Физика. Раздел : оптика. Ч. 3

No 1450 
московский ГОСУДАРСТВЕННЫЙ 

ИНСТИТУТ СТАЛИ и СПЛАВОВ 

Технологический университет • 
')фЩЛ 

МИСиС "^ 

ФИЗИКА 

Раиел: Оптика. Ч. III 

Лаборагорный iiapKiHKVM 

МОСКВА, 1998 

АННОТАЦИЯ 

Праклп^ 
содержнг 
семь 
лаборатоорных 
работ, 
выполняемых 
студентами всех факультетов ннстнпта по курсу "Физика", раздел "Оптика". 

Работы 3.1, 3.10, 3.11 посвящены изучению неометрнческой оптмки; 
работы 3.9. 3.10. 3.11- изучению волноаых всойств света. 

Преподаватели полпт>внвшие работы: 
Н.Г Богомолова 
(3.1). 
Е К. Найми 
(3.2). 
Е.Ф. Назаревская 
(3.4), 
С.М.Курашов 
0.5), 
Ю.А. Рахшпшт 
(3.9). 
В.А. До19^1аева 
(3.10). 
Э.Н. Колесникова (3.11). 

Московский государственный 
иистятуг стали и сплавов 
(Технологический 
ушшерсатег) (МИСиС) 1998 

СОДЕРЖАНИЕ 

Указания по технике безопасности 
4 

Лабораторная работа 3.1. Определение фокусного 

расстояния положительной и 
отрицательной линз 
б , 

Лабораторная работа 3.2. Погрешносги оптических 

систем 
30 

Лабораторная работа 3.4. Моделирование зрительной 

трубы 
40 

Лабораторная работа 3.5. Моделирование оптических 

систем 
50 

Лабораторная работа 3.9. Измерение длин световых волн с 

• помощью дифракционной 

решетки и гониометра 
62 

Лабораторная работа 3.10. Изучение нормальной дисперсии 

света 
79 

Лабораторная работа 3.11. Изучение дифрак-ционной картины 

от одной и двух шелей 
94 

ОПТИКА. Ч. HI 

УКАЗАНИЯ ПО ТЕХНИКЕ 
БЕЗОПАСНОСТИ 

в каждой лаб(фаториой работе по оптике применяклся электрические 
приборы. Помещение >-чебной лаборатории по физике относится к категории 
поиещеиий без повышенной опасности. В таких помещениях напряжение 
выше 36 В считается опасным для жизни человека. Работа с оптическими 
приборами создает ддполмительк>10 нагрузку на органы зрения и требует 
ооблн)[аення мер предосторожности. В лаборатории оптики использ>ютс1 
спеш1альные источники света - спектральные лампы. В частности, применяются рт>'п<ые лампы, которые являются изл}'чатслями электромаппттных 
волн не только в видимой области, но я в улыраф1Юлетовой области; это 
излучение может вызвать ожоги. Подобные излучатели закрыты светонепроницаемыми кож> хами, снабженными отверстиями для вып)'ска света. 

При выполнении .табораторных работ необходимо соблюдать следующие 
правила техники бсзоласиосга. 

1. К работе на лабораторных установках допускаются только те студенты, 
которые прошли инструктаж по технике безопасности и усвоили правила 
безопасной работы. 

2. Во время работы в лаборатории необходимо содержать рабочее место в 
чистоте, не производить перестановок приб(фов, не ставить посторонних 
предметов (портфели, с>'мки и т. п) на столы, не выходить ю лаборатории без разрешения преподавателя, соблюдать тишин)'. 

3. Категорически запрещается начинать сборку схем, находящи.\ся под 
напряжением, и устрашгть o6Hap)7KeHMue неисправности электрической 
цепи, если она находится под напряжением. 

4. Сборку схем лабораторной работы можно проводить только 1юсле изучения описания работы с соблюдением правил техники безопасности. 

5. Собрав электрическ}10 схему, необходимо пригласить для ее проверки 
преподавателя к-чи лаборакга. 
Включение напряжения в электрическую цепь разрешается только 
в присутствии преподавателя. 

6. При выходе установки из строя, нагревании ее частей или появлении 
дыма следует нсмсдлсино отключить от сети все приборы, используемые 
в работе, и сообшить об этом преподавателю. 

7. Окончив измерения, необходимо тотчас сообщить об этом преподавателю и отключкть от сети электрические установки и приборы 

Ук;1 ;аиия по технике f>e юпасности 

При работе с оптическими приборами необходимо соб.1юд;1ть особ)то 
осторожность, в ч;1СтноС1и, нельзя протирать оптические поверхности 
сл>'чайкыми материалами » трогать их па;1ьш1ми. 

Лабораторная работа 3.1 

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ФОКУСНОГО 

РАССТОЯНИЯ ПОЛОЖИТЕЛЬНОЙ И 

ОТРИЦАТЕЛЬНОЙ ЛИНЗ 

(2 часа) 

1 ЦЕЛЬ РАБОТЫ 

Из>'чение методов построения изображений в простейших оптнчссюсс 
шфнборах на основе линзовых систем и 01феяеленив фо1^сных расстояний 
собирающих и рассеивающих яииз. 

2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ 

Раздел 01ГТИКИ. в котором законы расяростраиеюп света рассматриваихгся на основе представления о свсговнх дучах, называется геометрической 
оптикой. Под световыми лучами поинманог мормалыше к ватновым поверхностям линии, вдоль которых раофострамяется поток световой энергии. 
Геометрическая оптика, оставаясь гцжблжменвым методом построения изображений в оптических систсьим, поэволаег разобрать основные явлсши. 
связанные с прохожоением ч^)ез них света, и яв.1яетс« поэтому основой 
теории оптичсосих приборов. 

Элементами многих оптических ycipoScn являются линзы 
-прозрачные 
тела, ограниченные криволинейными преломляющими поверхностями. Материалом для линз, способных формировать оптические изображения предметов, служат стекло, кварц, кристаллы, пластмассы и т. п. По внешней 
форме линзы делятся на ияоякогыщ'ка», 
ляосковыпуклые, двояковопотыс, 
плосковогяутые, выпукло-вогнутые, вогнуто-выпуклые. По оптичесюш 
свойствам линзы делятся на собирающие я рассеивающие. Линм называется 
топкой, если ее толщина значительно меныие радиусов сферических поверхностей. Прямая, проходящая черса центры 1фивизны поасрхшжтей линзы, называется главной оптической осио. Jlju всякой линзы существует 
точка, называемая оптическим центром линзы, лежащая на главной 
оптической оси и обладающая тем свойством, что лучи проходят рсвозь 
нее без преломления. Оптический центр линзы для простоты ^дем считать 
совпадающим с геометрическим центром средней части линзы (это ciqtaeea

ЛР 3.1 Определение фокусного расстояния лн!р 

пиво только лля двояковынз'клой и двояковогнутой лит с одинаковими 
радиусами криви>ны обеих повсрчностсйУ Or oimnecKoro центра отсчиты» 
ваются вес рассгояния в задачах о получстш изображений с помощью яию. 
Любая прямая линия, ироходяшая чере-} оптический центр линзы, иазывасгса 
огпгичсской (побочной) осью линзы. 

Точка на главной оптической оси. где пересекаются преломленные линзой лучи, (или их продолжения), которые перед падением на линзу шли пучком, параллельным ее главной оптической оси. называется фокусам F линзы, а расстояние от фокуса до оптического центра линзы - фокусны.« 
расстоянием/. 
Любая линза имеет два фок^чя, так как ока может 1фс;№М'лять световые лучи, падающие на него с обеих сторон. Фо1^-с лия^ы, лежащий со стороны падающего на нее света, называется передним фо1>^сом, а 
фокус, лежащий за линзой - задним фокусом. Если в фокусе жфосекаются 
реальные лучи, вышедшж яз линзы, то такой фокус яжпястся действипытьHhtM. а линза собирающей; если в фокусе пересалюкя 
мысленные продал« 
жсния преломленных лучей, то такой фокус является мнимым, а яин7а рассеивающей (рис. 1.1). Плоскость, перпендикулярную к главной оптической 
оси линзы и проходящую через фокус, называют фокальной плоскостью. 

Если через а обозначить расстошне от преяыега ло линзы (до ее отттяческого иектра) (рис. 1.2), а через Ъ расстояние от лиизы до изобразмная этого 
предмета, то связь этих расстояний с фокусным расстоямвем/может быть 
записана в виде формулы тонкой лякзы 

I
l
l 
а 
Ъ 
f 

Для вывода формулы (1.1) воспользуемся глицином 
Ферма или принципом наименьшего времени: действшпвяьиыО путь распространения света 
(траектория светового луча) есть путь, для прохождения которого свету 
требуется минимальное время по сравнению с любым другим мыслимым 
путе.*! .между теми же точками. 

Рассмотрим два световых луча (ряс. 1.2): дуч, сосднняюший точки Л я В 
(л)^ АОВ), и луч, проховпций через край лннзы <яуч АСВу, считая, что 
ц)емя нрохожаення света пжнл АОВ и АСВ одинакоао. 

<КПИКА.ЧШ 

•ходшиопучвщ 

врема прсшщосяш сшей шаалАОВ 

№ 3 I 01феделе101е фокусяого'рвостоаяаи лиан 

таи N ^ 
опюсителный показатель преломлеюи (п и Пу -вбсояюпак 

т 

покаэакян преаомяеши лин'ш я ок|)ужаю1цей срстл, соог» 

Рис 13 КшкщуформуялО 1) 

Время прохожамш саета vtMkABC 
равно 

Tax как/1*^/% то 

Раосмот{«мпараасямма1е(||ряооеаие)луч1,т е дуч11,о<^»зую1цмсо1т> 
ческой осыо шише уг дн. Тоаыо ярн шсаолиоааявн парахспальакк лучей 
получается слошпвчесжое амбраявваае, когда асе лучи параксиалыюго 
пучка. HcwwBjero ю течкв А, я(рсиямт овлпесцю ось в одной в юй яве 

опткА.чт 
wHotB ТогдаЛ«(а + в),Л«(6 + </)в 

aia + 0+-2(a+*) 

Амиюпмио 

V(6+<0^-»-A^=*+i/+-^ 

Шдспим» пЩжтые нфаятви • (12). оопучм 

2 Ve+« 6+t/^ 

Ди тоюой дниш е « d, d « Ь, шзпацдг npnwflviwe 
мавшо яредкпмпъ » ммв 

Уч1пыии,«т> 

« в 

^Rl-R2 
'2U2J 
2Л2 

в. ooofieicraraiw, </S ——. ooavvM 
2/^1 
HtihA
10 

(13) 

/IP 3.1. Опрсделеннс фокусного расстодцц лотп 

Выражение (t.3) представ.1дет собой формулу тонкой лнюы. 

Если а == 00, т. е. лучи падают на лшг^ параллелышм пучком, то 

1<^-ц {i*i]' 

а 6 •" OF "/иазываегся фок>'сным расстошт^м линзы и рамю 

./ = 
~ — р - 
(14) 

Ui 
/?2 

Если & * 00, т. е. изображение находкгся в бесконечности м, слеяоптельно, лучи выходат т люпы оараллелышм пучшш, юа^ OF * / Таким 
образом. фо1фсиые раостоаняа яиюы, окруженной с обеих сторон одинакоаой среоой, рааиы. 

Подстанотой (1.4) в (1.3) мооюю таучип формулу (1.1), связывающую 
фо1дгсиое расстояю1е/1«тсой линзы с офсзкамя а (раоспмняе от примета 
до ляюы) и ^ (расстояние от линзы до изображения). 

Д»говоримсл о знаках входшшх в формулы (1.1) к (1.3) величин. Рас* 
скмаше а от лшпы до прсамета воетда б^'дем счита» величиной положителыюй (а > 0) фо1д«иое расстояние 1собц)аюшей тавэы будем считать 
величиной положительны! {f > 0) а фокусное расстояние раоссиваюшей 
линзы - величиной отршатеяыюй (/ <0) 
Радиус кривизны вьицклой ш>верхностн линзы счтается оодожятелыош. ВОГНУТОЙ - осряцательным 

Если в результате расчета по формуле (I 1) расстояние b at линзы до 
тобразнатж получается аояомотяьвнм (^ > 0) то оолучеашое изображение является действятельнык я находится по другую сторону от яимш, нежели предмет если яое рассюяиие Ь очрищпеяьно (^ < 0) то изображение 
мнимое и находпся с зЫ! же стсфоны «г Л1шзи, что и 1феямег При тааой 
договоренности фо1М|ул8 лиизы позволяет не только быпро вахолять одну 
из трех входящих в нее величии по заданным даум другом, ноиооенивазъ 
характер изображения 

Для поороеима изображения ваяой-нибудь точки предмета достаточно 
просаедш ход явбых дкух дучей до шшадзвяя иа дивзу н после щхломлеяяявней, а яэобраавення щютдиенного прея»«т> иоивг бшь шйаою как 
оомкупвость изображений отдельных его точек. 

9ижь удрбпьш дая ммяроешк иэоЦ^ижеяий в яяюах "«нвоотся яучи, 
!«1ряе.1Э 

IH*I|I»J>HIJM «— 111 • • ! И Ч ^ И ! ^ * ^ ! — ^ ! » ! . - ! . — • Ч . И И 
l ^ » ! — • — • • I , , 
I 
_ • 
|> iHW 
11