Інформація для вчителів
Застосування
Побудова зображення в опуклих лінзах
Опукла лінза, яку також називають збиральною лінзою, застосовується головним чином у видимому діапазоні довжин хвиль. Світло, що падає паралельно до оптичної осі, збирається у фокальній площині опуклої лінзи.
Лінзи - найважливіші елементи оптичних систем; їх використовують, наприклад, у фотооб'єктивах, об'єктивах мікроскопів і зорових труб, а також у відповідних окулярах.
Інша інформація для вчителя (1/4)
Попередні знання
Учні мають перед цим засвоїти основи прямолінійного поширення, відбивання та заломлення світла, а також побудову точок зображення.
Принцип
Якщо предмет міститься за межами подвійної відстані (подвійної фокусної відстані ) від опуклої лінзи, то зображення лежить за (між одинарною і подвійною фокусною відстанню) і тим самим ближче до центра, ніж . Воно зменшене й обернене.
Інша інформація для вчителя (2/4)
Навчальна мета
Паралельно з покроковою побудовою точки зображення, яка виходить лише після повного виконання досліду, відбувається закріплення знань про хід вибраних пучків світла в опуклій лінзі. Крім того, цим дослідом на двох прикладах (геометричні побудови й підтвердження рівняння лінзи) стає зрозумілою роль математики для фізичного пізнання.
Завдання
Учні в цьому досліді мають за допомогою вибраних пучків світла та їхнього характерного ходу крізь опуклу лінзу виконати побудову зображення за заданого положення предмета. Крім того, унаочнюється робота лінзи в оці.
Інша інформація для вчителя (3/4)
Примітка
Дослід вимогливий щодо здібностей та експериментальних навичок учнів. Проте за ретельного юстування й точної експериментальної роботи він дає учневі великий пізнавальний зиск. Особливо тоді, коли відповідні досліди виконують на оптичній лаві.
Учневі перед виконанням досліду слід пояснити, що дійсне зображення може виникнути лише тоді, коли пучки світла, які виходять із точки предмета, після відбивання чи заломлення знову сходяться в одній точці. Щоб побудувати ці точки зображення, досить тому з нескінченної кількості пучків світла вибрати два і простежити їхній шлях від точки предмета до точки зображення. Для простоти для цього вибирають характерні пучки світла («головні промені»), а для перевірки слугує третій характерний пучок світла. Якщо положення предметної стрілки вибрано так, що вона «стоїть» перпендикулярно до оптичної осі, то для однозначної побудови зображення достатньо відобразити лише вістря предмета.
Інша інформація для вчителя (4/4)
Вказівки щодо складання та виконання
У цьому досліді слід звернути особливу увагу на точне юстування складених разом плоскоопуклих лінз (падіння пучка світла вздовж оптичної осі) і на точне положення освітлювача (наприклад, паралельно до оптичної осі) на окремих кроках досліду. Тому варто перед виконанням, можливо, накреслити тонкі допоміжні лінії, що виходять із вістря предметної стрілки. За таких умов можна очікувати високої відтворюваності результатів.
Використання двох плоскоопуклих лінз, складених плоскими поверхнями одна до одної, необхідне, щоб дістати достатньо малі фокусні відстані й тим самим уможливити побудову зображення на учнівському аркуші (DIN A4).
Правила безпеки
Для цього досліду діють загальні правила безпечного експериментування на уроках природничих наук.
Інформація для учнів
Мотивація
Опукла лінза, яку також називають збиральною лінзою, - це сферична (опукла назовні) лінза. Збиральні лінзи - одні з найважливіших елементів оптичних систем. Їх, наприклад, разом з іншими лінзами вбудовують в об'єктиви й окуляри мікроскопів, які відомі з уроків біології. Комбінація різних лінз дає збільшене зображення досліджуваного предмета.
Об'єктив мікроскопа
Завдання
Яке завдання має лінза в нашому оці?
- Досліди утворення зображення опуклою лінзою за допомогою вибраних пучків світла.
Схема досліду
Обладнання
| Позиція | Обладнання | Артикул | Кількість |
|---|---|---|---|
| 1 | Освітлювач галогенний, 12 В / 20 Вт | 09801-00 | 1 |
| 2 | Модельне тіло, плоскоопукле, f = +100 мм | 09810-04 | 2 |
| 3 | PHYWE Джерело живлення пост. струм: 0...12 В, 2 A / змін. струм: 6 В, 12 В, 5 A | 13506-93 | 1 |
Додаткове обладнання
| Позиція | Обладнання | Кількість |
|---|---|---|
| 1 | Лінійка (прибл. 30 см) | 1 |
| 2 | Білий папір (DIN A4) | 1 |
Складання (1/3)
Увага!
Стеж за тим, щоб обидві плоскоопуклі лінзи лежали плоскими поверхнями точно одна до одної на вертикальній лінії перехрестя ліній і щоб їхнє виюстуване положення не змінювалося під час пересування освітлювача.
Підготуй аркуш паперу так, як показано праворуч. Побудуй посередині прямокутне перехрестя ліній. Точка перетину лінії - .
Познач на вертикальній лінії по одній позначці на відстані 3 см від у кожен бік.
Підготовка
Складання (2/3)
Познач на відстані 5,8 см від точки і на оптичній осі.
Накресли на відстані 13 см ліворуч від точки червоним олівцем вертикальну стрілку завдовжки 1 см на оптичній осі (предметна стрілка ).
Накресли допоміжну лінію паралельно до оптичної осі, яка проходить через вістря предметної стрілки .
Підготовка
Складання (3/3)
- Поклади плоскоопуклі лінзи (шорстким боком донизу) плоскими поверхнями точно на вертикальну лінію перехрестя ліній між обома позначками.
- Встав однощілинну діафрагму в освітлювач з боку лінзи й постав його біля краю аркуша паперу.
Розміщення плоскоопуклих лінз
Виконання (1/3)
Виконання(1/3)
- Під'єднай освітлювач до блока живлення (12 В ~).
- Виюстуй свою дослідну установку так, щоб вузький пучок світла, який падає вздовж оптичної осі, після проходження крізь складені разом лінзи йшов далі по оптичній осі.
- Познач тонкою олівцевою лінією обриси лінзи.
Обведення лінзи
Виконання (2/3)
- Пересувай тепер освітлювач, доки вузький пучок світла не йтиме точно паралельно до оптичної осі вздовж допоміжної лінії.
- Познач хід падаючого й заломленого пучків світла.
- Потім повертай освітлювач, доки пучок світла не проходитиме через вістря стрілки і точку (фокус).
- Познач знову хід пучка світла перед лінзою і за нею.
Виконання (3/3)
- Насамкінець спрямуй пучок світла через вістря стрілки у напрямку центра на лінзу.
- Познач знову хід пучка світла перед лінзою і за нею.
- Вимкни блок живлення і зніми освітлювач та плоскоопуклі лінзи з паперу.
- З'єднай позначки, що належать одна одній, так щоб став видним хід пучків світла перед лінзою і за нею.
Повертання освітлювача
Протокол
Завдання 1
10°
Як пучки світла йдуть один щодо одного? Доповни наведений далі текст із пропусками. Пучки світла після заломлення ____ в точці ____ оптичної осі. Точка перетину трьох світлових променів ____ лінзою - це ____ вістря предметної стрілки.
Накресли перпендикулярну сполучну лінію від цієї точки перетину до оптичної осі й познач цю стрілку .
Завдання 2
Заповни текст із пропусками для дослідженого тобою випадку ( \overline{GM} = 13 см більш ніж удвічі більша за \overline{FM} = 5,8 см), з якого випливають положення, розмір і відстань зображення. Якщо предмет міститься ____ подвійної відстані \overline{MF} (подвійної фокусної відстані 2f ) від опуклої лінзи, то зображення лежить ____ F' (між одинарною і подвійною фокусною відстанню), тим самим ____ до центра, ніж G, воно зменшене й ____.
Завдання 3
Питання
Яке завдання має лінза в нашому оці?
Кришталик ока - це маленька опукла лінза. Тому для нього так само справджуються закон заломлення й закономірності про хід вибраних пучків світла. Оскільки спостережувані предмети завжди перебувають за межами подвійної фокусної відстані, унаслідок заломлення на кришталику ока на сітківці так само виходять зменшені, обернені зображення.
Завдання 4
Питання
Доповни речення:
Пучки світла, які падають на опуклу лінзу вздовж оптичної осі, не заломлюються (кут падіння = 0°) і тому й за лінзою йдуть далі по оптичній осі. «Основи» предметів, які «стоять» на оптичній осі,
Додаткове завдання
Для утворення зображення в опуклій лінзі справджується рівняння:
де f - фокусна відстань, g - відстань до предмета, а b - відстань до зображення. Перевір за цим рівнянням свої результати вимірювань.
Вказівка: це рівняння називають також формулою шліфувальників лінз; його, наприклад, у спрощеній формі використовують для розрахунку луп.
Лупа як приклад збиральної лінзи