Линзы. Построение изображений, даваемых линзой. Линзы: виды линз (физика). Виды собирающих, оптических, рассеивающих линз. Как определить вид линзы? Каким свойством обладает фокус линзы

Для получения изображений различного вида в оптических приборах очень часто используют линзы.

Линза представляет собой прозрачное тело, ограниченное двумя гладкими выпуклыми или вогнутыми поверхностями (одна из них может быть плоской). Чаще всего поверхности линзы делают сферическими, а саму линзу изготовляют из специальных сортов

стекла, например флинтгласа, или других веществ с подходящим Показателем преломления. Линзы подразделяются на выпуклые (рис. 30.1, а - в), которые толще к середине, и вогнутые (рис. 30, 1, г-е), которые к середине тоньше.

Прямую, которая проходит через сферические центры кривизны поверхностей линзы С и или через сферический центр С перпендикулярно к плоской поверхности линзы, называют главной оптической осью линзы.

Световой луч, направленный вдоль оптической оси, проходит линзу не преломляясь. (Почему?)

Изменения в ходе лучей, создаваемые линзой, легко выяснить на модели из призм (рис. 30.2). Призмы можно подобрать так, что параллельные лучи, пройдя их, соберутся почти все в одной точке Ф (рис. 30.2, а). Если эти призмы сложить вплотную, то они образуют тело, по форме близкое к выпуклой линзе. Оказывается, выпуклая линза обладает свойством собирать параллельные лучи в одной точке. Поэтому выпуклые линзы называют собирающими.

Модель действия вогнутой линзы изображена на рис. 30.2, б. (Объясните, почему вогнутые линзы называют рассеивающими.)

Внутри каждой линзы на главной оптической оси имеется точка О (рис. 30.3), которая замечательна тем, что проходящий через нее луч идет после выхода из линзы в том же направлении, что и до линзы. Точку О называют оптическим центром линзы.

Плоскости, проведенные через точки А и В, параллельны. Следовательно, луч, проходящий через точку О, идет в линзе так же, как и в плоскопараллельной пластинке, т. е. смещается параллельно самому себе, не изменяя своего направления. Поскольку это смещение луча тем меньше, чем тоньше пластинка, то в достаточно тонкнх линзах этим смещением луча можно пренебречь, особенно

если луч составляет малый угол в главной оптической осью линзы. В дальнейшем будем] рассматривать только тонкие линзы небольших размеров, в которые попадают лишь лучи, составляющие маленький угол с главной оптической осью линзы. Условные изображения тонких линз показаны на рис. 30.4 (а - собирающая, б - рассеивающая линза). Можно считать, что в тонких линзах луч, который проходит через оптический центр линзы, не преломляется.

Всякую прямую, которая проходит через оптический центр линзы О (кроме главной оптической оси), называют побочной оптической осью на рис. 30.5).

Линзы, как правило, имеют сферическую или близкую к сферической поверхность. Они могут быть вогнутыми, выпуклыми или плоскими (радиус равен бесконечности). Обладают двумя поверхностями, через которые проходит свет. Они могут сочетаться по-разному, образуя различные виды линз (фото приведено далее в статье):

Если обе поверхности выпуклые (изогнуты наружу), центральная часть толще, чем по краям.
Линза с выпуклой и вогнутой сферами называется мениском.
Линза с одной плоской поверхностью носит название плоско-вогнутой или плоско-выпуклой, в зависимости от характера другой сферы.

Как определить вид линзы? Остановимся на этом подробнее.

Собирающие линзы: виды линз

Независимо от сочетания поверхностей, если их толщина в центральной части больше, чем по краям, они называются собирающими. Имеют положительное фокусное расстояние. Различают следующие виды собирающих линз:

плоско-выпуклые,
двояковыпуклые,
вогнуто-выпуклые (мениск).

Их еще называют «положительными».

Рассеивающие линзы: виды линз

Если их толщина в центре тоньше, чем по краям, то они носят название рассеивающих. Имеют отрицательное фокусное расстояние. Существуют такие виды рассеивающих линз:

плоско-вогнутые,
двояковогнутые,
выпукло-вогнутые (мениск).

Их еще называют «отрицательными».

Базовые понятия

Лучи от точечного источника расходятся из одной точки. Их называют пучком. Когда пучок входит в линзу, каждый луч преломляется, изменяя свое направление. По этой причине пучок может выйти из линзы в большей или меньшей степени расходящимся.

Некоторые виды оптических линз изменяют направление лучей настолько, что они сходятся в одной точке. Если источник света расположен, по меньшей мере, на фокусном расстоянии, то пучок сходится в точке, удаленной, по крайней мере, на ту же дистанцию.

Действительные и мнимые изображения

Точечный источник света называется действительным объектом, а точка сходимости пучка лучей, выходящего из линзы, является его действительным изображением.

Важное значение имеет массив точечных источников, распределенных на, как правило, плоской поверхности. Примером может служить рисунок на матовом стекле, подсвеченный сзади. Другим примером является диафильм, освещенный сзади так, чтобы свет от него проходил через линзу, многократно увеличивающую изображение на плоском экране.

В этих случаях говорят о плоскости. Точки на плоскости изображения 1:1 соответствуют точкам на плоскости объекта. То же относится и к геометрическим фигурам, хотя полученная картинка может быть перевернутой по отношению к объекту сверху вниз или слева направо.

Схождение лучей в одной точке создает действительное изображение, а расхождение - мнимое. Когда оно четко очерчено на экране - оно действительное. Если же изображение можно наблюдать, только посмотрев через линзу в сторону источника света, то оно называется мнимым. Отражение в зеркале - мнимое. Картину, которую можно увидеть через телескоп - тоже. Но проекция объектива камеры на пленку дает действительное изображение.

Фокусное расстояние

Фокус линзы можно найти, пропустив через нее пучок параллельных лучей. Точка, в которой они сойдутся, и будет ее фокусом F. Расстояние от фокальной точки до объектива называют его фокусным расстоянием f. Параллельные лучи можно пропустить и с другой стороны и таким образом найти F с двух сторон. Каждая линза обладает двумя F и двумя f. Если она относительно тонка по сравнению с ее фокусными расстояниями, то последние приблизительно равны.

Дивергенция и конвергенция

Положительным фокусным расстоянием характеризуются собирающие линзы. Виды линз данного типа (плоско-выпуклые, двояковыпуклые, мениск) сводят лучи, выходящие из них, больше, чем они были сведены до этого. Собирающие объективы могут формировать как действительное, так и мнимое изображение. Первое формируется только в случае, если расстояние от линзы до объекта превышает фокусное.

Отрицательным фокусным расстоянием характеризуются рассеивающие линзы. Виды линз этого типа (плоско-вогнутые, двояковогнутые, мениск) разводят лучи больше, чем они были разведены до попадания на их поверхность. Рассеивающие линзы создают мнимое изображение. И только когда сходимость падающих лучей значительна (они сходятся где-то между линзой и фокальной точкой на противоположной стороне), образованные лучи все еще могут сходиться, образуя действительное изображение.

Важные различия

Следует быть очень внимательными, чтобы отличать схождение или расхождение лучей от конвергенции или дивергенции линзы. Виды линз и пучков света могут не совпадать. Лучи, связанные с объектом или точкой изображения, называются расходящимися, если они «разбегаются», и сходящимся, если они «собираются» вместе. В любой коаксиальной оптической системе оптическая ось представляет собой путь лучей. Луч вдоль этой оси проходит без какого-либо изменения направления движения из-за преломления. Это, по сути, хорошее определение оптической оси.

Луч, который с расстоянием отдаляется от оптической оси, называется расходящимся. А тот, который к ней становится ближе, носит название сходящегося. Лучи, параллельные оптической оси, имеют нулевое схождение или расхождение. Таким образом, когда говорят о схождении или расхождении одного луча, его соотносят с оптической осью.

Некоторые виды которых такова, что луч отклоняется в большей степени к оптической оси, являются собирающими. В них сходящиеся лучи сближаются еще больше, а расходящиеся отдаляются меньше. Они даже в состоянии, если их сила достаточна для этого, сделать пучок параллельным или даже сходящимся. Аналогично рассеивающая линза может развести расходящиеся лучи еще больше, а сходящиеся - сделать параллельными или расходящимися.

Увеличительные стекла

Линза с двумя выпуклыми поверхностями толще в центре, чем по краям, и может использоваться в качестве простого увеличительного стекла или лупы. При этом наблюдатель смотрите через нее на мнимое, увеличенное изображение. Объектив камеры, однако, формирует на пленке или сенсоре действительное, как правило, уменьшенное в размерах по сравнению с объектом.

Очки

Способность линзы изменять сходимость света называется ее силой. Выражается она в диоптриях D = 1 / f, где f - фокусное расстояние в метрах.

У линзы с силой 5 диоптрий f = 20 см. Именно диоптрии указывает окулист, выписывая рецепт очков. Скажем, он записал 5,2 диоптрий. В мастерской возьмут готовую заготовку в 5 диоптрий, полученную на заводе-изготовителе, и отшлифуют немного одну поверхность, чтобы добавить 0,2 диоптрии. Принцип состоит в том, что для тонких линз, в которых две сферы расположены близко друг к другу, соблюдается правило, согласно которому общая их сила равна сумме диоптрий каждой: D = D 1 + D 2 .

Труба Галилея

Во времена Галилея (начало XVII века), очки в Европе были широко доступны. Они, как правило, изготавливались в Голландии и распространялись уличными торговцами. Галилео слышал, что кто-то в Нидерландах поместил два вида линз в трубку, чтобы удаленные объекты казались больше. Он использовал длиннофокусный собирающий объектив в одном конце трубки, и короткофокусный рассеивающий окуляр на другом конце. Если фокусное расстояние объектива равно f o и окуляра f e , то дистанция между ними должна быть f o -f e , а сила (угловое увеличение) f o /f e . Такая схема называется трубой Галилея.

Телескоп обладает увеличением 5 или 6 крат, сравнимым с современными ручными биноклями. Этого достаточно для многих захватывающих Можно без проблем увидеть лунные кратеры, четыре луны Юпитера, фазы Венеры, туманности и звездные скопления, а также слабые звезды в Млечном Пути.

Телескоп Кеплера

Кеплер услышал обо всем этом (он и Галилей вели переписку) и построил еще один вид телескопа с двумя собирающими линзами. Та, у которой большое фокусное расстояние, является объективом, а та, у которой оно меньше - окуляром. Расстояние между ними равно f o + f e , а угловое увеличение составляет f o /f e . Этот кеплеровский (или астрономический) телескоп создает перевернутое изображение, но для звезд или луны это не имеет значения. Данная схема обеспечила более равномерное освещение поля зрения, чем телескоп Галилея, и была более удобна в использовании, так как позволяла держать глаза в фиксированном положении и видеть все поле зрения от края до края. Устройство позволяло достичь более высокого увеличения, чем труба Галилея, без серьезного ухудшения качества.

Оба телескопа страдают от сферической аберрации, в результате чего изображения не полностью сфокусированы, и хроматической аберрации, создающей цветные ореолы. Кеплер (и Ньютон) считал, что эти дефекты невозможно преодолеть. Они не предполагали, что возможны ахроматические виды которых станет известна лишь в XIX веке.

Зеркальные телескопы

Грегори предположил, что в качестве объективов телескопов можно использовать зеркала, так как в них отсутствует цветная окантовка. Ньютон воспользовался этой идеей и создал ньютоновскую форму телескопа из вогнутого посеребренного зеркала и положительного окуляра. Он передал образец Королевскому обществу, где тот находится и по сей день.

Однолинзовый телескоп может проецировать изображение на экран или фотопленку. Для должного увеличения требуется положительная линза с большим фокусным расстоянием, скажем, 0,5 м, 1 м или много метров. Такая компоновка часто используется в астрономической фотографии. Людям, незнакомым с оптикой, может показаться парадоксальной ситуация, когда более слабая длиннофокусная линза дает большее увеличение.

Сферы

Высказывались предположения, что древние культуры, возможно, имели телескопы, потому что они делали маленькие стеклянные шарики. Проблема состоит в том, что неизвестно, для чего они использовались, и они, конечно, не могли бы лечь в основу хорошего телескопа. Шарики могли применяться для увеличения мелких объектов, но качество при этом вряд ли было удовлетворительным.

Фокусное расстояние идеальной стеклянной сферы очень короткое и формирует действительное изображение очень близко от сферы. Кроме того, аберрации (геометрические искажения) значительные. Проблема кроется в расстоянии между двумя поверхностями.

Однако если сделать глубокую экваториальную канавку, чтобы блокировать лучи, которые вызывают дефекты изображения, она превращается из очень посредственной лупы в прекрасную. Такое решение приписывается Коддингтону, а увеличитель его имени можно приобрести сегодня в виде небольших ручных луп для изучения очень маленьких объектов. Но доказательств того, что это было сделано до 19-го века, нет.

Построение изображений, полученных с помощью линз Цели: сформировать практические умения применять знания о свойствах линз для нахождения изображений графическим методом; Научиться строить ход лучей в линзах, производить анализ изображений, полученных при помощи линз.

Линзой называется прозрачное тело, ограниченное двумя криволинейными (чаще всего сферическими) или криволинейной и плоской поверхностями. Линзой называется прозрачное тело, ограниченное двумя криволинейными (чаще всего сферическими) или криволинейной и плоской поверхностями. Первое упоминание о линзах можно найти в древнегреческой пьесе Аристофана «Облака» (424 до н. э.), где с помощью выпуклого стекла и солнечного света добывали огонь. Линза (нем. Linse, от лат..lens чечевица) обычно диск из прозрачного однородного материала, ограниченный двумя полированными поверхностями сферическими или плоской.. Что такое линза?

Основные элементы линзы ГЛАВНАЯ ОПТИЧЕСКАЯ ОСЬ – прямая проходящая через центры сферической поверхности линзы ОПТИЧЕСКИЙ ЦЕНТР – пересечение главной оптической оси с линзой Побочная оптическая ось – любая прямая, проходящая через оптический центр Главная оптическая ось Побочная оптическая ось О О – оптический центр

Если на собирающую линзу падает пучок лучей, параллельных главной оптической оси, то после преломления в линзе они собираются в одной оптической оси, то после преломления в линзе они собираются в одной точке F, которая называется главным фокусом линзы В фокусе рассеивающей линзы пересекаются продолжения лучей, которые до преломления были параллельны ее главной оптической оси. Фокус рассеивающей линзы мнимый. Главных фокусов - два; они расположены на главной оптической оси на одинаковом расстоянии от оптического центра линзы по разные стороны. Что такое фокус линзы? F- фокус линзы оптический центр линзы главная оптическая ось линзы

Правило Для получения изображения любой точки предмета необходимо использовать ДВА «замечательных» луча: 1. Луч, проходящий через центр линзы. Он никогда не преломляется, всегда прямой 2. Луч, параллельный главной оптической оси. После линзы он обязательно пройдёт через фокус

Построениеизображения Построение изображения F F Рисуем линзу,главную оптическую ось,Предмет АВ, Первый луч проводим из точки А через оптический центр линзы, он не преломляется! Второй луч проводим из той же точки А параллельно главной оптической оси, он преломляется и всегда проходит через фокус линзы. На пересечении этих двух лучей получаем изображение точки А A В Из точки А1 проводим перпендикуляр к главной оптической оси. А1В1 – это изображение предмета АВ А1 В1

Собирающаялинза предметнаходитсязадвойнымфокусом Собирающая линза предмет находится за двойным фокусом A Проводим два «замечательных» луча из точки А и получаем её изображение Так же с помощью двух лучей получаем изображение точки В Соединяя полученные точки, получаем изображение предмета Изображение предмета: уменьшенное, перевёрнутое F F A В В

Собирающаялинза Собирающая линза A Проводим два «замечательных» луча из точки А и получаем её изображение Так же с помощью двух лучей получаем изображение точки В Соединяя полученные точки, получаем изображение предмета Изображение предмета: увеличенное, перевёрнутое FF A В В предметнаходится междуфокусоми двойным фокусом предмет находится между фокусом и двойным фокусом

Собирающая линза A Проводим два «замечательных» луча из точки А Таким же способом получаем изображение точки В Соединяя полученные точки, получаем изображение предмета Изображение предмета: увеличенное, прямое, мнимое FF A В В предмет находится между фокусом и линзой Что же делать? и лучи рас хо дят ся! Продолжаем лучи после линзы в обратном направлении В месте пересечения мнимых лучей получаем изображение точки А

Рассеивающая линза A Проводим луч из точки А через центр линзы, он не преломится Аналогично получаем изображение точки В Соединяя полученные точки, получаем изображение предмета Изображение предмета всегда мнимое, уменьшенное, прямое В F F A В Проводим луч из точки А параллельно оси, он преломится так, что его мнимое продолжение пройдёт через фокус На пересечение двух лучей получаем изображение точки А

Собирающая линза, используемая в качестве лупы, дает … 1.действительное увеличенное изображение действительное увеличенное изображениедействительное увеличенное изображение 2.действительное уменьшенное изображение действительное уменьшенное изображениедействительное уменьшенное изображение 3.мнимое увеличенное изображение мнимое увеличенное изображениемнимое увеличенное изображение 4.мнимое уменьшенное изображение мнимое уменьшенное изображениемнимое уменьшенное изображение Вопрос 1. Вопрос 2

С помощью линзы на экране получено перевернутое изображение пламени свечи. Как изменятся размеры изображения, если часть линзы заслонить листом бумаги? 1.часть изображения пропадет;часть изображения пропадет 2.размеры изображения не изменятся;размеры изображения не изменятся; 3.размеры увеличатся;размеры увеличатся; 4.размеры уменьшатся.размеры уменьшатся. Вопрос 2. Вопрос 3

Применение линз. Применение линз. Линзы являются универсальным оптическим элементом большинства оптических систем. Линзы являются универсальным оптическим элементом большинства оптических систем. Двояковыпуклые линзы используются в большинстве оптических приборов, такой же линзой является хрусталик глаза. Двояковыпуклые линзы используются в большинстве оптических приборов, такой же линзой является хрусталик глаза. Линзы - мениски широко применяются в очках и контактных линзах. В сходящемся пучке за собирающей линзой световая энергия сосредотачивается в фокусе линзы. На этом принципе основано выжигание с помощью лупы. Линзы - мениски широко применяются в очках и контактных линзах. В сходящемся пучке за собирающей линзой световая энергия сосредотачивается в фокусе линзы. На этом принципе основано выжигание с помощью лупы.

ТОНКИЕ ЛИНЗЫ

Цель работы: освоить методику получения изображений с помощью линз, научиться определять фокусное расстояние линз.

Вопросы, знание которых обязательно

для допуска к выполнению работы:

1. Что такое линза?

2. Что такое тонкие линзы?

3. Что такое точечный источник, оптический центр линзы, главная и побочная оптическая оси, фокус, фокальная плоскость и фокусное расстояние?

4. Собирающие и рассеивающие линзы.

5. Действительное и мнимое изображение предмета.

6. Какие лучи называются параксиальными?

7. Формула тонкой линзы.

8. Увеличение линзы.

9. Оптическая сила линз.

10. Основные законы геометрической оптики.

11. Построение изображений в собирающих и рассеивающих линзах для различных случаев расположения предмета относительно линзы. Для каждого случая ответьте на следующие вопросы:

а) Где будет изображение?

б) Будет ли изображение действительным или мнимым, как его наблюдать?

в) Будет ли оно увеличенным, уменьшенным или в натуральную величину?

г) Будет ли оно перевернутым или нет?

ВВЕДЕНИЕ

Линзой называется прозрачное тело, ограниченное двумя криволинейными (обычно сферическими) поверхностями или одной криволинейной и одной плоской поверхностью. Если толщина самой линзы мала по сравнению с радиусами кривизны преломляющих поверхностей, то линзу называют тонкой.

Прямая, проходящая через центры кривизны O 1 и O 2 преломляющих поверхностей, называется главной оптической осью линзы (рис.1). В случае тонких линз можно приближенно считать, что главная оптическая ось пересекается с линзой в одной точке, которую принято называть оптическим центром линзы O.

Все прямые, проходящие через оптический центр, называются побочными (вспомогательными) оптическими осями.

Расстояния, отсчитываемые от центра линзы по ходу луча (вправо от точки О , если источник света S находится слева), будем считать положительными, а против хода светового луча (влево от точки О ) – отрицательными. Так что на рис. 1 радиус R 1 > 0, а R 2 < 0.

Если источник S 1 находится далеко слева от собирающей линзы, т. е. пучок лучей падает на линзу параллельно главной оптической оси (рис. 2,а), то из опыта известно, что лучи пересекут оптическую ось на расстоянии а 2 за линзой. Соответствующее этому случаю расстояние а 2 = OF 2 = f 2 называется фокусным расстоянием линзы, а точка F 2 – задним фокусом .

Если параллельный пучок идет справа, получим f 1 = –f 2 , соответствующая точка F 1 называется передним фокусом (рис. 2,в). Обратите внимание, что для тонкой линзы | f 1 | = | f 2 | ≡ f , если по обе стороны линзы одна и та же среда.

Если пучок после преломления получается расходящимся, то точка, где сходятся (после преломления) воображаемые продолжения лучей, падающих параллельно главной оптической оси, называют мнимым фокусом(рис. 2,б).

Таким образом, фокусомлинзы называется точка, в которой после преломления собираются все лучи (или их воображаемые продолжения), падающие на линзу параллельно главной оптической оси.

Плоскости V 1 и V 2 (рис. 3), проходящие через фокусы перпендикулярно главной (основной) оптической оси, носят название фокальных плоскостей линзы.

Если световой пучок падает параллельно главной оптической оси, то лучи собираются в главных фокусах, если же световой пучок падает параллельно побочной оси, то лучи собираются в побочных фокусах, находящихся на фокальных плоскостях линзы (рис. 3).

Обозначим расстояние от источника света S 1 до оптического центра линзы – а 1 , а 2 – расстояние от оптического центра линзы до изображения источника (рис. 4). На чертеже а 2 > 0 , а а 1 < 0 и R < 0, так как эти расстояния отсчитываются влево от линзы. Проводя аналитическое решение можно показать, что расстояния а 2 и а 1 , связаны с радиусами кривизны линзы, находящейся в воздухе, следующим соотношением:

где f – фокусное расстояние линзы, т. е. расстояние от фокуса до оптического центра линзы; n л – показатель преломления материала линзы.

Данное соотношение называется формулой тонкой линзы. Из этой формулы следует, что а 2 не зависит от углов β , т. е. все лучи, вышедшие из S 1 под разными углами, соберутся на одном расстоянии а 2 от границы раздела (в точке S 2).

Это верно для лучей, исходящих из точки S 1 под небольшими углами β < 10° (такие лучи называются параксиальными) к оптической оси, проходя линзу, лучи дважды преломляются на сферических поверхностях и собираются в одну точку S 2 , расположенную также на оптической оси и называемую изображением точки S 1 (рис. 4).

Формулу (1) можно записать в виде:

Величина D носит названиеоптической силы линзыи в системе СИ измеряется в диоптриях(или м –1 ). Диоптрия равна оптической силе линзы с фокусным расстоянием в один метр. Она может быть положительной или отрицательной.

Линзы со значением D > 0 называются собирающими, так как они собирают параллельный пучок в точку, а с D < 0 – рассеивающими.

Для удобства построения хода лучей в тонких линзах на чертежах сами линзы изображают следующим образом: а – собирающая линза, б – рассеивающая (рис. 5). Рассеивающая линза имеет мнимые фокусы.

Это значит, что для нее задний фокус F 2 расположен слева, а передний F 1 – справа. Она образует только мнимое уменьшенное изображение.

Изображение предмета, даваемое линзой, можно получить непосредственно геометрическим построением, воспользовавшись свойством следующих лучей (рис.6):

· луч, проходящий через оптический центр линзы, не преломляется, луч (1);

· луч, падающий на линзу параллельно оптической оси после преломления, проходит через фокус, луч (2);

· луч, проходящий через передний фокус, после преломления параллелен оптической оси, луч (3).

Если от источника луч идет под некоторым углом к главной оптической оси, то необходимо построить побочную ось и найти побочный фокус, преломленный луч будет проходить через этот фокус (рис. 7).

Рассмотрим построение изображения в тонкой собирающей линзе (рис.6).

При этом, если изображение формируется непосредственно преломленными лучами, оно называется действительным, а если их воображаемыми продолжениями лучей, то мнимым.

Отношение линейных размеров изображения и исходного предмета, называется линейным или поперечным увеличением β, определяется следующей зависимостью (рис.6):

Линейное увеличение – алгебраическая величина. Оно положительно, если изображение прямое, т. е. ориентировано так же, как и сам предмет, и отрицательно, если изображение обратное.

ГБПОУ РМ «Саранский медицинский колледж»

Конспект занятия

по дисциплине «Физика»

Тема: «Оптические приборы. Построение изображения с помощью линзы»

Составила: преподаватель физики

Горина Анна Дмитриевна

Дисциплина: физика

Занятие №: 3.23

Тема: Оптические приборы. Построение изображения с помощью линзы

Цель: усвоение теоретических основ изучаемой темы (разрешающая способность, линзы (собирающие и рассеивающие), формула тонкой линзы, оптические приборы, рефракция, дефекты зрения)

Обеспечение занятия: учебник, конспект лекции, презентация

Тип занятия: комбинированный урок

Технология обучения: развивающее обучение

Методы обучения: лекция

Компетенции:

ОК 1. Организовывать собственную деятельность, выбирать типовые методы и способы выполнения профессиональных задач, оценивать их эффективность и качество.

ОК 2. Осуществлять поиск и использование информации, необходимой для эффективного выполнения профессиональных задач, профессионального и личностного развития.

ОК 3. Использовать информационно-коммуникационные технологии в профессиональной деятельности.

ПК 1. Оформлять документы первичного учета.

Межпредметные связи: медицина

Используемая литература:

Жданов Л.С., Жданов Г.Л. Физика для средних специальных учебных заведений

Мякишев Г.Я., Физика. 11 класс: учеб. для общеобразоват. учреждений: базовый и профил. уровни / Г. Я. Мякишев, Б. Б. Буховцев, В. М. Чаругин; под ред. В. И. Николаева, Н. А. Парфентьевой. - М.: Просвещение, 2010. - с. 186-194

1. Организационный момент : 3-5 мин

(отметка отсутствующих, проверка внешнего вида учащихся, санитарного состояния кабинета)

2. Проверка знаний по пройденному материалу: 10-15 мин

Для проверки знаний по пройденному занятию проводится фронтальный опрос.

Контрольные вопросы:

1. Каков физический смысл абсолютного показателя преломления вещества?

Примерный ответ: абсолютный показатель преломления вещества равен отношению скоростей света в средах, на границе между которыми происходит преломление :

(формула, которую должны записать обучающиеся)

2. Как помощью закона отражения построить изображение точечного источника света в плоском зеркале?

Примерный ответ: обучающийся должен нарисовать примерный рисунок, соответствующий данному.

3. При каком условии возникает явление полного отражения света?

Примерный ответ: явление полного отражения света возможно при условии

, где α0 - предельный угол полного отражения, который равен углу падения α0, соответствующий углу преломления 900.

4. Как определяется предельный угол полного отражения?

Примерный ответ: для каждой преломляющей среды предельный угол полного отражения вычисляется по формуле и имеет свое значение.

5. Что такое спектр? Перечислите цвета спектра?

Примерный ответ: спектр - радужная полоска, состоящая из 7 цветов - красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый.

6. Что такое дисперсия света? Почему показатель преломления зависит от частоты света?

Примерный ответ: дисперсия света - зависимость показателя преломления среды от частоты световой волны. Показатель преломления зависит от частоты света, потому что при преломлении происходит уменьшение скорости движения световой волны за счет прохождения через среду. Это зависимость вытекает из формулы:
.

3. Изложение материала : 45-50 мин

1) Линзы и их характеристики.

2) Глаз как оптический прибор. Оптические дефекты зрения.

3) Оптические приборы.

Обучающиеся конспектируют материал занятия, записывая со слайдов презентации.

Обучающиеся записывают тему занятия (слайд 1) и план занятия (слайд 2)

Слайд 1 Слайд 2

Вопрос 1

Линза - прозрачное тело, ограниченное с двух сторон сферическими поверхностями.

Линза может быть ограничена различными сферическими поверхностями, в зависимости от этого и различают виды линз.

В общем случае они могут быть выпуклыми (двояковыпуклая, плосковыпуклая, вогнуто-выпуклая), если посредине толщина больше, чем у краев и вогнутыми (двояковогнутая, плосковогнутая, выпукло-вогнутая), если посредине толщина меньше, чем у краев (слайд 3).

Геометрические характеристики линзы - обучающиеся зарисовывают линзу с условным обозначением, затем записывают пояснение к каждой характеристике (слайд 4 и 5).

главная оптическая ось - прямая, на которой лежат центры сферических поверхностей, ограничивающих линзу. Главная оптическая ось - ось симметрии линзы;

оптический центр линзы - точка, лежащая на оптической оси, в центре линзы;

побочная оптическая ось - любая прямая, проходящая через оптический центр;

главная плоскость линзы - проходящая через центр линзы перпендикулярно главной оптической оси;

радиус кривизны - линия пересечения сферических поверхностей с радиусами

Слайд 4 Слайд 5

На слайде 6 показано использование линзы для изменения формы волнового фронта. Здесь плоский волновой фронт становится сферическим при прохождении через линзу (при показе презентации видна анимация процесса).

Фокус - точка на главной оптической оси, в которой лучи светового пучка, после преломления в выпуклой линзе, пересекаются. Эту точку обозначают буквой F.

Фокусное расстояние - расстояние от оптического центра до фокуса.

Поместив светящуюся точку в фокусе линзы (или в любой точке ее фокальной плоскости), получим после преломления параллельные лучи.

Вогнутые линзы, находящиеся в оптически менее плотной среде (по сравнению с материалом линзы), являются рассеивающими. Направив на такую линзу лучи параллельно главной оптической оси, мы получим расходящийся пучок лучей. Их продолжения пересекаются в главном фокусе рассеивающей линзы.

расстояние f от изображения до линзы

фокусное расстояние F

Слайд 8 Слайд 9

Величины d, f и F могут быть как положительными, так и отрицательными. Применяя формулу линзы, нужно ставить знаки перед членами уравнения согласно следующему правилу.

Если линза собирающая, то ее фокус действительный, и перед членом ставят знак «+».

Если линза рассеивающая, то F < 0 и в правой части формулы будет стоять отрицательная величина.

Перед членом ставят знак «+», если изображение действительное, и знак «-» в случае мнимого изображения.

Перед членом ставят знак «+» в случае действительной светящейся точки и знак «-», если она мнимая (т. е. на линзу падает сходящийся пучок лучей, продолжения которых пересекаются в одной точке).

В том случае, когда F, f или d неизвестны, перед соответствующими членами, и ставят знак «+». Но если в результате вычислений фокусного расстояния или расстояния от линзы до изображения либо до источника получается отрицательная величина, то это означает, что фокус, изображение или источник мнимые.

Изображение, получаемое с помощью линзы, обычно отличается своими размерами от предмета. Различие размеров предмета и изображения характеризуют увеличением.

Линейным увеличением называют отношение линейного размера изображения к линейному размеру предмета (слайд 10).

H - высота изображения

h - высота предмета

Увеличение линзы равно отношению расстояния от изображения до линзы, к расстоянию от линзы до предмета:

Построение изображений в линзе (слайды 12-17). На каждом слайде с помощью анимации показан процесс построения изображения.

Свойства тонкой линзы определяются главным образом расположением ее фокусов. Это означает, что, зная расстояние от источника света до линзы и ее фокусное расстояние (положение фокусов), можно найти расстояние до изображения, не рассматривая ход лучей внутри линзы . Поэтому нет необходимости изображать на чертеже точный вид сферических поверхностей линзы. Известно, все лучи, вышедшие из какой-либо точки предмета, пройдя сквозь линзу, пересекаются также в одной точке. Именно поэтому тонкая линза дает изображение любой точки предмета, а, следовательно, и всего предмета в целом. Для построения изображений, получаемых с помощью собирающей линзы, фокусы и оптический центр которой заданы, мы будем пользоваться в основном тремя видами «удобных» лучей:

луч, проходящий через оптический центр

луч, падающий на линзу параллельно главной оптической оси;

луч, проходящий через фокус.

Характеристика изображений:

прямое и перевернутое

увеличенное и уменьшенное

действительное и мнимое

Для построения преломленного луча проведем побочную оптическую ось PQ, параллельную лучу SB. Затем построим фокальную плоскость и найдем точку С пересечения фокальной плоскости с побочной оптической осью. Через эту точку и пройдет преломленный луч ВС. Таким образом, построен ход двух лучей, выходящих из точки S. После преломления в линзе эти лучи расходятся. Изображение S1 точки S будет мнимым, так как источник расположен между фокусом и линзой.

Для собирающей двояковыпуклой линзы

Предмет находится между фокусом и двойным фокусом (слайд 12)

Характеристика изображения

увеличенное

действительное

перевернутое

Предмет находится на одинарном фокусном расстоянии (слайд 13)

Характеристика изображения - изображения нет, т.к. лучи не сходятся

Предмет находится между фокусом и линзой (слайд 14)

Характеристика изображения

увеличенное

Предмет находится на двойном фокусном расстоянии (слайд 15)

Характеристика изображения

такого же размера, что и предмет

действительное

перевернутое

Предмет расположен за двойным фокусом

Характеристика изображения

уменьшенное

действительное

перевернутое

Для рассеивающей двояковогнутой линзы

При любых построения даваемое изображение будет уменьшенное, мнимое, прямое.

Вопрос 2

Человеческий глаз - достаточно сложная оптическая система, сформировавшаяся в процессе эволюции.

1 - склера - наружная оболочка глаза, которая защищает внутреннее содержание и обеспечивает жесткость.

2 - роговица - через нее проникает свет

3 - радужная оболочка - мышечное кольцо, которое сжимаясь и растягиваясь, меняет размеры зрачка и тем самым световой поток, попадающий в глаз.

4 - зрачок

5 - хрусталик - линзообразное тело, которое с помощью 6 может натягиваться и расслабляться. Меняя радиусы кривизны поверхности хрусталика и тем самым его оптическую силу. Изменение кривизны хрусталика определяет способность глаза к аккомодации - изменению оптической силы глаза. Аккомодация происходит непроизвольно. Точку, которую глаз видит при расслабленной цилиарной мышце, называется дальней точкой, видимая при максимальном напряжении - ближней точкой. При норме дальняя точка лежит бесконечно далеко, ближняя - на расстоянии около 15-20 см.

Дефекты зрения

Близорукость - дефект зрения, при котором дальняя точка лежит на конечном расстоянии. Это вызывается либо вытянутостью глаза, либо спазмом цилиарной мышцы. Для лучшей видимости приходится приближать глаз к предмету. Коррекция проводится с помощью рассеивающих линз.

Дальнозоркость - дефект зрения, при котором ближняя точка удаляется от глаза. Это вызывается либо укороченность глазного яблока, либо слабой аккомодацией. Коррекция проводится с помощью собирающих линз.

6 - цилиарная связка

7 - стекловидное тело

Роговица, водянистая влага, хрусталик и стекловидное тело образуют оптическую систему, аналогичную линзе с оптической силой около 58.5 дптр (f=17.2 мм). Оптический центр этой системы расположен на расстоянии около 5 мм от роговицы.

8 - сосудистая оболочка

9 - сетчатка - полусфера, состоящая из рецепторных клеток, имеющих форму колбочек и палочек. Колбочки отвечают за цветовое зрение (три типа палочек - зеленые, красные, синие). Палочки отвечают за сумеречное зрение. Спектральная чувствительностью глаза максимальна в области желто-зеленого диапазона (около 560 нм).

10 - зрительный нерв

11 - слепое пятно

12 - центральная ямка - область наибольшей остроты зрения.

Рефракция глаза — преломляющая сила оптической системы глаза, выраженная в диоптриях. Рефракция глаза как физическое явление определяется радиусом кривизны каждой преломляющей среды глаза, показателями преломления сред и расстоянием между их поверхностями, т.е. обусловлена анатомическими особенностями глаза. Однако в клинике имеет значение не абсолютная сила оптического (светопреломляющего) аппарата глаза, а ее соотношение с длиной переднезадней оси глаза, т.е. положение заднего главного фокуса (точка пересечения лучей, проходящих через оптическую систему глаза, параллельно его оптической оси) по отношению к сетчатке — клиническая рефракция.

В зависимости от формы оптического аппарата глаза различают сферическую рефракцию глаза, когда преломление лучей в глазу одинаково во всех меридианах, и астигматическую, когда в одном и том же глазу имеется сочетание различных рефракций, т.е. преломление лучей неодинаково по различным меридианам. В астигматическом глазу различают два главных сечения меридиана, которые располагаются под прямым углом: в одном из них рефракция глаза наибольшая, в другом — наименьшая. Разницу рефракции в этих меридианах называют степенью астигматизма. Небольшие степени астигматизм а (до 0,5 дптр) встречаются довольно часто, они почти не ухудшают зрения, поэтому такой астигматизм называют физиологическим.

Нередко во время зрительной работы, особенно на близком расстоянии, быстро наступает утомление глаз (зрительный дискомфорт). Это состояние называют астенопией. Она проявляется тем, что контуры букв или мелких предметов становятся неясными, возникает боль в области лба, около глаз, в глазах. Такая клиническая картина характерна для аккомодативной астенопии, в основе которой лежит утомление ресничной мышцы, что наблюдается при дальнозоркости, пресбиопии, астигматизм е. При миопии развивается так называемая мышечная астенопия, вызванная дефектами в бинокулярной зрительной системе; она проявляется болью в глазах, двоением при работе на близком расстоянии. Для устранения астенопии необходима наиболее ранняя оптическая коррекция аметропии или пресбиопии, создание благоприятных гигиенических условий зрительной работы, чередование ее с отдыхом для глаз, общеукрепляющее лечение.

Вопрос 3

Оптические приборы

1. Лупа - короткофокусная двояковыпуклая линза.

- угловое увеличение лупы

d0 - расстояние наилучшего зрения (25 см)

f - расстояние от изображения до линзы

Чем меньше фокусное расстояние линзы, тем большее увеличение она дает.

2. Микроскоп - комбинация двух короткофокусных систем: объектива и окуляра.

Объектив - линза, ближайшая к предмету.

Окуляр - линза, ближайшая к глазу наблюдателя.

- увеличение, даваемое объективом

- увеличение, даваемое окуляром

- угловое увеличение микроскопа

Δ - длина тубуса микроскопа

Разрешающая способность микроскопа

λ - длина световой волны

d - расстояние от предмета до объектива

D - диаметр объектива

Для уменьшения расстояния необходимо использовать более короткофокусные линзы.

3. Телескоп - прибор для наблюдения удаленных объектов.

Виды телескопов:

телескоп - рефрактор - телескоп, использующий линзовую систему.

телескоп - рефлектор - телескоп, использующий зеркальную систему.

- угловое увеличение телескопа

Для получения большого углового увеличения необходимо соединить длиннофокусный объектив с короткофокусным окуляром.

4. Фотоаппарат - светонепроницаемая камера и система линз.

5. Кинопроектор

Линзы являются основной частью фотоаппарата , проекционного аппарата, микроскопа, телескопа. В глазу тоже есть линза — хрусталик.

Действие оптических приборов описывается законами геометрической оптики. Согласно этим законам можно различать с помощью микроскопа сколь угодно малые детали объекта; с помощью телескопа можно установить существование двух звезд при любых малых угловых расстояниях между ними.

Волновая природа света налагает предел на возможность различать детали предмета или очень мелкие предметы при их наблюдении с помощью микроскопа. Дифракция не позволяет получить отчетливые изображения мелких предметов, так как свет распространяется не строго прямолинейно, а огибает предметы. Из-за этого изображения получаются размытыми. Это происходит, когда линейные размеры предметов меньше длины световой волны.

Дифракция также налагает предел на разрешающую способность телескопа. Вследствие дифракции волн у края оправы объектива изображением звезды будет не точка, а система светлых и темных колец. Если две звезды находятся на малом угловом расстоянии друг от друга, то эти кольца налагаются друг на друга, и глаз не может различить, имеются ли две светящиеся точки или одна. Предельное угловое расстояние между светящимися точками, при котором их можно различать, определяется отношением длины волны к диаметру объектива.

Этот пример показывает, что с дифракцией приходится считаться всегда, при любых препятствиях. Ею при очень тщательных наблюдениях нельзя пренебрегать и в случае препятствий, размеры которых значительно больше, чем длина волны.

Дифракция света определяет границы применимости геометрической оптики. Огибание светом препятствий налагает предел на разрешающую способность важнейших оптических инструментов — телескопа и микроскопа.

4. Закрепление нового материала : 17-20 мин

Вопросы для самоконтроля:

1. Почему изображение в плоском зеркале называется мнимым?

2. Какая линза является собирающей? рассеивающей?

3. Какую линзу называют тонкой?

4. Какие величины связывает между собой формула тонкой линзы?

5. Чем отличается действительное изображение от мнимого?

6. Что называется главным фокусом линзы?

7. Что называется увеличением линзы?

5. Задание на дом : 5 мин

гл. 30 § 1-3; гл. 31 § 1-3

6. Подведение итогов : 5 мин