laboratorium fizyki państwowej wyższej szkoły

LABORATORIUM FIZYKI PAŃSTWOWEJ WYŻSZEJ
SZKOŁY ZAWODOWEJ W NYSIE
Ćwiczenie nr 7
Temat: Pomiar kąta załamania i kąta odbicia światła.
Sposoby korekcji wad wzroku.
1. Wprowadzenie
Zestaw ćwiczeniowy
został zaprojektowany, aby możliwe było łatwe i wyraźne
pokazywanie zjawisk i urządzeń optycznych wykorzystywanych w optyce. Użycie
lasera (lub diody laserowej) jako źródła światła pozwala na zrozumienie zasady
działania prostych układów optycznych, ale również i układów bardziej złożonych. W
niniejszej instrukcji opisane są doświadczenia, które należy zrealizować podczas
zajęć laboratoryjnych w pracowni fizyki.
Każde doświadczenie składa się z 3 części:
•
Prosty opis doświadczenia
•
Schemat doświadczenia
•
Schemat przedstawiający elementy, które znajdują się przed użytkownikiem.
Zestaw zawiera bardzo ważny element, potrzebny do wykonania doświadczeń:
laserowe źródło światła, które właściwie składa się z pięciu diod laserowych. To
źródło światła jest modelem wiązki światła o promieniach równoległych. Można użyć
również klasycznej diody laserowej, ale konieczne jest jej dostosowanie do zestawu.
UWAGA: Należy unikać wszelkiego bezpośredniego kontaktu oka z promieniem
lasera.
2. Wykaz elementów znajdujących się w zestawie
Spis elementów:
- 4 soczewki dwuwypukłe,
- soczewka dwuwklęsła,
1
- mała i duża soczewka płasko – wypukła,
- mała soczewka płasko - wklęsła,
- zwierciadła: płaskie, wypukłe i wklęsłe,
- płytka o równoległych bokach
- pryzmat,
- światłowód.
Zakładki:
A – model oka,
B – aparat fotograficzny,
C – teleskop Galileusza,
D – teleskop Keplera,
E – Korekta aberracji optycznych,
F – Tarcza optyczna.
3. Zadania do wykonania:
3.1. Odbicie od zwierciadła płaskiego
Wykazanie prawa odbicia. Promień światła trafiający w płaskie lustro pod kątem α
ulega odbiciu pod tym samym kątem β.
α=β
Pomiar obu kątów w stosunku do normalnej do lustra płaskiego.
3.2. Odbicie promieni światła od zwierciadła wklęsłego:
3.2.1.Promienie są równoległe do osi optycznej
2
Odległość ogniskowa f lustra wklęsłego jest określana odległością VF. Promień
krzywizny można wyliczyć stosując następujący wzór:
f =
r
2
Odległość VS jest 2 razy większa niż odległość VF, gdzie S jest środkiem krzywizny,
a F ogniskiem przedmiotu.
3.2.2.Promienie nie są równoległe do osi optycznej
Oś φ, która jest prostopadła do osi optycznej, i która przechodzi przez ognisko
przedmiotu F pozwala oznaczyć płaszczyznę ogniskową lustra wklęsłego. Wszystkie
równoległe promienie, odbite od lustra, przecinają się w jednym punkcie osi φ. Gdy
promienie te są równoległe do osi optycznej punkt ten nazywa się ogniskiem (F).
3
3.3. Odbicie promieni światła od zwierciadła wypukłego:
3.3.1.Promienie są równoległe do osi optycznej
Promienie równoległe do osi optycznej, odbite od lustra wklęsłego, zdają się
pochodzić z jednego punktu znajdującego się za lustrem. Punkt ten nazywa się
ogniskiem obrazowym. Długość VF określa odległość ogniskową f lustra. Promień
krzywizny można wyliczyć stosując wzór:
f =
r
2
Odległość VS jest 2 razy większa niż odległość VF, gdzie S jest środkiem krzywizny,
a F jest ogniskiem obrazowym.
3.3.2.Promienie nie są równoległe do osi optycznej
Oś φ, która jest prostopadła do osi optycznej, i która przechodzi przez ognisko
przedmiotu F pozwala oznaczyć płaszczyznę ogniskową lustra wypukłego. Wszystkie
równoległe promienie odbite od lustra zdają się przechodzić z jednego punktu na
płaszczyźnie φ. Gdy promienie te są równoległe do osi optycznej punkt ten znajduje
się na osi.
4
3.4. Załamanie światła na granicy powietrze – szkło
(Zakładka F)
Gdy światło przechodzi z jednego otoczenia charakteryzującego się współczynnikiem
załamania n1 do innego otoczenia o współczynniku n2, to jego kierunek zmienia się
zgodnie z prawem Kartezjusza:
n1sinα = n2sinβ
gdzie α jest kątem padania w otoczeniu n1, a β jest kątem załamania w otoczeniu n2.
Kąty oznaczane są w odniesieniu do normalnej do płaszczyzny oddzielającej obydwa
otoczenia.
3.5. Załamanie światła na granicy szkło – powietrze
(Zakładka F)
Promień zostaje załamany pod kątem β, dużo większym niż kąt padania α.
5
3.6. Model oka normalnego
(Zakładka A)
Promienie równoległe do osi optycznej po przejściu przez soczewkę stymulującą oko
(bez korekty) przecinają się w jednym punkcie na siatkówce. Należy umieścić
soczewkę (1) bezpośrednio za linią O2 na zakładce A.
3.7. Model oka krótkowzrocznego
(Zakładka A)
Promienie równoległe do osi optycznej po przejściu przez soczewkę stymulującą oko
(bez korekty) przecinają się w jednym punkcie przed siatkówką. Należy umieścić
soczewkę (2) bezpośrednio za linią O2 i na zakładce między liniami O1 i O2 umieścić
soczewkę korygującą.
6
3.8. Model oka starczowzrocznego
(Zakładka A)
Promienie równoległe do osi optycznej po przejściu przez soczewkę stymulującą oko
(bez korekty) przecinają się w jednym punkcie za siatkówką. Soczewka korygująca
powinna być soczewką skupiającą. Odległość ogniskowa f’ układu oko + soczewka
wynosi:
f '=
f1 ' f 2 '
f 1 '+ f 2 '
gdzie f1’ jest odległością ogniskową soczewki reprezentującej oko (3) a f2’ jest
odległością ogniskową soczewki korygującej.
7