Рис. 6. Собирающая линза (источник в фокусе)

Воспользуемся ходом луча, идущего параллельно главной оптической оси (отражается в фокус) и идущего через главный оптический центр линзы (не преломляется). В этом случае, оба преломлённых луча оказались параллельными друг другу, т.е. точка пересечения отражённых лучей отсутствует. Это говорит о том, что изображения нет .

Рис. 7. Собирающая линза (источник перед фокусом)

Воспользуемся ходом луча, идущего параллельно главной оптической оси (отражается в фокус) и идущего через главный оптический центр линзы (не преломляется). Однако преломлённые лучи расходятся, т.е. сами преломлённые лучи не пересекутся, зато могут пересечься продолжения этих лучей. Точка пересечения продолжений преломлённых лучей — изображение (увеличенное, мнимое, прямое ). Положение — по ту же сторону, что и предмет.

Для рассеивающей линзы построение изображений предметов практически не зависит от положения предмета, так что ограничимся произвольным положением самого предмета и характеристикой изображения.

Рис. 8. Рассеивающая линза (источник в бесконечности)

Т.к. все лучи, идущие параллельно главной оптической оси линзы, после преломления в линзе должны проходить через фокус (свойство фокуса), однако после преломления в рассеивающей линзе лучи должны расходится. Тогда в фокусе сходятся продолжения преломившихся лучей. Тогда точка фокуса и является точкой пересечения продолжений преломлённых лучей, т.е. она же и есть изображение источника (точечное, мнимое ).

• любое другое положение источника (рис. 9).

Приборы и принадлежности : оптическая скамья, осветитель с матовым или молочным стеклом, ползушка с линзой, экран, собирающая и рассеивающая линзы, линейка с миллиметровыми делениями.

Цель работы : определение фокусного расстояния собирающей линзы.

Краткая теория

Ввиду малости световых волн (диапазон видимого спектра 400-700 нм), оказывается возможным выделить из широкого потока света сравнительно узкую ее часть без существенного нарушения прямолинейности распространения, вследствие дифракции. Такой прямолинейно распространяющийся узкий пучок света называется световым лучом. Световыми лучами можно управлять с помощью линз, зеркал, призм и т.д.

Линзой называется прозрачное тело, ограниченное двумя сферическими поверхностями. Линия, проходящая через центры этих поверхностей, называется главной оптической осью . В дальнейшем мы будем иметь в виду лучи, проходящие вблизи главной оптической оси (параксиальные лучи). Все лучи, параллельные главной оптической оси, пересекаются в одной и той же точке оси F - главном фокусе . Точка линзы (точка O на рис. 1), проходя через которую лучи не изменяют своего направления, называется оптическим центром линзы . Расстояние между главным фокусом и оптическим центром называется главным фокусным расстоянием .

В формулах, связывающих геометрические параметры оптической системы, принято правило знаков, согласно которому линейные размер считается отрицательным, если отрезок, его выражающий, располагается по ту сторону линзы, откуда распространяется свет и положительным, если отрезок лежит в стороне, куда распространяется свет. В первом случае значение величины входит в формулу со знаком минус (например: s = -|s| на рис. 1), во втором - со знаком плюс (s 1 = |s 1 | ). Таким образом, все отрезки в оптической системе являются алгебраическими величинами.

На рис. 1 показаны основные точки оптической системы и даны основные определения: AA 1 - главная оптическая ось; F и F 1 - передний и задний фокусы оптической системы; f и f 1 - переднее и заднее фокусные расстояния; s и s 1 - расстояния от линзы до предмета и до изображения; y и y 1 - поперечные размеры предмета и изображения.

Величину Φ=1/f 1 называют оптической силой линзы , которую измеряют в диоптриях (дптр): 1 дтпр = 1 м -1 . Величину β = y 1 /y называют линейным или поперечным увеличением линзы . Можно показать, что β = s 1 /s .

Фокусное расстояние можно вычислить по формуле:

где f 1 - заднее фокусное расстояние, n - показатель преломления вещества линзы; R 1 и R 2 - радиусы сферических поверхностей линзы.

Плоскость, проходящая через главный фокус перпендикулярно главной оптической оси, называется фокальной плоскостью . В точках этой плоскости (побочных фокусах), пересекаются пучки параллельных лучей, идущих под некоторым углом к главной оптической оси.

Определение знака фокусного расстояния подчиняется правилу знаков. При построение изображений, получаемых с помощью собирающих линз, пользуются фокусами от линзы со стороны, противоположной предмету. Поэтому фокусное расстояние собирающей линзы имеет положительное значение. При построении мнимых изображений, получаемых с помощью рассеивающих линз, используется фокус, лежащий от линзы по туже сторону, что и предмет. Поэтому фокусное расстояние рассеивающей линзы имеет отрицательное значение.

Описание аппаратуры и метода измерений

Горизонтальная оптическая скамья составлена из двух параллельных металлических стержней, свободно входящих своими концами в трубки, благодаря чему скамья может быть раздвинута на необходимую длину. Так как стержни и трубки имеют различную толщину, то прибор снабжен ползунками двойного рода: одни предназначены для стержней, другие для трубок.

На одном из концов скамьи установлен экран с круглым осветителем, на котором изображена стрелка, служащая предметом. Отверстие со стрелкой освещается фонарем, снабженным матовым стеклом.

Изображение A 1 B 1 (A 2 B 2) предмета AB , полученное с помощью линзы, рассматривается на экране, помещенном на противоположном конце скамьи. Линзы устанавливаются на такой высоте, при которой перекресток оказывается лежащим на уровне главной оптической оси линзы. Плоскость экрана должна быть перпендикулярна этой оси. Расстояние между приборами измеряется при помощи линейки с миллиметровыми делениями, прикрепленной к скамье.

Главное фокусное расстояние линзы можно определить непосредственно, измеряя расстояние от линзы до предмета и до изображения, воспользовавшись затем уравнением (1).

Однако величины s и s 1 измерить точно нельзя, в силу того, что в общем случае оптический центр линзы не совпадает с центром симметрии и найти его положение трудно.

Рис. 2

Поэтому мы будем пользоваться более совершенным методом, называемым методом Бесселя. Сущность этого метода заключается в следующем. Если расстояние L от предмета до экрана больше 4f , то всегда можно найти два таких положения линзы (рис. 2), при котором на экране получается отчетливые изображения предмета: в одном случае - рис. 2a) - увеличенное, в другом - рис. 2b) - уменьшенное.

В первом положении линзы можно выразить фокусное расстояние, пользуясь формулой (1), соблюдая при этом правило знаков (обозначения указаны на рис.2):

(2)

Аналогично для второго положения:

(3)

Каждая из сумм в знаменателе правой части равенства (2) и (3) равна расстоянию L между предметом и экраном, поэтому:

В таком случае должны быть равны и числители правой части равенств (2) и (3)

(5)

Однако совместное существование равенств (4) и (5) возможно лишь при условии, если s=t , s 1 =t 1 или s=t 1 , t=s 1 . Первое невозможно по условию опыта. Следовательно, остается в силе лишь второе условие.

Обозначим расстояние между оптическими центрами линзы в I и II положениях через l . Тогда из рис. 2 видно, что

Расстояние

Воспользовавшись формулой (2), выразим фокусное расстояние линзы:

Задача, таким образом, сводится к измерению перемещения любой точки линзы или даже подставки, на которой линза закреплена.

Порядок выполнения работы

• Установить предмет и экран на расстоянии L (по указанию преподавателя), поместить между ними линзу и, передвигая её, добиться получения на экране вполне отчетливого изображения (например, увеличенного). Отметить по шкале положение линзы или какой-нибудь точки ползунка относительно экрана (или предмета)
• Передвигая линзу, добиться второго отчетливого изображения предмета (уменьшенного) и вновь отметить положение линзы на шкале.
• Измерить расстояние l между отметками, соответствующими двум положениям линзы.
• Установки и измерения повторить 5 раз.
• Изменить расстояние L между экраном и предметом.
• Все результаты измерения занести в таблицу 1.

N опыта	l , см	Δl , см	L , см	ΔL , см
Среднее

Таблица 1

Определение главного фокусного расстояния рассеивающей линзы

Приборы и принадлежности : оптическая скамья, осветитель с матовым стеклом, ползушка с рассеивающей линзой, линейка с миллиметровыми делениями.

Цель работы : определение фокусного расстояния рассеивающей линзы.

Описание метода

Рис. 3

Если на пути лучей, выходящих из точки М и сходящихся после преломления в линзе BB в точке D (рис. 3), поставить рассевающую линзу СС так, чтобы её расстояние от точки D было меньше её фокусного расстояния, то изображение точки М удалиться от линзы ВВ , переместившись в точку Е .

Основываясь на принципе обратимости световых лучей в системах линз, мы можем рассматривать лучи, изображенные на рис. 3, как выходящие из точки Е и собирающиеся в точке М . Тогда точка D будет мнимым изображением точки Е после преломления лучей в рассевающей линзе СС .

Обозначая расстояния точек Е и D от линзы до СС соответственно через s и s" можно, пользуясь формулой (1), вычислить фокусное расстояние рассеивающей линзы, учитывая при этом, что, согласно правилу знаков, числовые значения s и s" войдут в формулу (1) со знаком минус.

Порядок выполнения работы

• Поместить на оптическую скамью линзу и экран. Передвигая экран, добиться отчетливого изображения предмета.
• Установить между собирающей линзой и экраном рассеивающую линзу и, смещая экран в сторону свободного конца скамьи, убедиться в возможности получения при данном расположении приборов отчетливого действительного изображения с рассеивающей линзой.
• После этого снять рассеивающую линзу и, вновь передвигая экран, получить резкое изображение с одной собирающей линзой.
• Изменить расстояние МD , соответствующее первому положению экрана. Сдвинуть экран и установить вновь. Произвести повторное измерение. Установку экрана и измерения повторить 5 раз.
• Поставить на скамью рассеивающую линзу и, сдвигая экран, вновь получите резкое изображение предмета.
• Измерить расстояния от предмета до рассеивающей линзы и нового положения экрана. Установку и измерения повторить 5 раз.

Обработка результатов измерений

N опыта	L 0 , см	ΔL 0 , см	L 1 , см	ΔL 1 , см	L 2 , см	ΔL 2 , см
Среднее

Таблица 2

Контрольные вопросы

• Что называется главным фокусным расстоянием линзы?
• В чем состоит правило знаков?
• Напишите формулу тонкой линзы.
• Объясните способ Бесселя. В чем его преимущество?
• В чем заключается принцип обратимости световых лучей?

Литература

• Савельев И.В. Курс общей физики. - М.: Наука, 1998, т. 4, §3.6, §3.7, §3.8.
• Иродов И.Е. Волновые процессы. Основные законы. - М.: Лаборатория Базовых Знаний, 1999, §3.3