Определение фокусных расстояний и положений главных плоскостей двухлинзовой оптической системы

Цель работы: исследование двухлинзовой оптической системы.

Теоретические положения

 

Перед ознакомлением с данной лабораторной работой следует изучить теоретические положения к лабораторной работе № 3.21, где приведены основные определения из курса геометрической оптики и свойства линзовой системы.

Настоящая работа использует метод отрезков для тонких линз, позволяющий определить фокусное расстояние положительной (рис. 3.22.1) и отрицательной (рис. 3.22.2) линз по формуле линзы (3.22.1):

(3.2.1)

 

 

Рис. 3.22.1. Ход лучей в собирающей линзе.

 

В случае с положительной линзой ее следует передвигать вдоль оптической скамьи для получения четкого изображения предмета (увеличенного или уменьшенного), после чего измеряются расстояния s ' и s, позволяющие вычислить f по формуле (3.22.1).

Определение фокусного расстояния отрицательной линзы затрудняется тем, что она всегда дает только мнимое изображение предмета (рис. 3.22.2)

Рис. 3.22.2. Ход лучей в рассеивающей линзе.

Для получения действительного изображения используется вспомогательная положительная линза. Сначала для положительной линзы получают четкое изображение источника на экране, измеряя расстояние s₁ от линзы до экрана, затем между положительной линзой и экраном помещают отрицательную линзу, передвигая тем самым действительное изображение на расстояние s₂ от положительной линзы до экрана, делая точку s₁ мнимым источником (рис. 3.22.3).

Измерение координат действительных изображений, получаемых до и после установки рассеивающей линзы, а также расстояния между линзами, позволяет определить длины отрезков s и s ' и по формуле (3.22.1) рассчитать фокусное расстояние отрицательной линзы.

Данная работа проводится на лабораторной установке РМС4.

 

Рис. 3.22.3. Измерение фокусного расстояния отрицательной линзы.

 

Порядок выполнения работы

 

1. Прочесть инструкцию на рабочем месте.

2. Для тонкой собирающей линзы провести измерение расстояний s от осветителя до линзы и s ' от линзы до экрана при ее передвижении вдоль оптической скамьи до получения четкого изображения излучающей площадки светодиодов на экране. При фиксированных положениях предмета и экрана измерения повторить несколько раз.

3. Для определения фокусного расстояния рассеивающей линзы провести измерения положений действительных изображений в случае положительной линзы – s₁ и в двухлинзовой системе – координату s ₂ (рис. 3.22.3), а также расстояние между линзами, соответствующее координате s ₂.

4. С помощью линейки измерить расстояние между центрами лампочек осветителя h. При расположении соприкасающихся линз на расстояниях от двухлинзовой системы до осветителя, равном фокусному расстоянию первой линзы, и от линзы до экрана, равном фокусному расстоянию второй линзы, измерить размер изображения – расстояние между центрами изображений светодиодов на экране (окружностей) h₁.

5. Проверить постоянство величины линейного увеличения двухлинзовой системы при одинаковом сдвиге второй линзы и экрана, когда ход лучей между линзами будет параллельным.

6. Исследовать влияние аналогичного сдвига отрицательной линзы, поставив ее на место второй линзы, на линейное увеличение системы.

7. Зная фокусные расстояния обеих линз, можем определить положение главных плоскостей системы. Когда двухлинзовая система находится в состоянии, соответствующем пункту 2, и положение главных плоскостей отсчитывается от экрана, оно равно фокусному расстоянию второй линзы. При сдвиге линзовой системы необходимо учитывать сдвиг главного фокуса при определении положения главных плоскостей.

8. Исследовать зависимость положения главных плоскостей от передвижении второй линзы (положительной и отрицательной) вдоль оптической скамьи.

 

 

Обработка результатов

1. Рассчитать фокусные расстояния исследуемых положительных и отрицательных линз по методу отрезков. Найти средние значения фокусных расстояний и оценить случайную ошибку измерений.

2. Рассчитать линейное увеличение системы Г по формуле (2):

 

Г = h ₁ / h = s ' / s, (2)

 

3. Определить положение главных плоскостей системы линз и исследовать изменение координат от сдвига второй линзы в системе.

 

Контрольные вопросы

1. Как определяются фокусные расстояния положительной и отрицательной линз?

2. Что такое линейное увеличение системы?

 

Литература

 

1. Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики. Учеб пособие для втузов. – М: Высш. Шк., 1989. – 608 с.

2. Савельев И.В. Курс общей физики. Т.2.Учеб. пособие для студентов втузов. – М.: КНОРУС, 2009, 576 с.

3. Трофимова Т.И. Курс физики. Учеб. пособие для вузов.- 15-е изд., стереотип. –М.: Издательский центр «Академия», 2007. –560 с.

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3.23