Лабораторная работа №3 Определение фокусных расстояний тонких линз.
Цель работы: изучение основных понятий геометрической оптики и определение фокусных расстояний собирающей и рассеивающей тонких линз.
Приборы и принадлежности: оптическая скамья со шкалой, осветитель, собирающая и рассеивающая тонкие линзы, экран.
Основные понятия и определения
Распространение света как в однородной среде, так и через любую оптическую систему может быть объяснено с позиций волновой квантовой теорий. Однако значительная часть вопросов прикладной оптики может быть решена гораздо более простым способом с помощью положений геометрической оптики.
Геометрическая или лучевая оптика – раздел оптики, в котором законы распространения оптического излучения изучаются на основе представлений о световых лучах. Под световым лучом понимается линия, вдоль которой распространяется энергия оптического излучения. При этом нужно понимать, что световой луч в представлениях геометрической оптики есть абстрактное, математическое понятие, а не физический образ. Световому лучу в физической оптике соответствует нормаль к поверхности световой волны. Геометрическую оптику можно рассматривать как предельный случай физической оптики, когда λ→0. Положения геометрической оптики имеют чисто геометрический характер.
Под светящейся точкойв геометрической оптике понимают источник излучения, не имеющий размеров.Оптической длиной пути называют сумму произведений расстояний, последовательно проходимых лучом в различных средах, на показатели преломления соответствующих сред. Совокупность лучей, имеющих один общий центр, например, центр сферы, называетсягомоцентрическим пучком. Пучок, лучи которого расходятся из общего центра, называется расходящимся гомоцентрическим пучком (рис. 1. а), если же лучи идут по направлению к центру пучка, то пучок называется сходящимся гомоцентрическим (рис. 1.б). Если гомоцентрический пучок распространяется от светящейся точки, находящейся в бесконечности, то он будет параллельным (рис. 1.в). Центр гомоцентрического пучка, входящего в оптическую систему, называется предметной точкой, а центр гомоцентрического пучка, выходящего из оптической системы, называется изображением предметной точки.Оптическое изображение– картина, полученная в результате прохождения через оптическую систему пучков, распространяющихся от объекта, и воспроизводящая его контуры и детали.
а) б) в)
Рис.1. Гомоцентрические пучки лучей.
Всякий предмет и его изображение в геометрической оптике рассматриваются как совокупность предметных точек и их изображений. Поэтому для того, чтобы найти изображение того или иного предмета, нужно найти изображения его отдельных точек. Если после прохождения через оптическую систему пучки лучей сохраняют гомоцентричность, то каждой точке предмета соответствует только одна точка изображения. Две точки, одна из которых является изображением другой, называют сопряженными. Вследствие обратимости световых лучей объект и изображение могут меняться местами. В геометрической оптике изображение точки принято отмечать той же буквой, что и предмет, но со штрихом. Это относится и к другим обозначениям. Изображение, образованное пересечением самих лучей, называютдействительным,а изображение, образованное пересечением их геометрических продолжений, -мнимым.
а) б)
Рис. 2 Предметная точка А и её изображение:
а – действительное; б – мнимое.
Действительное изображение может быть спроецировано на экран. Мнимое изображение спроецировать на экран нельзя, но оно может быть рассмотрено глазом так же, как и действительное изображение.
Все пространство, в котором распространяются пучки лучей, можно разделить на две части. Пространство, в котором находятся точки предметов, называют пространством предметов. Пространство, в котором расположены изображения точек предметов, называютпространством изображений.
Оптической системойв геометрической оптике называют совокупность оптических деталей (призм, линз, зеркал и т.п.) предназначенную для формирования пучков световых лучей.
Любая оптическая деталь ограничивается поверхностью. Поверхности могут быть плоскими, сферическими, асферическими и другими. Оптическую систему называют центрированной, если центры сферических поверхностей или оси симметрии других поверхностей лежат на одной прямой, которую называютглавной оптической осью.
В геометрической оптике для оценки отрезков и углов используют правила знаков. За положительное направление света принимают направление распространения его слева направо. Для каждого отрезка указывается направление отсчёта. Отрезки вдоль оптической оси считаются положительными, если их направление совпадает с положительным направлением света, а отрицательными – при обратном направлении. Отрезки, перпендикулярные к оптической оси, считают положительными, если они расположены над оптической осью, и отрицательными, если они расположены под осью. Радиусы кривизны, отрезки, характеризующие положение предметов и изображений, отсчитывают от вершин соответствующих поверхностей.
Для определения знаков углов выбирают оси, от которых отсчитывают углы. Углы отсчитывают от направления главной оптической оси или нормали к сферической поверхности. Угол считается положительным, если для описания части плоскости между его сторонами ось, от которой ведётся отсчёт, нужно вращать вокруг вершины угла по часовой стрелке, и отрицательным – в противном случае.