LABORATORIUM OPTYKI GEOMETRYCZNEJ

Podobne dokumenty
LABORATORIUM FIZYKI PAŃSTWOWEJ WYŻSZEJ SZKOŁY ZAWODOWEJ W NYSIE. Ćwiczenie nr 3 Temat: Wyznaczenie ogniskowej soczewek za pomocą ławy optycznej.

Ć W I C Z E N I E N R O-3

Soczewkami nazywamy ciała przeźroczyste ograniczone dwoma powierzchniami o promieniach krzywizn R 1 i R 2.

Doświadczalne wyznaczanie ogniskowej cienkiej soczewki skupiającej

Materiały pomocnicze 14 do zajęć wyrównawczych z Fizyki dla Inżynierii i Gospodarki Wodnej

Zwierciadło kuliste stanowi część gładkiej, wypolerowanej powierzchni kuli. Wyróżniamy zwierciadła kuliste:

POMIAR ODLEGŁOŚCI OGNISKOWYCH SOCZEWEK

35 OPTYKA GEOMETRYCZNA. CZĘŚĆ 2

OPTYKA GEOMETRYCZNA Własności układu soczewek

Ćwiczenie 42 WYZNACZANIE OGNISKOWEJ SOCZEWKI CIENKIEJ. Wprowadzenie teoretyczne.

WYZNACZANIE OGNISKOWEJ SOCZEWKI CIENKIEJ METODĄ GRAFICZNĄ I ANALITYCZNĄ

POMIARY OPTYCZNE 1. Wykład 1. Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

Opis matematyczny odbicia światła od zwierciadła kulistego i przejścia światła przez soczewki.

Pomiar ogniskowych soczewek metodą Bessela

SCENARIUSZ LEKCJI Z WYKORZYSTANIEM TIK

Państwowa Wyższa Szkoła Zawodowa w Kaliszu

Wyznaczanie ogniskowej soczewki za pomocą ławy optycznej

POMIAR ODLEGŁOŚCI OGNISKOWYCH SOCZEWEK. Instrukcja wykonawcza

WYZNACZANIE OGNISKOWYCH SOCZEWEK

OPTYKA W INSTRUMENTACH GEODEZYJNYCH

Zagadnienia: równanie soczewki, ogniskowa soczewki, powiększenie, geometryczna konstrukcja obrazu, działanie prostych przyrządów optycznych.

LABORATORIUM Z FIZYKI

Załamanie na granicy ośrodków

Nazwisko i imię: Zespół: Data: Ćwiczenie nr 53: Soczewki

Ćwiczenie 361 Badanie układu dwóch soczewek

Piotr Targowski i Bernard Ziętek WYZNACZANIE MACIERZY [ABCD] UKŁADU OPTYCZNEGO

Dodatek 1. C f. A x. h 1 ( 2) y h x. powrót. xyf

autor: Włodzimierz Wolczyński rozwiązywał (a)... ARKUSIK 34 OPTYKA GEOMETRYCZNA. CZĘŚĆ 2. ZAŁAMANIE ŚWIATŁA. SOCZEWKI

Ćw. nr 41. Wyznaczanie ogniskowych soczewek za pomocą wzoru soczewkowego

Ćwiczenie 53. Soczewki

Katedra Fizyki i Biofizyki UWM, Instrukcje do ćwiczeń laboratoryjnych z biofizyki. Maciej Pyrka wrzesień 2013

LABORATORIUM OPTYKI GEOMETRYCZNEJ

SCENARIUSZ LEKCJI Temat lekcji: Soczewki i obrazy otrzymywane w soczewkach

Wyznaczanie ogniskowych soczewek cienkich oraz płaszczyzn głównych obiektywów lub układów soczewek. Aberracje.

POMIAR ODLEGŁOŚCI OGNISKOWYCH SOCZEWEK CIENKICH

Optyka. Wykład X Krzysztof Golec-Biernat. Zwierciadła i soczewki. Uniwersytet Rzeszowski, 20 grudnia 2017

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

Badamy jak światło przechodzi przez soczewkę - obrazy. tworzone przez soczewki.

+OPTYKA 3.stacjapogody.waw.pl K.M.

Zasady konstrukcji obrazu z zastosowaniem płaszczyzn głównych

WOJSKOWA AKADEMIA TECHNICZNA

Ćwiczenie 2. Wyznaczanie ogniskowych soczewek cienkich oraz płaszczyzn głównych obiektywów lub układów soczewek. Aberracje. Wprowadzenie teoretyczne

Człowiek najlepsza inwestycja FENIKS

ŚWIATŁO I JEGO ROLA W PRZYRODZIE

Ława optyczna. Podręcznik dla uczniów

- pozorny, czyli został utworzony przez przedłużenia promieni świetlnych.

Prawa optyki geometrycznej

OPTYKA GEOMETRYCZNA I INSTRUMENTALNA

Ćwiczenie: "Zagadnienia optyki"

LABORATORIUM FIZYKI PAŃSTWOWEJ WYŻSZEJ SZKOŁY ZAWODOWEJ W NYSIE

pobrano z serwisu Fizyka Dla Każdego zadania z fizyki, wzory fizyczne, fizyka matura

Ćwiczenie 2. Wyznaczanie ogniskowych soczewek cienkich oraz płaszczyzn głównych obiektywów lub układów soczewek. Aberracje. Wprowadzenie teoretyczne

Optyka geometryczna - 2 Tadeusz M.Molenda Instytut Fizyki, Uniwersytet Szczeciński. Zwierciadła niepłaskie

Ława optyczna. Podręcznik zeszyt ćwiczeń dla uczniów

Optyka 2012/13 powtórzenie

Optyka. Wykład XI Krzysztof Golec-Biernat. Równania zwierciadeł i soczewek. Uniwersytet Rzeszowski, 3 stycznia 2018

Soczewki konstrukcja obrazu. Krótkowzroczność i dalekowzroczność.

Problemy optyki geometrycznej. Zadania problemowe z optyki

Ć W I C Z E N I E N R O-4

34 OPTYKA GEOMETRYCZNA. CZĘŚĆ 1

Plan wynikowy (propozycja)

OPTYKA GEOMETRYCZNA I INSTRUMENTALNA

Szczegółowy rozkład materiału z fizyki dla klasy III gimnazjum zgodny z nową podstawą programową.

TABELA INFORMACYJNA Imię i nazwisko autora opracowania wyników: Klasa: Ocena: Numery w dzienniku

4.8 Wyznaczanie ogniskowych soczewek i badanie wad soczewek(o2)

autor: Włodzimierz Wolczyński rozwiązywał (a)... ARKUSIK 33 OPTYKA GEOMETRYCZNA. CZĘŚĆ 1. ZWIERCIADŁA

Wykład FIZYKA II. 7. Optyka geometryczna. Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

Wykład XI. Optyka geometryczna

Najprostszą soczewkę stanowi powierzchnia sferyczna stanowiąca granicę dwóch ośr.: powietrza, o wsp. załamania n 1. sin θ 1. sin θ 2.

Optyka. Matura Matura Zadanie 24. Soczewka (10 pkt) 24.1 (3 pkt) 24.2 (4 pkt) 24.3 (3 pkt)

Optyka stanowi dział fizyki, który zajmuje się światłem (także promieniowaniem niewidzialnym dla ludzkiego oka).

20. Na poniŝszym rysunku zaznaczono bieg promienia świetlnego 1. Podaj konstrukcję wyznaczającą kierunek padania promienia 2 na soczewkę.

Optyka geometryczna MICHAŁ MARZANTOWICZ

LABORATORIUM OPTYKI GEOMETRYCZNEJ

WYZNACZANIE WSPÓŁCZYNNIKA ZAŁAMANIA ŚWIATŁA METODĄ SZPILEK I ZA POMOCĄ MIKROSKOPU

XLIII OLIMPIADA FIZYCZNA ETAP II Zadanie doświadczalne

ZAGADNIENIA na egzamin klasyfikacyjny z fizyki klasa III (IIIA) rok szkolny 2013/2014 semestr II

f = -50 cm ma zdolność skupiającą

12.Opowiedz o doświadczeniach, które sam(sama) wykonywałeś(aś) w domu. Takie pytanie jak powyższe powinno się znaleźć w każdym zestawie.

Przyrząd słuŝy do wykonywania zasadniczych ćwiczeń uczniowskich z optyki geometrycznej.

EGZAMIN MATURALNY Z FIZYKI Z ASTRONOMIĄ

Optyka geometryczna. Podręcznik zeszyt ćwiczeń dla uczniów

Ćwiczenie nr 53: Soczewki

STOLIK OPTYCZNY 1 V Przyrząd jest przeznaczony do wykonywania ćwiczeń uczniowskich z optyki geometrycznej.

17. Który z rysunków błędnie przedstawia bieg jednobarwnego promienia światła przez pryzmat? A. rysunek A, B. rysunek B, C. rysunek C, D. rysunek D.

OPTYKA GEOMETRYCZNA I INSTRUMENTALNA

Nazwisko i imię: Zespół: Data: Ćwiczenie nr 51: Współczynnik załamania światła dla ciał stałych

- 1 - OPTYKA - ĆWICZENIA

Sposób wykonania ćwiczenia. Płytka płasko-równoległa. Rys. 1. Wyznaczanie współczynnika załamania materiału płytki : A,B,C,D punkty wbicia szpilek ; s

Soczewki. Ćwiczenie 53. Cel ćwiczenia

Ć W I C Z E N I E N R O-1

ZAJĘCIA WYRÓWNAWCZE, CZĘSTOCHOWA, 2010/2011 Ewa Mandowska, Instytut Fizyki AJD, Częstochowa

SPRAWDZIAN NR Na zwierciadło sferyczne padają dwa promienie światła równoległe do osi optycznej (rysunek).

Optyka geometryczna. Soczewki. Marcin S. Ma kowicz. rok szk. 2009/2010. Zespóª Szkóª Ponadgimnazjalnych Nr 2 w Brzesku

Rodzaje obrazów. Obraz rzeczywisty a obraz pozorny. Zwierciadło. Zwierciadło. obraz rzeczywisty. obraz pozorny

LABORATORIUM OPTYKI GEOMETRYCZNEJ

WYMAGANIA NA POSZCZEGÓLNE STOPNIE SZKOLNE Z FIZYKI W KLASIE III

Podstawy fizyki wykład 8

sin sin ε δ Pryzmat Pryzmat Pryzmat Pryzmat Powierzchnia sferyczna Elementy optyczne II sin sin,

Wykłady z Fizyki. Optyka

Transkrypt:

LABORATORIUM OPTYKI GEOMETRYCZNEJ POMIAR OGNISKOWYCH SOCZEWEK CIENKICH 1. Cel dwiczenia Zapoznanie z niektórymi metodami badania ogniskowych soczewek cienkich. 2. Zakres wymaganych zagadnieo: Prawa odbicia i załamania światła bieg promieni przez soczewki powstawanie obrazów równanie soczewki rodzaje soczewek ognisko i ogniskowa soczewki graficzna metoda konstrukcji obrazów w soczewce współczynnik załamania światła 2. Wprowadzenie Soczewką nazywamy ciało przezroczyste ograniczone dwiema powierzchniami zakrzywionymi lub jedną powierzchnią płaską i jedną zakrzywioną. Najczęściej powierzchnie soczewek są powierzchniami kulistymi. Przyjmując kształt soczewki jako kryterium klasyfikacji, dzielimy je na dwuwypukłe, dwuwklęsłe, płaskowklęsłe, płaskowypukłe, płaskowklęsłe, wypukłowklęsłe. Soczewkę nazywamy cienką, kiedy odległośd powierzchni ograniczających ją jest bardzo mała w porównaniu z promieniem krzywizny tych powierzchni. Promieniem krzywizny nazywamy promieo kuli, której wycinkiem jest powierzchnia ograniczająca soczewkę. Środek tej kuli jest środkiem krzywizny. Soczewka posiada dwa środki krzywizny O1 i O2. Linię łączącą środki krzywizny nazywamy główną osią optyczną soczewki. Środkiem optycznym soczewki nazywamy punkt położony na jej osi optycznej i mający tę własnośd, że promienie przechodzące przez niego mają ten sam kierunek przed wejściem do soczewki i po wyjściu z niej. Środek optyczny soczewki cienkiej leży w przybliżeniu w środku geometrycznym soczewki. Ogniskiem głównym nazywamy punkt, w którym soczewka skupia promienie równoległe do głównej osi optycznej biegnące ku niej. Dwa ogniska główne F znajdują się w równych odległościach po obu stronach soczewki. O F r 1 F O 1 2 Rys. 1 Bieg promieni równoległych do głównej osi soczewki, promienie krzywizn r 1 r 2, środki krzywizn O 1 i O 2, ogniska soczewki F, ogniskowa f. r f 2 1

Ogniskową f soczewki nazywamy odległośd od ogniska do środka optycznego soczewki. Wierzchołkami soczewki nazywamy punkty przecięcia powierzchni łamiących soczewki z jej osią optyczną. Promienie padające pod niewielkimi kątami (prawie prostopadle) na powierzchnię soczewki w pobliżu soczewki nazywamy promieniami przyosiowymi. Z wyjątkiem promieni biegnących wzdłuż głównej osi optycznej, każdy promieo przechodzący przez soczewkę ulega dwukrotnie załamaniu na obu powierzchniach soczewki. Bieg dowolnego promienia możemy wykreślid korzystając z prawa załamania światła. Jeżeli promienie równoległe do głównej osi optycznej po przejściu przez soczewkę odchylają się ku osi, soczewka nosi nazwę skupiającej; jeśli odchylają się od osi, soczewka nosi nazwę rozpraszającej. Gdy względny współczynnik załamania n 12 jest większy od jedności, to soczewki dwuwypukłe, płaskowypukłe i wklęsłowypukłe (ogólnie te których środek jest grubszy od brzegów) są soczewkami skupiającymi, a soczewki dwuwklęsłe, płaskowklęsłe, wypukłowklęsłe soczewkami rozpraszającymi. Gdy współczynnik n 12 jest mniejszy od jedności sytuacja jest odwrotna. Rys.2 Różne rodzaje soczewek Względny współczynnik załamania n 12 jest to współczynnik załamania materiału 1 soczewki względem otaczającego ją ośrodka 2: gdzie n 1 - bezwzględny współczynnik załamania materiału soczewki względem próżni, n 2 bezwzględny współczynnik załamania otaczającego ośrodka względem próżni. Odległośd x przedmiotu od soczewki, odległośd y obrazu od soczewki oraz ogniskowa f są związane równaniem soczewkowym: Jak już wspomniano wyżej dla soczewek skupiających promienie równoległe do głównej osi optycznej skupiają się po przejściu przez soczewkę w jej ognisku. Soczewka skupiająca wytwarza rzeczywiste obrazy przedmiotów położonych w odległości x > f na głównej osi optycznej i pozorne obrazy przedmiotów położonych w odległości x < f. W soczewce rozpraszającej promienie równoległe do głównej osi optycznej odchylają się po przejściu przez soczewkę tak, że ich przedłużenia przecinają się w ognisku pozornym - punkcie położonym na głównej osi optycznej przed soczewką. Ogniskowej f soczewki rozpraszającej przypisujemy umowną wartośd ujemną, ujemna jest również wartośd odległości y obrazu od soczewki. Soczewka rozpraszająca wytwarza obraz pozorny przedmiotów na głównej osi optycznej. Odległośd przedmiotu x oraz obrazu y od soczewki spełnia również równanie soczewkowe. 2

a) b) c) Rys. 3 Konstrukcja obrazów w soczewkach: a) soczewka skupiająca, obraz rzeczywisty pomniejszony; b) soczewka skupiająca, obraz pozorny, powiększony; c) soczewka rozpraszająca, obraz pozorny, pomniejszony. Powiększenie liniowe obrazu definiujemy jako stosunek rozmiarów liniowych obrazu do rozmiarów liniowych przedmiotu: Wysokości przedmiotu h p i obrazu h o, mierzone prostopadle do osi optycznej są zawsze dodatnie, więc i wartośd powiększenia M jest zawsze dodatnia (tak dla obrazów prostych jak i dla obrazów odwróconych). Ogniskowa układu optycznego złożonego z dwu soczewek cienkich o ogniskowych f 1 i f 2 wynosi: gdzie l oznacza odległośd wzajemną tych soczewek. Jeżeli dwie soczewki położone są bardzo blisko siebie, tzn. gdy l 0, równanie to przyjmie postad: Odwrotnośd ogniskowej nosi nazwę zdolności skupiającej soczewki i oznaczamy ją przez Φ. Zdolnośd skupiającą soczewki mierzymy w dioptriach (oznaczamy skrótem D). Wymiarem dioptrii jest m -1. Zdolnośd skupiająca układu soczewek jest równa sumie zdolności skupiających poszczególnych soczewek układu: 3

3. Metody pomiarowe Wyznaczanie ogniskowej soczewki metodą wzoru soczewkowego (A) Mierzymy odległośd przedmiotu od soczewki a i obrazu od soczewki b. Ogniskową obliczamy ze wzoru: Wyznaczanie ogniskowej soczewki metodą Bessella (B) Wyznaczamy dwa położenia soczewki a 1 i a 2, dla których na ekranie obserwuje się dwa ostre obrazy przedmiotu (powiększony i pomniejszony). Ogniskową obliczamy ze wzoru: gdzie d jest odległością ekranu od przedmiotu, a = a 1 a 2. Wyznaczanie ogniskowej soczewki za pomocą wykresu zależności między powiększeniem a odległością obrazu od soczewki (C) Z równania soczewkowego otrzymujemy: Wielkośd y/x nazywamy powiększeniem soczewki M. Ostatecznie uzyskujemy wyrażenie: Dla obrazów rzeczywistych i dla y>f, równanie to przedstawia prostą o nachyleniu 1/f, przecinającą oś Oy w punkcie y=f. Wartośd f można wyznaczyd przez ekstrapolację do przecięcia wykresu z osią Oy. Wyznaczanie ogniskowej soczewki rozpraszającej (D) Wykorzystujemy relację daną wzorem: gdzie l jest wzajemną odległością między soczewkami, f jest ogniskową układu dwu soczewek, f 1 jest ogniskową soczewki skupiającej a f 2 ogniskową soczewki rozpraszającej. 4

Wykorzystując zmierzoną ogniskową soczewki skupiającej f 1, którąś z wcześniejszych metod (A, B, C) wyznaczamy ogniskową soczewki rozpraszającej f 2. Należy zwrócid uwagę, że musi byd spełniony warunek:. 4. Układy pomiarowe źródło światła przedmiot (slajd) soczewka ekran Układ pomiarowy do metod A, B, C. źródło światła przedmiot (slajd) soczewki ekran 5. Wykonanie zadania Układ pomiarowy do metody D. Wyznaczanie ogniskowej soczewki metodą wzoru soczewkowego 1. Ustaw przedmiot i ekran w odległości rzędu jednego metra. 2. Między ekranem i przedmiotem świecącym ustaw soczewkę. Przesuo ją w położenie, w którym obraz na ekranie jest ostry. Odczytaj położenie przedmiotu l p, soczewki l s oraz ekranu l e. Wyniki wpisz do tabeli. Lp l p [cm] l s [cm] l e [cm] a [cm] b [cm] 1. 2... 5. 3. Wyznacz odległości między przedmiotem a soczewką a oraz między soczewką a ekranem b. Wyniki wpisz do tabeli. 4. Zmieniając kilkakrotnie położenie ekranu o 10 cm powtórz punkt 2. 5. Policz średnią z uzyskanych wyników. 6. Rachunek błędów - oblicz błąd średniokwadratowy wyznaczenia f. 5

Wyznaczanie ogniskowej soczewki za pomocą metody Bessella 1. Ustaw przedmiot i ekran w odległości rzędu jednego metra. Wyznacz tę odległośd d, odczytując położenia l e i l p ekranu i przedmiotu (d = l e - l p ). 2. Między ekranem i przedmiotem świecącym ustaw soczewkę. Przesuo ją w położenie, w którym obraz na ekranie jest powiększony i najwyraźniejszy. Wyznacz położenie l s1 soczewki na ławie optycznej cztery razy. Wszystkie wyniki zapisz w tabeli pomiarów. 3. Przesuo soczewkę w położenie, w którym otrzymany na ekranie obraz zmniejszony jest najwyraźniejszy. Wyznacz położenie l s2 soczewki na ławie optycznej cztery razy. Wszystkie wyniki zapisz w tabeli pomiarów. 4. Pomiary z punktów 2-3 wykonaj dla kilku np. pięciu rożnych odległości d. Lp l p [cm] l e [cm] d = l e - l p [cm] l s1 [cm] l s2 [cm] a = l s2 - l s1 [cm] 1. 2.... 5. 5. Dla każdego z pomiarów d, policz ogniskową soczewki. Wyznacz średnią z uzyskanych wyników. 6. Rachunek błędów - oblicz błąd średniokwadratowy wyznaczenia oraz f. Wyznaczanie ogniskowej soczewki za pomocą wykresu zależności między powiększeniem a odległością obrazu od soczewki 1. Ustaw na ławie optycznej przedmiot świecący w odległości ok. 100 cm od ekranu. 2. Między przedmiotem świecącym i ekranem umieśd soczewkę. 3. Ustaw soczewkę tak, aby obraz na ekranie był ostry i pomniejszony. Zanotuj w tabeli pomiarów położenia wskaźników przedmiotu, soczewki i ekranu na podziałce ławy optycznej. Przykład tabeli pomiarów poniżej ( l p - położenie przedmiotu, l s - położenie soczewki, l e -położenie ekranu). Lp l p [cm] l s [cm] l e [cm] x = l s - l p [cm] y = l e - l s [cm] M = y/x 1. 2.... 5. 4. Przesuo soczewkę o 10 cm w stronę przedmiotu a następnie przesuwając ekran uzyskaj ostry obraz świecącej strzałki. Wyniki zapisz w tabeli. 5. Zmieniając położenie soczewki powtórz kilkakrotnie (np. 5 razy) punkt 4. 6. Oblicz poszczególne wartości powiększeo M. 7. Narysuj wykres zależności M(y). 6

8. Zrób regresję liniową (korzystając z komputera) lub odczytaj dane z wykresu dla uzyskanych wyników. 9. Podaj wyliczoną wartośd f i jej błąd. Wyznaczanie ogniskowej soczewki rozpraszającej 1. Wykorzystaj wcześniej obliczoną ogniskową f 1 soczewki skupiającej. 2. Ustaw na ławie optycznej układ złożony z soczewki skupiającej o ogniskowej f 1 i soczewki rozpraszającej o ogniskowej f 2. 3. Wyznacz ogniskową f tego układu soczewek korzystając z metod A i C (jeden zbiór danych pomiarowych). Przyjąd, we wzorach, że położenie soczewki równoważnej dwóm soczewkom wykorzystanych w eksperymencie położone jest po środku miedzy nimi. 4. Na podstawie wzoru na ogniskową układu 2 soczewek wyprowadź wzór na ogniskową soczewki rozpraszającej. 5. Przeprowadź rachunek błędów dotyczący wyznaczenia ogniskowej soczewki rozpraszającej korzystając z wyprowadzonego w punkcie 4 wzoru i różniczek: 6. Literatura 1. H. Szydłowski, Pracownia fizyczna 2. P. G. Hewitt, Fizyka wokół nas, rozdz. 6. 3. J. R. Mayer-Arendt, Wstęp do optyki 4. A. Sojecki, Optyka 5. J. Nowak, M. Zając, Optyka kurs elementarny 7