"Физика", Пурышева Н.С., Важеевская Н.Е.
Собирающая линза преломляет свет так, что параллельные главной оптической оси лучи сходятся в фокусе. В лабораторной работе №14 на оптической скамье исследуют, как положение предмета влияет на место, ориентацию и размер его изображения. Экран помогает увидеть действительное изображение и найти положение, в котором оно получается чётким. Сравнивая опыты при разных расстояниях до линзы, можно установить закономерности и измерить фокусное расстояние.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Собирающая линза — линза, которая преломляет параллельные главной оптической оси лучи так, что они сходятся в фокусе. Главная оптическая ось — прямая, проходящая через центр линзы; она помогает точно направить предмет и экран. Такая линза нужна в опыте, чтобы получить изображение предмета и исследовать, где оно возникает.
Фокус линзы — точка на главной оптической оси, в которой после преломления собираются лучи, шедшие параллельно этой оси. Если направить на линзу такой пучок света, фокус показывает место его схождения. Зная положение фокуса, можно сравнивать расстояние до предмета с расстояниями F и 2F.
Фокусное расстояние — расстояние от оптического центра линзы до её фокуса; его обозначают F. Оптический центр — точка в середине линзы, через которую удобно отсчитывать расстояния. В лабораторной работе F используют как меру для оценки положения предмета и изображения относительно линзы.
Действительное изображение — изображение, полученное в месте, где реально сходятся лучи; его можно получить на экране. Экран позволяет заметить, когда лучи собрались в одной области, и настроить резкость. Если лучи не сходятся, изображение на экране не появится, даже если его можно увидеть, глядя сквозь линзу.
Каждая точка предмета испускает или отражает свет во многих направлениях. Линза меняет направление этих лучей при переходе света из одного вещества в другое — это явление называется преломлением. После линзы лучи от одной точки предмета могут сойтись в новой точке, которая и становится соответствующей точкой изображения.
Оптическая скамья — длинная направляющая, на которой закрепляют предмет, линзу и экран. Она помогает расположить все три прибора на одной оси, чтобы свет от предмета проходил через линзу к экрану. Передвигая держатели, можно менять расстояния и искать положение, где изображение становится чётким.
Если прошедшие через линзу лучи действительно сходятся, изображение называется действительным. В точке схождения лучи от разных частей предмета формируют соответствующие части изображения, поэтому экран может его перехватить. Лучи от верхней и нижней частей предмета перекрещиваются, и изображение получается перевёрнутым относительно предмета.
Когда предмет находится дальше фокуса собирающей линзы, за линзой возникает действительное изображение. Если предмет приближается к фокусу, лучам после линзы требуется большее расстояние, чтобы сойтись, поэтому изображение удаляется. Оно также увеличивается: одна и та же высота предмета занимает на экране всё большую высоту.
Если предмет находится между линзой и фокусом, лучи после линзы расходятся и не пересекаются перед экраном. Но если продолжить их мысленно назад, за линзу, их продолжения встретятся со стороны предмета. Так возникает мнимое изображение: оно может быть видимым при взгляде через линзу, но экран в месте пересечения продолжений его не покажет.
| Положение предмета | Можно ли получить изображение на экране | Положение и ориентация изображения | Размер изображения |
|---|---|---|---|
| Дальше двойного фокусного расстояния | Да | Между F и 2F, перевёрнутое | Уменьшенное |
| На двойном фокусном расстоянии | Да | На расстоянии 2F, перевёрнутое | Такое же, как предмет |
| Между фокусом и двойным фокусным расстоянием | Да | Дальше 2F, перевёрнутое | Увеличенное |
| В фокусе | Нет конечного изображения на экране | Лучи после линзы идут параллельно | Конечный размер определить нельзя |
| Между линзой и фокусом | Нет | Мнимое, прямое, со стороны предмета | Увеличенное |
Сначала найдите в первом столбце положение предмета и сравните его с F и 2F. Затем прочитайте, получится ли изображение на экране, и определите его место, ориентацию и размер. Таблица описывает собирающую линзу; она помогает предсказать результат опыта до перемещения экрана.
На оптической скамье установили предмет, собирающую линзу и экран. Изображение получилось на экране. Нужно определить, действительное ли оно, и выяснить его ориентацию.
Экран принимает лучи, которые прошли через линзу и сошлись в месте его расположения. Значит, наблюдаемое изображение действительное, а не мнимое. Это определение можно проверить непосредственно опытом: убрать экран — изображение перестанет быть видимым на его поверхности.
Чтобы проверить ориентацию, сравните положение верхней и нижней частей изображения с предметом. Например, если у предмета верхний конец направлен вверх, посмотрите, оказался ли соответствующий конец изображения внизу. Для действительного изображения собирающей линзы изображение перевёрнуто.
Ответ: изображение действительное, потому что его удалось получить на экране; оно перевёрнуто относительно предмета.
Предмет передвинули ближе к фокусу линзы, оставив его за фокусом. Нужно предсказать, куда переместится изображение и как изменится его размер.
Так как предмет остаётся за фокусом, лучи после собирающей линзы всё ещё сходятся. Следовательно, изображение остаётся действительным и его можно поймать на экране. Перемещение предмета не означает, что прежнее положение экрана сохранит резкость.
При приближении предмета к фокусу лучи после линзы сходятся дальше от неё. Поэтому экран нужно отодвинуть от линзы, чтобы снова получить чёткое изображение. Изображение при этом становится крупнее.
Ответ: изображение удалится от линзы и увеличится; экран нужно передвинуть дальше от линзы.
Фокусное расстояние линзы равно 10 см, а предмет стоит в 15 см от неё. Требуется определить по таблице, где искать изображение и каким оно будет.
Сначала найдём двойное фокусное расстояние: 2F = 2 · 10 см = 20 см. Расстояние до предмета 15 см больше F = 10 см, но меньше 2F = 20 см. Значит, предмет расположен между фокусом и двойным фокусным расстоянием.
В таблице этому положению соответствует изображение дальше 2F от линзы, то есть дальше 20 см. Оно действительное, поэтому его можно искать на экране, перемещая экран за отметку 20 см. Изображение будет перевёрнутым и увеличенным.
Ответ: изображение находится дальше 20 см от линзы, оно перевёрнутое и увеличенное; его можно получить на экране.
Считать, что любое изображение линзы можно получить на экране, — ошибка: на экране возникает только действительное изображение. Её допускают, путая то, что видно при взгляде через линзу, с тем, что создают сходящиеся лучи. Проверьте себя: если лучи не сходятся в месте экрана, изображение там не появится.
Путать фокус линзы и фокусное расстояние — значит смешивать точку и расстояние. Фокусом называют место схождения лучей, а F — расстояние от оптического центра до этого места. Для проверки назовите, что именно измеряете: координату точки или промежуток между двумя точками.
Оставлять экран на месте после перемещения предмета — значит ожидать, что изображение не изменит положения. Так думают, если не учитывать, что линза направляет лучи от каждой точки предмета по-разному при изменении расстояния. Перемещайте экран, пока изображение снова не станет чётким.
Менять положение предмета, линзы и экрана одновременно и делать вывод о влиянии одного расстояния — ненадёжно. Тогда непонятно, какое именно перемещение изменило изображение. Сначала двигайте только один предмет, фиксируя остальные, а затем отдельно находите новое положение экрана.
Для понимания опыта нужно знать, что в однородной среде свет распространяется прямолинейно, а при переходе через границу сред меняет направление. Именно преломление в линзе заставляет лучи сходиться или расходиться. Построение изображения лучами помогает объяснить, почему экран его перехватывает или почему изображение остаётся мнимым.
Наблюдения с линзой пригодятся при изучении оптических приборов. В фотоаппарате линза формирует изображение на светочувствительной матрице, а в глазу — на сетчатке. Понимание положения и размера изображения помогает разобраться, почему приборам нужны линзы и как они направляют свет.
Почему изображение не появляется на экране?
Возможно, экран стоит не там, где после линзы сходятся лучи, поэтому его нужно передвинуть и снова навести на резкость. Если предмет находится между линзой и фокусом собирающей линзы, изображение мнимое: лучи за линзой не сходятся, и получить его на экране нельзя.
Как определить, что изображение действительное?
Поставьте экран в место изображения: если на нём возникает изображение предмета, оно действительное. Это значит, что в данной точке действительно сходятся лучи, прошедшие через линзу.
Почему изображение в линзе получается перевёрнутым?
Лучи от верхней и нижней частей предмета после прохождения через собирающую линзу пересекаются. Поэтому верхняя часть предмета даёт изображение внизу, а нижняя — вверху.
Что происходит с изображением, если приблизить предмет к фокусу?
Пока предмет остаётся за фокусом, изображение отодвигается от линзы и становится крупнее. Когда предмет достигает фокуса, конечное изображение на экране получить нельзя.
Как найти фокусное расстояние линзы в лабораторной работе?
Направьте на собирающую линзу лучи, идущие параллельно её главной оптической оси, и найдите на экране место, где они сходятся. Измерьте расстояние от оптического центра линзы до этой точки — это фокусное расстояние. В опыте можно также измерить расстояния до предмета и изображения и сопоставить результаты.
Лабораторная работа №14 Изучение изображения, даваемого линзой
