Загальна інформація
Опис
Фотографія рефракційного телескопа
Оскільки людські очі мають обмежений розмір і частотну характеристику, наш зір обмежений певними відстанями і розмірами об'єктів. Мікроскопи дають нам змогу зазирнути в мікросвіт, телескопи переносять нас далеко за межі Землі до Всесвіту, а ендоскопи дають змогу нам досліджувати внутрішню частину тіла. Усе це можливо завдяки лінзам.
Лінза фокусує або заломлює світлові промені, що проходять крізь неї, і це означає, що промені нібито виходять із точки, яка знаходиться ближче або далі від того місця, звідки вони насправді виходять. Ось саме тому лінзи, видимі через об'єктив, здаються або більшими, або меншими, ніж вони є насправді. Її можна використовувати як окрему (одинарну) лінзу або як складну лінзу, що складається з декількох елементів.
Додаткова інформація (1/3)
попередні знання
Оскільки показник заломлення лінзи більший за показник заломлення повітря, відповідно до закону заломлення, світлові промені рухаються у напрямку до перпендикуляра при вході і від перпендикуляра при виході, залежно від форми лінзи. Точка, в якій промені перетинаються, називається фокусною точкою лінзи, а відстань від центру лінзи до її фокусної точки (фокуса) визначається як фокусна відстань лінзи .
Науковий принцип
- Коли світло проходить через опуклу лінзу, воно збирається в точку (фокус) перед лінзою, утворюючи дійсне зображення об'єкта. Фокусна відстань збиральної лінзи визначається як додатна.
- Якщо світло проходить через увігнуту лінзу, воно розходиться і здається, що виходить з певної точки на осі за лінзою, яка називається уявним зображенням. Фокусна відстань розсіювальної лінзи є від'ємною.
Додаткова інформація (2/3)
Мета навчання
Фокусні відстані невідомих лінз визначають методом Бесселя і шляхом вимірювання відстаней між зображенням і об'єктом. Потім з цими лінзами конструюють прості оптичні інструменти.
Завдання
- Визначте фокусну відстань двох невідомих опуклих лінз, вимірюючи відстань між зображенням і об'єктом.
- Визначте фокусну відстань опуклої лінзи та комбінації опуклої й увігнутої лінз методом Бесселя.
Додаткова інформація (3/3)
Завдання
3. Сконструюйте такі оптичні прилади:
- Слайд-проектор (необхідно визначити збільшення).
- Мікроскоп (необхідно визначити збільшення).
- Зорова труба Кеплера
- Телескоп Галілея (бінокль).
Правила техніки безпеки
Інструкції з техніки безпеки
- У цьому експерименті застосовуються загальні правила щодо безпечного проведення експериментів під час викладання природничих наук.
Теорія (1/8)
Залежність між фокусною відстанню лінзи, відстанню до об'єкта і відстанню до зображення визначається із законів геометричної оптики. Для побудови зображення використовуються три окремі промені: фокусний промінь, паралельний промінь і центральний промінь. За законами подібних трикутників,
і
де - розмір зображення і - розмір об'єкта. Шляхом перетворення отримуємо формулу лінзи:
або
Побудова зображення з трьома основними променями
Теорія (2/8)
Збільшення лінзи визначається співвідношенням між розміром об'єкта і розміром зображення :
Побудова зображення з трьома основними променями
Теорія (3/8)
Комбінація з двох лінз
Оскільки (відстань до об'єкта у випадку I = відстань до зображення у випадку II) і , отримуємо:
,
.
Вирішуючи рівняння для и отримуємо:
,
Визначення фокусної відстані методом Бесселя
Теорія (4/8)
Підставляючи у формулу лінзи, отримаємо:
.
Таким чином, фокусну відстань опуклої лінзи можна визначити за виміряними значеннями та .
Визначення фокусної відстані методом Бесселя
Теорія (5/8)
Якщо виміряти комбіновану фокусну відстань системи лінз, що складається з опуклої лінзи з виміряною фокусною відстанню і увігнутої лінзи, і виміряти її таким же чином, то фокусна відстань увігнутої лінзи може бути визначена як:
або
Тут передбачається, що
оскільки в іншому разі не вийшло б жодних дійсних зображень.
Теорія (6/8)
Мікроскоп
Загальне збільшення отримується шляхом множення збільшення, зумовленого лінзою
і кутовим збільшенням окуляра
Шлях променя в мікроскопі
Теорія (7/8)
Зорова труба Кеплера
Лінза забезпечує дійсне перевернуте зображення дуже віддаленого об'єкта, і це зображення спостерігається через окуляр . Кутове збільшення (для малих кутів) дорівнює:
.
Шлях променя в кеплерівському телескопі (зорова труба Кеплера)
Теорія (8/8)
Телескоп Галілея
Увігнута лінза розміщується на шляху променя перед дійсним першим зображенням, створеним лінзою так, щоб фокусні точки та збігалися. Потім ми бачимо уявне пряме зображення. Збільшення приладу дорівнює:
.
Шлях променя в телескопі Галілея
Обладнання
Підготовка та виконання роботи
Підготовка
Експериментальна установка (мікроскоп)
Експеримент проводиться, як показано на рисунку. Паралельний світловий пучок створюється лампою і подвійним конденсором. Екран закріплюється в кінці оптичної лави.
Виконання роботи (1/6)
Визначення фокусної відстані лінзи
Об'єкт (екран зі стрілкою) розміщується безпосередньо за конденсором, а чітке зображення проектується на екран за допомогою лінзи. Вимірюються відстані зображення та об'єкта від лінзи (припустимо, що лінзи тонкі).
Вимірювання відстаней до зображення та об'єкта повторюють, використовуючи обидві лінзи, а також при різних положеннях лінзи та екрана.
Побудова зображення з трьома основними променями
Виконання роботи (2/6)
Визначення фокусної відстані системи двох лінз
Якщо при заданій відстані між об'єктом і зображенням (випадок I), положення лінзи змінюється так, що відстань між зображенням і об'єктом змінюється (випадок II), то все рівно формується чітке зображення об'єкта. У випадку II зображення збільшується, у випадку III - зменшується. Використовуючи опуклу лінзу з фокусною відстанню (+100 мм), необхідно виміряти відстань , за якою виходить чітке зображення для обох можливих положень лінз. Повторіть вимірювання та розрахуйте середнє значення . Виконайте вимірювання, використовуючи опуклу лінзу (+100 мм) і увігнуту лінзу (-200 мм). Зробіть відстань максимально великою і виміряйте щонайменше чотири рази комбіновану фокусну відстань.
Визначення фокусної відстані методом Бесселя
Виконання роботи (3/6)
Слайд-проектор
- Помістіть слайд імператора Максиміліана прямо за конденсором і спроектуйте зображення на екран за допомогою лінзи (.
- Для отримання найкращого освітлення зображення встановіть конденсор так, щоб зображення лампи знаходилося в площині лінзи .
- Визначте збільшення зображення.
Шлях променя в слайд-проекторі.
Виконання роботи (4/6)
Мікроскоп
Збільшене зображення невеликого об'єкта (мікрометр і мікропрепарат блохи собаки) отримують за допомогою лінзи з короткою фокусною відстанню . Дійсне проміжне зображення спостерігається через окуляр з фокусною відстанню ( Матовий екран і тримач з об'єктом закріплюють у поворотному кронштейні. Лінзу підносять якомога ближче до об'єкта. Об'єкт висвітлюється через матовий скляний екран.
Розмір зображення, а отже, і загальне збільшення, приблизно визначають шляхом порівняння його зі шкалою на найменшій відстані видимості (приблизно 25 см). Для цього потрібно дивитися в мікроскоп правим оком, а на шкалу - лівим.
Шлях променя в мікроскопі.
Виконання роботи (5/6)
Телескоп (Зорова труба Кеплера)
Опукла лінза з великою фокусною відстанню і лінза з короткою фокусною відстанню закріплені на оптичній лаві на відстані .
Якщо подивитися в лінзу з короткою фокусною відстанню, можна побачити перевернуте збільшене зображення віддаленого об'єкта.
Шлях променя в телескопі Кеплера.
Виконання роботи (6/6)
Процедура (6/6)
Телескоп Галілея
Опукла лінза з великою фокусною відстанню і увігнута лінза з короткою фокусною відстанню розташовані на відстані .
Через увігнуту лінзу можна побачити далекий об'єкт збільшений і прямий.
Шлях променя в телескопі Галілея
Оцінка (1/3)
Фокусну відстань лінзи для системи з однією лінзою (ліворуч) і системи з двома лінзами (праворуч) можна обчислити, як показано нижче.
| 20 | ||||||
| 40 | ||||||
| 60 | ||||||
| 1 | ||
| 2 | ||
| 3 | ||
| 4 | ||
= ______________
= ______________
= ______________
= ______________
= ______________
Оцінка (2/3)
Виберіть правильне твердження, яке найкраще описує зображення, отримане за допомогою увігнутої та опуклої лінз. Опукла лінза дає ____, перевернуте і ____ зображення, тоді як увігнута лінза дає ____, пряме і ____ зображення. Крім того, знак збільшення залежить від орієнтації об'єкта. Позитивне збільшення відповідає ____ зображенню, а негативне збільшення відповідає ____ зображенню.
Оцінка (3/3)
Питання
Схема телескопа Кеплера