Лабораторная работа 7, страница 40 - гдз по физике 8 класс тетрадь для лабораторных работ Исаченкова, Громыко

Проверьте себя

1. Что такое фокус линзы?

Фокус линзы – это точка, в которой собираются (для собирающей линзы) или из которой кажутся исходящими (для рассеивающей линзы) параллельные лучи света после прохождения через линзу. У каждой тонкой линзы есть два главных фокуса, расположенные на главной оптической оси симметрично относительно линзы.

2. Как преломляют световые лучи собирающая и рассеивающая линзы?

Собирающая линза (выпуклая, или положительная): параллельные лучи света, падающие на собирающую линзу, после преломления сходятся (конвергируют) в ее действительном главном фокусе, расположенном по другую сторону от линзы. Лучи, проходящие через оптический центр линзы, не преломляются. Лучи, проходящие через фокус на предметной стороне, после преломления выходят из линзы параллельным пучком.

Рассеивающая линза (вогнутая, или отрицательная): параллельные лучи света, падающие на рассеивающую линзу, после преломления расходятся (дивергируют) так, что их продолжения пересекаются в мнимом главном фокусе, расположенном с той же стороны от линзы, что и источник света. Лучи, проходящие через оптический центр линзы, не преломляются. Лучи, направленные к фокусу на стороне изображения, после преломления выходят из линзы параллельным пучком.

Ход работы

I. Знакомство с различными видами линз.

Каким (сходящимся или расходящимся) является прошедший через линзу пучок? Нарисуйте примерный ход лучей светового пучка.

При использовании собирающей линзы (линза №1) пучок света, прошедший через нее, является сходящимся. Лучи от лампочки, проходя через собирающую линзу, преломляются таким образом, что сходятся в точке (или фокусируются в области) на экране, формируя действительное изображение. По мере удаления экрана от линзы световое пятно сначала уменьшается до точки фокусировки (наиболее резкого изображения), а затем начинает снова расширяться.

Повторите все действия (опыты 2–4) с линзой № 2. Сделайте вывод.

При использовании рассеивающей линзы (линза №2) пучок света, прошедший через нее, является расходящимся. Лучи света от лампочки после прохождения через рассеивающую линзу преломляются так, что расходятся в стороны. При удалении экрана от линзы световое пятно на экране будет постоянно увеличиваться в диаметре, и четкого изображения получить не удастся, поскольку рассеивающая линза формирует мнимое изображение, которое не может быть получено на экране. Вывод: собирающая линза фокусирует свет, образуя действительное изображение, а рассеивающая линза рассеивает свет, образуя мнимое изображение.

II. Измерение фокусного расстояния и оптической силы линзы.

Измерьте расстояние от линзы до экрана (фокусное расстояние $F$ данной линзы).

Данный пункт является инструкцией для практического выполнения измерения в лабораторных условиях. Расстояние от линзы до экрана, на котором получается максимально четкое и наименьшее по размеру изображение очень удаленного предмета (например, окна или фонаря на улице), будет соответствовать фокусному расстоянию $F$ данной собирающей линзы. Это происходит потому, что лучи от очень удаленного предмета можно считать параллельными, и они сходятся в фокальной плоскости линзы.

По найденному значению фокусного расстояния $F$ определите оптическую силу линзы $D = \frac{1}{F}$.

Оптическая сила линзы $D$ – это физическая величина, равная обратной величине фокусного расстояния линзы. Она характеризует преломляющую способность линзы. Формула для оптической силы: $D = \frac{1}{F}$, где $F$ – фокусное расстояние линзы, выраженное в метрах. Единица измерения оптической силы – диоптрия (дптр), где $1 \text{ дптр} = 1 \text{ м}^{-1}$.

III. Контрольные вопросы.

1. Почему расстояние от линзы до изображения далекого предмета можно считать примерно равным фокусному?

Зависимость между расстояниями до предмета $d_o$, до изображения $d_i$ и фокусным расстоянием $F$ для тонкой линзы описывается формулой линзы: $ \frac{1}{F} = \frac{1}{d_o} + \frac{1}{d_i} $. Если предмет находится очень далеко от линзы, то его расстояние до линзы $d_o$ стремится к бесконечности ($d_o \to \infty$). В этом случае величина $ \frac{1}{d_o} $ становится очень малой и практически равной нулю. Следовательно, формула линзы упрощается до $ \frac{1}{F} \approx \frac{1}{d_i} $, что означает, что расстояние от линзы до изображения $d_i$ становится примерно равным фокусному расстоянию $F$. Изображение такого предмета формируется в фокальной плоскости линзы.

2. Можно ли получить пучок параллельных лучей после прохождения через собирающую линзу?

Да, можно. Если точечный источник света поместить в главный фокус собирающей линзы, то лучи света, исходящие от этого источника, после преломления в линзе выйдут из нее параллельным пучком. Это свойство широко используется в оптических системах, например, в прожекторах, фарах автомобилей и телескопах.

3. Почему оптическую силу рассеивающей линзы считают отрицательной?

По стандартной знаковой конвенции в оптике, фокусное расстояние собирающих линз (которые собирают параллельные лучи в действительный фокус) считается положительным. В отличие от них, рассеивающие линзы вызывают расхождение параллельных лучей, и их фокус является мнимым (лучи не пересекаются, но их продолжения сходятся). По этой же конвенции мнимое фокусное расстояние рассеивающих линз считается отрицательным. Поскольку оптическая сила $D$ определяется как величина, обратная фокусному расстоянию ($D = \frac{1}{F}$), то для рассеивающей линзы с отрицательным $F$ ее оптическая сила также будет отрицательной. Отрицательная оптическая сила символизирует способность линзы рассеивать свет.

IV. Суперзадание

Определите, какая из используемых линз (собирающая или рассеивающая) обладает большей по модулю оптической силой. Считайте, что оптическая сила системы линз равна сумме оптических сил отдельных линз.

Для того чтобы определить, какая из линз обладает большей по модулю оптической силой, необходимо сравнить модули их фокусных расстояний. Оптическая сила $D$ обратно пропорциональна фокусному расстоянию $F$ ($D = \frac{1}{F}$). Следовательно, линза с меньшим по модулю фокусным расстоянием будет обладать большей по модулю оптической силой.

Для собирающей линзы (№1), фокусное расстояние $F_1$ является положительным, поэтому ее модуль оптической силы равен $ \left| D_1 \right| = \frac{1}{F_1} $.

Для рассеивающей линзы (№2), фокусное расстояние $F_2$ является отрицательным, поэтому ее модуль оптической силы равен $ \left| D_2 \right| = \frac{1}{\left| F_2 \right|} $.

Без проведения эксперимента и измерения конкретных значений фокусных расстояний линз №1 и №2 невозможно дать однозначный ответ, какая из них обладает большей по модулю оптической силой. Например, если бы фокусное расстояние собирающей линзы было $F_1 = 0.1 \text{ м}$ (10 см), а рассеивающей линзы $F_2 = -0.2 \text{ м}$ (20 см), то их оптические силы по модулю были бы $ \left| D_1 \right| = \frac{1}{0.1} = 10 \text{ дптр} $ и $ \left| D_2 \right| = \frac{1}{0.2} = 5 \text{ дптр} $ соответственно. В этом гипотетическом случае собирающая линза имела бы большую оптическую силу по модулю. Второе предложение о сумме оптических сил в системе линз относится к другой задаче и не влияет на сравнение модулей оптических сил отдельных линз.