Методические указания по проведению практической работы «Построение изображения в линзах» по учебной дисциплине Физика
УПРАВЛЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ ЛИПЕЦКОЙ ОБЛАСТИ
ГОАПОУ «Липецкий металлургический колледж»
Методические указания по проведению практических работ
по дисциплине «Физика»
Раздел «Оптика»
Практическая работа №7
«Построение изображения в линзах»
для специальности (группы специальностей):1 курса
13.02.11 Техническая эксплуатация и обслуживание электрического и электромеханического оборудования (по отраслям),
15.02.01 Монтаж и техническая эксплуатация промышленного оборудования (по отраслям),
15.02.07 Автоматизация технологических процессов и производств (по отраслям),
22.02.01 Металлургия черных металлов
22.02.05 Обработка металлов давлением
09.02.01 Компьютерные системы и комплексы
09.02.04 Информационные системы (по отраслям)
09.02.05 Прикладная информатика (по отраслям)
15.02.03 Техническая эксплуатация гидравлических машин, гидроприводов и гидропневмоавтоматики
Липецк-2015
Методические указания по проведению практической работы по дисциплине ОДп 12 «Физика» для специальностей 13.02.11 Техническая эксплуатация и обслуживание электрического и электромеханического оборудования (по отраслям), 22.02.01 Металлургия черных металлов, 22.02.05 Обработка металлов давлением, 15.02.01 Монтаж и техническая эксплуатация промышленного оборудования (по отраслям), 15.02.07 Автоматизация технологических процессов и производств (по отраслям), 09.02.01 Компьютерные системы и комплексы, 09.02.04 Информационные системы (по отраслям), 09.02.05 Прикладная информатика(по отраслям), 15.02.03 Техническая эксплуатация гидравлических машин, гидроприводов и гидропневмоавтоматики по разделу «Оптика».
Составитель: Красникова Л.Н., преподаватель математических дисциплин
ОДОБРЕНО
Цикловой комиссией МОЕНД
Председатель: _______________ /Красникова Л.Н./
Заместитель директора по учебной работе: _________________/Перкова Н. И./
Методические указания по проведению практических работ предназначены для студентов ГОАПОУ «Липецкий металлургический колледж» специальности 1 курса для подготовки к практическим работам с целью освоения практических умений и навыков по разделу «Оптика».
Методические указания по проведению практических работ составлены в соответствии с рабочей программой ОДп 12 для специальностей 13.02.11 Техническая эксплуатация и обслуживание электрического и электромеханического оборудования (по отраслям), 22.02.01 Металлургия черных металлов, 22.02.05 Обработка металлов давлением, 15.02.01 Монтаж и техническая эксплуатация промышленного оборудования (по отраслям), 15.02.07 Автоматизация технологических процессов и производств (по отраслям), 09.02.01 Компьютерные системы и комплексы, 09.02.04 Информационные системы (по отраслям), 09.02.05 Прикладная информатика(по отраслям). , 15.02.03 Техническая эксплуатация гидравлических машин, гидроприводов и гидропневмоавтоматики
Введение
Методические указания по выполнению практической работы разработаны согласно рабочей программе ОДп 12 «Физика» для специальностей 1 курса по разделу «Оптика».
Практические работы направлены на овладение следующими знаниями и умениями.
В результате изучения раздела студенты должны:
знать:
понятия: линза, свет, дифракция, интерференция, дисперсия и поляризация света, законы: отражение и преломление, полного внутреннего отражения света, принцип постоянства скорости света в вакууме
уметь:
-решать задачи с использованием изученных понятий и формул зада по теме «Геометрическая оптика».
Практические работы следует проводить по мере прохождения студентами теоретического материала.
Практические работы рекомендуется производить в следующей последовательности:
- вводная беседа, во время которой кратко напоминаются теоретические вопросы по теме работы, разъясняется сущность, цель выполнения работы;
- самостоятельное выполнение заданий;
- защита практической работы в форме собеседования.
Методические указания к выполнению практической работы для студентов
К выполнению практической работы необходимо приготовиться до начала занятия, используя рекомендованную литературу и конспект лекций.
Студенты обязаны иметь при себе линейку, карандаш, калькулятор, тетрадь.
При подготовке к сдаче практической работы, необходимо ответить на предложенные контрольные вопросы.
Практическая работа №7
Тема: «Построение изображения в линзах».
Цель: Научиться решать задачи на построение изображений в тонких линзах
Порядок выполнения работы:
Внимательно прочитать теоретическую часть и план решения задач
Рассмотреть примеры решения задач
Ответить на контрольные вопросы.
Получить и выполнить индивидуальные задания.
Теоретическая часть
Линза - прозрачное тело, ограниченное двумя сферическими поверхностями. На приведены условные обозначения линз: 1 - собирающая линза, 2 - рассеивающая линза.
Рис. 4.1.1O
Главным фокусом линзы (F) - называется точка на глав ной оптической оси, в которой собираются после преломления в линзе лучи, параллельные друг другу и главной оптической оси линзы. Линза имеет два главных фокуса, расположенных на фокусном расстоянии от оптического центра линзы. У собирающей линзы фокусы действительные , у рассеивающей - мнимые
Побочным фокусом линзы называется точка, в которой пересекаются после преломления в линзе лучи, идущие до линзы параллельно друг другу. Побочные фокусы линзы расположены в фокальной плоскости, которая перпендику лярна главной оптической оси и проходит через главный фокус. Иллюстрация для собирающей линзы
Оптическая сила линзы - величина, обратная фокусному расстоянию.
где F - фокусное расстояние, единицы измерения [м]; D -оптическая сила, единицы измерения - диоптрии [дптр].
Для построения изображения в линзах используют три «удобных» луча
Луч, проходящий через оптический центр линзы, не преломляется.
Луч, распространяющийся параллельно главной оптической оси линзы, после преломления проходит через главный фокус линзы.
Луч, выходящий из главного фокуса линзы, после преломления распространяется параллельно главной оптической оси.
План решения задач
1.Задачи на законы отражения и преломления
При решении задач на построение и движение изображения предмета в плоском зеркале необходимо учитывать, что предмет и его изображение расположены симметрично относительно плоскости зеркала. Для построения изображения всего предмета достаточно найти изображение его крайних точек. В полученном чертеже возникают подобные тре угольники, что позволяет записать пропорции из отноше ний их соответствующих сторон. Если предмет расположен не напротив зеркала, то необходимо продолжить плоскость зеркала и перенести крайние точки предмета симметрично на другую сторону от нее.
При переходе через границу раздела двух сред с разными показателями преломления необходимо, как правило, сде лать чертеж и изобразить ход лучей, учитывая, в более или менее плотную среду переходит свет. Если луч проходит несколько таких границ раздела, то соответствующий чертеж должен быть сделан для каждой из них. Затем записывается закон преломления для каждого перехода луча и, при необ ходимости, дополнительные геометрические соотношения, следующие из условия конкретной задачи.
2.Задачи на построение и расчеты в тонких линзах
1) Для построения изображения в линзах достаточно знать ход трех «удобных» лучей после преломления в линзах, описанных выше. Для построения изображения в собирающей линзе необходимо учесть, где относительно фокусов линзы расположен предмет.
Если предмет расположен за двойным фокусным расстоянием (за 2F), то его изображение будет действительным, обратным, уменьшенным и расположенным между Fи 2F. Такой случай реализуется в фотоаппарате.
Если предмет расположен между Fи 2F, то его изображение будет действительным, обратным, увеличенным и расположенным за 2F. Такое изображение используется в киноаппарате и проекционном аппарате.
При помещении предмета между линзой и ее главным фокусом его изображение становится мнимым, прямым, уве личенным. Такое изображение мы наблюдаем в лупе.
Для рассеивающей линзы качество изображения не зависит от того, где относительно линзы расположен предмет. В любом случае его изображение мнимое, прямое, уменьшенное.
Если закрыть часть линзы непрозрачным экраном, то характеристики изображения не изменятся, однако его яркость уменьшится, т.к. в формировании изображения будет участвовать меньшее количество лучей.
При построении изображения в системах линз необходимо строить цепочку изображений: изображение, даваемое первой линзой, является предметом для следующей, и так далее до окончательного изображения.
Часто в построениях возникает понятие побочного фокуса линзы. Для нахождения побочных фокусов необходимо провести фокальную плоскость, которая проходит через главный фокус линзы перпендикулярно ее главной оптической оси.
2) Для проведения расчетов необходимо правильно записать формулу линзы, т.е. правильно выбрать знаки перед F, dи f. Название оптического прибора при этом дает нужную информацию о типе применяемых линз и характере изображения в них. Если используется система линз, то необхо димо учесть, где располагаются «промежуточные» изображения, т.е. соотнести значения F, d,f и расстояния между линзами. Часто в задачах данного типа используется также формула для увеличения.
Примеры решения задач
Пример 1.
Вертикальный колышек высотой 1 м, поставленный вбли зи уличного фонаря, отбрасывает тень длиной 0,8 м. Если передвинуть колышек на 1 м дальше от фонаря в той же плоскости, то он отбрасывает тень длиной 1,25 м. На какой вы соте подвешен фонарь?
Дано:
h = 1 м
l1 =0,8 м
d = 1 м
l2 = 1,25 м
Решение:
13 QUOTE 1415- ?
Обозначим расстояние от колышка до фонаря х. Из рис. видно, что треугольники ОАВ и CDB подобны, следовательно, 13 QUOTE 1415.
Выразим из этой формулы x:13 QUOTE 1415.
После перемещения колышка образовались подобные треугольники OAB1 и C1D1B1. Поэтому 13 QUOTE 1415 или 13 QUOTE 1415.
Подставляя в полученное выражение х, находим высоту, на которой подвешен фонарь.
13 QUOTE 1415.
13 QUOTE 1415.
Ответ: 3,2 м.
Пример 2.
Столб вбит в дно реки, и 1 м столба возвышается над во дой (рис.). Найти длину тени столба на поверхности и на дне реки, если высота солнца над горизонтом 30°, глубина реки 2 м, показатель преломления воды 1,33, показатель пре ломления воздуха равен 1.
Дано:
h1 = 1 м
h2 = 2 м
13 QUOTE 1415 = 0,8 м
n = 1,33
Решение:
13 QUOTE 1415- ?
13 QUOTE 1415- ?
Тень на поверхности реки обозначена 13 QUOTE 1415:
13 QUOTE 1415 м.
Тень на дне реки:
13 QUOTE 1415, где 13 QUOTE 1415, и 13 QUOTE 1415.
Угол преломления /3 находится из закона преломления:
13 QUOTE 1415.
Выражаем 13 QUOTE 1415, учитывая, что 13 QUOTE 1415:
13 QUOTE 1415.
Следовательно, 13 QUOTE 1415.
Находим 13 QUOTE 1415:
13 QUOTE 1415 м.
Ответ: 1,73 м и 3,45 м.
Пример 3.
От предмета высотой 3 см получили с помощью линзы действительное изображение высотой 18 см. Когда предмет передвинули на 6 см, то получили мнимое изображение вы сотой 9 см. Определите фокусное расстояние и оптическую силу линзы.
Дано:
h = 3 см
H = 18см
H1 =9 см
a =6 см
Решение:
Увеличение во втором случае13 QUOTE 1415,
выражаем 13 QUOTE 1415.
Запишем для первого случая формулу лин зы и учтем полученное соотношение между 13 QUOTE 1415 и 13 QUOTE 1415:
13 QUOTE 1415- ?
13 QUOTE 1415 - ?
13 QUOTE 1415. (1)
Аналогично, увеличение во втором случае 13 QUOTE 1415 и 13 QUOTE 1415.
Записывая формулу линзы во втором случае, учитываем, что изображение мнимое, поэтому перед 13 QUOTE 1415 ставим знак минус:
13 QUOTE 1415.
По условию 13 QUOTE 1415, следовательно, 13 QUOTE 1415 (2)
Из (1) и (2) следует 13 QUOTE 1415 и 13 QUOTE 1415.
Из (1) находим F:
13 QUOTE 1415.
Ответ: 12 см и 8,33 дптр.
Пример 4.
Расстояние между двумя точечными источниками света 24 см. Где между ними надо поместить собирающую линзу с фокусным расстоянием 9 см, чтобы изображение обоих ис точников получилось в одной и той же точке?
Дано:
l = 24 см
F = 9 см
Решение:
Так как изображения двух источников долж ны находиться в одной точке, то одно изображе ние будет действительным, а другое - мнимым.
Предположим, что изображение первого ис точника будет мнимым, а второго - действитель ным:
13 QUOTE 1415- ?
13 QUOTE 1415 - ?
13 QUOTE 1415 и 13 QUOTE 1415.
Выразим из этих формул f1 и f1и учтем, что f1=f2:
13 QUOTE 1415.
Кроме того,13 QUOTE 1415 и 13 QUOTE 1415.
Получаем13 QUOTE 1415 или 13 QUOTE 1415.
Решаем квадратное уравнение:
13 QUOTE 1415.
Если d1 = 18 см, от d 2 = 24 - 18 = 6 см.
Если d1 = 18 см, от d 2 = 24 - 6 = 18 см.
Следовательно, линза должна находиться на расстоянии 6 см от одного источника и 18 см от другого.
Ответ: 18 см и 6 см.
Пример 5.
Если фотографировать движущийся объект, то расстоя ние, на которое он переместится во время экспозиции, ос тавляет размытость изображения на пленке. С какой скоро стью может перемещаться объект перпендикулярно главной оптической оси объектива с фокусным расстоянием 7 см, на расстоянии 10 м от него, чтобы размытость не превышала 0,14 мм при времени экспозиции 1,4 мс?
Дано:
F = 7 см = 0,07 м
t = 0,0014 с
d = 10 м
l = 0,14 мм = 0,14*10-3 м
Решение:
За время экспозиции движущий ся предмет перемещается на рассто яние S= vt.
Размытость l - это изображение расстояния S.
13 QUOTE 1415, откуда13 QUOTE 1415
13 QUOTE 1415- ?
Формула линзы 13 QUOTE 1415. Выражаем f и подставляем в формулу для скорости:
13 QUOTE 1415;
13 QUOTE 1415;
13 QUOTE 1415.
Ответ: 14,2 м/с.
Контрольные вопросы для самопроверки
Сформулируйте основные законы оптики.
В чем суть модели атома Томсона?
Что изучает оптика?
Сформулируйте постулаты Бора.
Что изучает геометрическая оптика?
Что называют относительным показателем преломления, абсолютным показателем преломления?
Что называют плоским зеркалом? сферическим зеркалом?
Что называют главным фокусом сферического зеркала? главным фокусным расстоянием? оптическим центром? главной оптической осью?
Каковы свойства вынужденного излучения?
Что называют линзой? тонкой линзой?
Что называют состояниями с инверсией населенностей?
Назовите основные части микроскопа.
Что называют накачкой, активной средой?
Объясните принцип работы лазера.
Индивидуальные задания к практической работе №4
Вариант №1
Чтобы с помощью собирающей линзы получить мнимое изображение, предмет нужно расположить... Выберите правильное утверждение.
А. ... в фокальной плоскости линзы.
Б. ... между линзой и ее фокусом.
В. ... на расстоянии, большем двойного фокусного.
Постройте изображение данного предмета в линзе. Какое это изображение?
3.Определите построением положение фокусов линзы, если задана главная оптическая ось и ход произвольного луча.
Вариант №2
Точка, в которой пересекается параллельный пучок лучей после преломления в линзе, называется... Выберите правильное утверждение.
A. ... оптическим центром линзы.
Б. ... фокусом линзы.
B. ... мнимым фокусом.
Постройте изображение данного предмета в линзе. Какое это изображение?
3.Определите построением, где находятся оптический центр тонкой линзы и ее фокусы, если ММ главная оптическая ось линзы, А светящаяся точка, A1 ее изображение. Определите также тип линзы.
Вариант №3
Если предмет находится на расстоянии, равном двойному фокусному расстоянию от собирающей линзы, то изображение предмета в этой линзе... Выберите правильное утверждение.
A. ... действительное, уменьшенное.
Б. ... действительное, увеличенное.
B. ... действительное, равное.
Постройте изображение данного предмета в линзе. Какое это изображение?
3.Определите построением положение фокусов линзы, если А светящаяся точка, А1 ее изображение. ММ главная оптическая ось линзы.
Вариант №4
Если расстояние от предмета до собирающей линзы больше фокусного, но меньше двойного фокусного расстояния, то изображение предмета в этой линзе... Выберите правильное утверждение.
A. ... мнимое, увеличенное.
Б. ... действительное, увеличенное.
B. ... действительное, уменьшенное.
Постройте изображение данного предмета в линзе. Какое это изображение?
3.Определите построением, где находятся оптический центр тонкой линзы и ее фокусы, если ММ главная оптическая ось линзы, А светящаяся точка, А1 ее изображение. Определите также тип линзы.
Вариант №5
Если расстояние от предмета до собирающей линзы равно фокусному расстоянию линзы, то изображение предмета в этой линзе ... Выберите правильное утверждение.
А. ... мнимое, уменьшенное.
Б. ... действительное, уменьшенное.
В изображения не будет
Постройте изображение данного предмета в линзе. Какое это изображение?
3.Даны точки А и А1 на оси линзы неизвестной формы. Определите вид линзы (собирающая или рассеивающая). Постройте фокусы линзы.
Вариант №6
Если расстояние от предмета до рассеивающей линзы равно двойному фокусному расстоянию, то изображение предмета в этой линзе... Выберите правильное утверждение.
A. ... действительное, уменьшенное.
Б. ... мнимое, увеличенное.
B. ... мнимое, уменьшенное.
На рисунке показаны главная оптическая ось ММ линзы, предмет АВ и его изображение А1 В1. Определите графически положение оптического центра и фокусов линзы.
3.Даны точки А и А1 на оси линзы неизвестной формы. Определите вид линзы (собирающая или рассеивающая). Постройте фокусы линзы.
Вариант №7
Точка, в которой пересекается параллельный пучок лучей после преломления в линзе, называется... Выберите правильное утверждение.
A. ... оптическим центром линзы.
Б. ... фокусом линзы.
B. ... мнимым фокусом.
Постройте изображение данного предмета в линзе. Какое это изображение?
3.На рисунке показан ход луча относительно главной оптической оси тонкой линзы ММ. Определите положение линзы и ее фокусов.
Вариант №8
Если предмет находится на расстоянии, равном двойному фокусному расстоянию от собирающей линзы, то изображение предмета в этой линзе... Выберите правильное утверждение.
A. ... действительное, уменьшенное.
Б. ... действительное, увеличенное.
B. ... действительное, равное.
Постройте изображение данного предмета в линзе. Какое это изображение?
3.На рисунке показан ход луча относительно главной оптической оси тонкой линзы ММ. Определите положение линзы и ее фокусов.
Вариант №9
1. Чтобы с помощью собирающей линзы получить мнимое изображение, предмет нужно расположить... Выберите правильное утверждение.
А. ... в фокальной плоскости линзы.
Б. ... между линзой и ее фокусом.
В. ... на расстоянии, большем двойного фокусного
2.Постройте изображение данного предмета в линзе. Какое это изображение?
.
3.На рисунке показан ход луча относительно главной оптической оси тонкой линзы ММ. Определите положение линзы и ее фокусов.
Вариант №10
Если предмет находится на расстоянии, равном двойному фокусному расстоянию от собирающей линзы, то изображение предмета в этой линзе... Выберите правильное утверждение.
A. ... действительное, уменьшенное.
Б. ... действительное, увеличенное.
B. ... действительное, равное.
2.Постройте изображение данного предмета в линзе. Какое это изображение?
3. На рисунке показан ход луча относительно главной оптической оси тонкой линзы ММ. Определите положение линзы и ее фокусов.
13PAGE 15
13PAGE 14215
Рисунок 1Рисунок 9Рисунок 27Рисунок 10Рисунок 13Рисунок 19Рисунок 43Рисунок 46Рисунок 10Рисунок 49Рисунок 46 Заголовок 1 Заголовок 2 Заголовок 3 Заголовок 4 Заголовок 5 Заголовок 6 Заголовок 7 Заголовок 8 Заголовок 915