Лабораторна робота № 23. Визначення фокусної відстані, оптичної сили та радіусу кривизни збиральної лінзи
Мета роботи – визначити оптичні характеристики збиральної
лінзи.
Вказівки до виконання лабораторної роботи
Для виконання лабораторної роботи необхідно вивчити такий теоретичний матеріал: основні закони геометричної оптики; заломлення сферичною поверхнею; зображення предметів за допомогою тонких лінз.
[1, т.3, §§ 2.1, 2.3, 2.4; 2, §§ 165, 166; 3, розд. 8, §§ 2; 4, т.2, §§ 115; 117; 5, § 92]
Фокусна відстань лінзи – це відстань між головною точкою та фокусом лінзи. Положення головних точок уявні, тому їх можна визначити тільки дослідним шляхом. Таким чином, безпосереднє вимірювання відстані від лінзи до фокуса не дає точного значення фокусної відстані.
Існує декілька способів визначення фокусної відстані та оптичної сили лінзи, але найточніший з них – спосіб Бесселя. За цим способом можна отримати точні величини як для тонких, так і для товстих лінз (у даному випадку товщина лінзи не має значення).
Якщо відстань від предмета ВС до екрана перевищує 4f (A > 4f) (рис. 23.1), то при різних положеннях лінзи можна отримати зменшене В/С/ або збільшене В//С//
зображення предмета.
З формули лінзи:
визначаємо
, (23.1)
а з рисунку 23.1 видно, що для першого положення лінзи І:
;
; 
.
Підставляючи ці значення у (23.1),і отримаємо:
. (23.2)
Для другого положення лінзи ІІ: 
; 
.
Тоді:
. (23.3)
Порівнюючи праві частини рівнянь (1.3.2) і (1.3.3), маємо:
. (23.4)
Слід нагадати, що x– відстань від лінзи до екрана у другому випадку, а в першому – відстань від предмета до лінзи. Вираз (23.4) вірний для обох випадків.
Таким чином, перше та друге положення лінзи симетричні відносно середини відстані між предметом та екраном. З цього випливає, що для першого положення лінзи:
, 
.
Підстановка цих значень у формулу (23.3) дає:
. (23.5)
Обчислення радіуса кривини здійснюється за формулою лінзи:
. (23.6)
Тоді
. (23.7)
Прилади: на оптичній лаві позитивна лінза з однаковими радіусами кривизни, предмет у вигляді стрілки в отворі освітлювача, екран. Вздовж оптичної лави закріплено вимірювальну рейку.
Хід роботи
1. Лінзу розміщують на оптичній лаві в положенні І (рис. 23.1), намагаючись досягти чіткого збільшеного зображення предмета на екрані.
2. Вимірювальною рейкою визначають відстань A та позначають положення лінзи праворуч.
3. Лінзу пересувають до екрана, доки не отримають чіткого зменшеного зображення предмета.
4. Вимірюють відстань x, фіксують друге положення лінзи та, порівнюючи з першим, визначають відстань L.
5. Фокусну відстань лінзи розраховують за формулою (23.5), оптичну силу визначають як величину, зворотну фокусній відстані.
6. Радіус кривизни лінзи розраховують за формулою (23.7). Величину показника заломлення лінзи дає викладач.
Контрольні запитання
1. Сформулювати визначення: фокус, фокальна площина, фокусна відстань, оптична сила лінзи.
2. Побудувати зображення, які утворені лінзою при різних положеннях предмета відносно лінзи.
3. В чому полягає особливість методу, який застосовується в цій роботі, для визначення фокусної відстані та оптичної сили лінзи?