Теоретические сведения

 

Линзы относятся к числу простейших оптических приборов. Они могут быть собирающими (положительными) и рассеивающими (отрицательными). Различные формы собирающих (1,2,3) и рассеивающих (4,5,6) линз приведены на рис. 27.

Рис. 27

Всякая прямая, проведённая через центр линзы, называется оптической осью линзы. Оптическая ось, проведённая через центр кривизны О₁ и О₂ поверхностей, ограничивающих линзу, называется главной оптической осью линзы (рис. 28).

Расстояние от центра линзы О до фокуса, т.е. точки в которой сходятся лучи, параллельные главной оптической оси – называется главным фокусным расстоянием .

Величину  можно измерить при непосредственном наблюдении хода лучей в линзах или косвенным способом. Его можно вычислить, например, если известны радиусы кривизны  и  поверхностей линзы и относительный показатель преломления материала линзы n относительно окружающей среды:

.

Рис. 28

Здесь радиусы кривизны поверхностей линзы нумеруются в порядке прохождения светом границ раздела и считаются положительными, если центры их кривизны расположены дальше по ходу лучей слева направо. Так у двояковыпуклой линзы, изображённой на рис. 28, а, , а . Для двояковогнутой линзы (рис. 24, б) – , .

Известно также простое соотношение между фокусным расстоянием , расстоянием от предмета до линзы  и расстоянием до изображения f:

,                                      (1)

причём f>0 для действительных изображений и f<0 для мнимых.

В работе определяются фокусные расстояния линз при непосредственном наблюдении хода лучей. Для собирающих линз фокусное расстояние  положительно, а для рассеивающих – отрицательно.

Линзы характеризуются также оптической силой. Оптической силой  линзы называют величину, обратную её фокусному расстоянию . За единицу измерения оптической силы линзы принята диоптрия. Одна диоптрия (дптр) – это оптическая сила линзы с фокусным расстоянием в один метр. Например, если линза имеет F = 20 см, то D = 5 дптр.

Линзы обладают недостатком: они, например, не дают изображения точечного источника света. Этот эффект называется аберрацией. Одним из видов аберрации является сферическая. При этой аберрации лучи, направленные на центральную часть линзы и её края, собираются в разных фокусах ввиду различной преломляющей способности разных участков линзы. Величина сферической аберрации характеризуется разностью фокусных расстояний краевых и центральных лучей ().

Рис. 29

Зная фокусное расстояние и положение кардинальных точек линзы, можно графически построить изображение предмета. На рис. 29 показано построение изображений и перемещение их в зависимости от перемещения предмета для положительной (рис.29, а) и отрицательной (рис. 29, б) бесконечно тонких линз. Для построения выбирают лучи, ход которых заранее известен. Цифры 1-6 соответствуют предметам, а 1^/-6^/ – их изображениям.

Описание прибора

 

Прибор (рис. 30) состоит из осветителя, экрана и набора линз. В корпус осветителя 1 вставляется электролампа 3 на 12 В, отцентрировать которую, т.е. добиться чёткого изображения луча на экране, можно с помощью винта 4.

Рис. 30

В нижней части корпуса закреплены однолинзовый конденсатор 5 и светофильтр 6. Обойма 8 в верхней части имеет пять щелей для формирования луча. Система зеркал, состоящая из четырёх неподвижных 9 и четырёх вращающихся 10 зеркал, даёт возможность перемещать луч по экрану. В нижней части обоймы имеется поворотная заслонка 11, предназначенная для перекрытия центрального луча.

Корпус осветителя соединён шаровым шарниром с рычагом, позволяющим установить осветитель так, чтобы все пять лучей проходили по всей плоскости экрана. Лучи света, выходя из конденсаторной линзы, проходят через щели и, отражаясь от зеркал, дают пять узких лучей, которые вращением зеркал можно направить по экрану либо параллельно друг другу, либо под углами в любом направлении.

Если требуется только один средний луч, то зеркала поворачивают на 90⁰. Если требуются только два или четыре боковых луча, то средний луч закрывают поворотом заслонки 11.

Установка линзы на экране достигается с помощью прижимных пружин.