Badanie przy użyciu stolika optycznego lub ławy optycznej praw odbicia i załamania światła. Wyznaczanie ogniskowej soczewki metodą Bessela.

Transkrypt

1 Badanie przy użyciu stolika optycznego lub ławy optycznej praw odbicia i załamania światła. Wyznaczanie ogniskowej soczewki metodą Bessela. I LO im. Stefana Żeromskiego w Lęborku 20 luty 2012

2 Stolik optyczny

3 Stolik optyczny - odbicie światła Odbicie światła od powierzchni płaskiej 1 Oświetlamy szczelinę pojedynczą. Tarczę ze skalą ustawiamy w ten sposób, by promień idący od szczeliny przechodził wzdłuż średnicy 0 0. Jeżeli promień jest lekko przesunięty, należy odpowiednio ustawić żarówkę(diodę). 2 Zwierciadło płaskie kładziemy na tarczy wzdłuż średnicy tak, aby promień odbity od niego pokrywał się z padającym. Wtedy średnica O O jest normalną zwierciadła. Kąt padania jest równy 0 i kąt odbicia również 0 (patrz rysunek ).

4 Stolik optyczny - odbicie światła Odbicie światła od powierzchni płaskiej Następnie obracamy o kilka stopni tarczę z leżącym na niej zwierciadłem (patrz rysunek). Normalna odsuwa się od promienia padającego, odsuwa się też od niej promień odbity. Odczytujemy na skali wartości obu kątów. Kąt odbicia jest równy kątowi padania.

5 Stolik optyczny - odbicie światła Odbicie światła od powierzchni płaskiej Zamieniamy szczelinę pojedynczą na podwójną, a następnie na potrójną(patrz rysunek) Doświadczenia wykazują, że promienie odbite są wzajemnie równoległe, tak samo jak i promienie padające. Przy szczelinie potrójnej należy ustawić żarówkę(diodę) tak, aby promień środkowy przechodził wzdłuż średnicy 0 0.

6 Stolik optyczny - odbicie światła Odbicie światła od powierzchni wklęsłej 1 Zwierciadło wklęsłe kładziemy na tarczy wg rysunku tak, aby jego środek znalazł się na przecięciu średnic 0 0 i Średnica 0 0 jest wtedy główną osią optyczną układu. 2 Promień odbity i padający pokrywają się i leżą na jednej prostej (0 0). Obracamy tarczę stolika. Promień odbity oddziela się od padającego i od normalnej. Po zmierzeniu kątów padania i odbicia okaże się, że są one sobie równe.

7 Stolik optyczny - odbicie światła Odbicie światła od powierzchni wklęsłej 1 Zamieniamy pojedynczą szczelinę na podwójną, a następnie na potrójną. 2 Promień środkowy powinien pokrywać się z główną osią optyczną. W tym przypadku promienie padające są równoległe, a odbite przecinają się w jednym punkcie na osi optycznej Punkt ten to rzeczywiste ognisko zwierciadła.

8 Stolik optyczny - odbicie światła Odbicie światła od powierzchni wypukłej 1 Postępujemy podobnie jak ze zwierciadłem wklęsłym w poprzednim doświadczeniu 2 Podczas ćwiczenia należy stale zwracać uwagę, aby środek zwierciadła wypadał w punkcie przecięcia się osi. Przy rzutowaniu na zwierciadło wypukłe trzech równoległych promieni widać, że promienie te po odbiciu rozchodzą się (stają się rozbieżne) Rozchodzące się promienie wyglądają, jak gdyby wychodziły ze wspólnego punktu poza zwierciadłem. Ten pozorny punkt to urojone ognisko zwierciadła wypukłego

9 Stolik optyczny - załamanie światła Załamanie światła - półkrążek szklany 1 Używamy szczeliny pojedynczej. Promień biegnie wzdłuż średnicy 0 0. Na tarczy kładziemy pólkrążek szklany tak, aby płaska ściana leżała na średnicy i była zwrócona ku szczelinie. 2 Półkrążek staramy się ustawić tak, aby promień padał na środek płaskiej ściany i półkola. Lekko przesuwając półkrążek można go tak ustawić, aby promień padający nie zmienił swego kierunku przy przejściu z powietrza do szkła, a następnie ze szkła do powietrza. 3 Prosta 0 0 wzdłuż której biegnie promień świetlny, jest wtedy normalną do powierzchni płaskiej i walcowej, bo przechodzi przez środek geometryczny półkrążka. Kąt padania wynosi wtedy 0. Nie wystepuje wtedy zjawisko załamania światła

10 Stolik optyczny - załamanie światła Załamanie światła - półkrążek szklany 1 Obracamy tarczę z półkrążkiem o kąt α 2 Ustawiając półkrążek pod różnymi kątami padania α 1, α 2 αn otrzymamy odpowiednio różne kąty załamania β 1, β 2 βn. 3 Odczytując otrzymane wartości kątów α i β, możemy obliczyć współczynnik załamania światła dla szkła względem powietrza n = sinα = sin α 1 = sin α 2 = sin α 3 sin αn = = = const (1) sinβ sin β 1 sin β 2 sin β 3 sin βn

11 Stolik optyczny - załamanie światła Całkowite wewnętrzne odbicie światła 1 Stosujemy szczelinę pojedynczą. Promień świetlny biegnie wzdłuż prostej 0 0. Półkrążek ustawiamy płaską ścianą na prostej tak, aby jego środek znalazł się na przecięciu prostych 0 0 i Półkrążek zwracamy stroną walcową do szczeliny. Przy właściwym położeniu promień przechodzi przez półkrążek bez załamań 3 Przez obracanie stolika powiększamy kąt β, przez co zwiększy się kąt α. Przy wzrastaniu kąta β, kąt α wzrasta dążąc do 90. Po przekroczeniu pewnej wartości kąta β wynoszącej około 42 (wartość zależy od gatunku szkła) promień nie wychodzi ze szkła do powietrza, lecz odbija się od ścianki szkła jak od zwierciadła.

12 Stolik optyczny - załamanie światła Płytka równoległościenna Ustawiamy płytkę w różnych położeniach

13 Stolik optyczny - załamanie światła Pryzmaty o różnych kątach łamiących Przez pryzmat o kącie łamiącym 30 przechodzi i załamuje się każdy promień padający na ścianę boczną pryzmatu

14 Stolik optyczny - załamanie światła Pryzmaty o różnych kątach łamiących W pryzmacie o kącie 90 występuje zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia. Pryzmat ten dlatego znajduje zastosowanie w peryskopach i lornetkach pryzmatycznych.

15 Stolik optyczny - załamanie światła Soczewka wypukła 1 Kładziemy na tarczy stolika przeciętą soczewkę dwuwypukłą sferyczną i obserwujemy skupianie się promieni. 2 Zjawisko załamania się i skupiania promieni w ognisku badamy przy pomocy szczeliny potrójnej

16 Stolik optyczny - załamanie światła Soczewka wklęsła 1 Kładziemy na tarczy stolika przeciętą soczewkę sferyczną dwustronnie wklęsłą i powtarzamy doświadczenia. 2 Zjawisko załamania się i rozpraszania promieni badamy przy pomocy szczeliny potrójnej.

17 Wyznaczanie ogniskowej soczewki Rysunek: Wyznaczanie ogniskowej metodą Bessela

18 Wyznaczanie ogniskowej soczewki Idea metody Bessela 1 W metodzie tej używa się ławy optycznej o określonej długości l. Na krańcach tej ławy ustawia się źródło światła i ekran, a pomiędzy te elementy wstawia się soczewkę (rysunek). Połozenie ekranu oraz źródła światła jest niezmienne podczas trwania pomiaru. 2 W układzie z rysunku istnieje możliwość uzyskania na ekranie dwóch obrazów rzeczywistych odwróconych, przy czym jeden jest pomniejszony (położenie soczewki kolor zielony), a drugi powiększony (położenie soczewki kolor niebieski). Metoda ta pozwala wyznaczyć ogniskową soczewki, znając odległość różnicy położeń soczewki e, oraz długość ławy optycznej l. Zależność na ogniskową badanej soczewki wyraza sie nastepujaco: f = l2 e 2 4l (2)

19 Wyznaczanie ogniskowej soczewki Wyprowadzenie wzoru Bessela

20 Wyznaczanie ogniskowej soczewki Wyprowadzenie wzoru Bessela cd

21 Wyznaczanie ogniskowej soczewki Analiza niepewności metody Bessela Możemy przyjąć, że długość ławy optycznej l nie jest obarczona niepewnością, a jedynie niepewność pochodzi od wyznaczenia odległości pomiędzy dwoma położeniami soczewki, przy których powstają ostre obrazy. Wówczas, niepewność maksymalną ogniskowej f można wyliczyć z zależności: f = e2 2l e (3) gdzie niepewność e jest podwójną wartością najmniejszej działki na linijce

22 Wyznaczanie ogniskowej soczewki Tabela pomiarów