Лабораторная работа № 43 «Наблюдение изображений в линзе»

Определения и обозначения

Линза — прозрачное тело, которое преломляет свет, то есть меняет направление световых лучей. В лабораторной работе с её помощью получают изображение предмета и наблюдают, каким оно выходит. Это нужно, чтобы увидеть, как свет создаёт изображение, а не только узнать об этом из объяснения.

Собирающая линза — линза, которая направляет параллельные лучи к одной точке. Обычно её середина толще, чем края. В опыте такая линза стоит между предметом и экраном: лучи от предмета проходят через неё и могут собраться в изображение.

Действительное изображение — изображение, которое можно получить на экране. Оно обычно перевёрнуто относительно предмета, поэтому при наблюдении сравнивают верх и низ. Возможность поймать изображение экраном помогает отличить его от изображения другого вида.

Мнимое изображение видно, если смотреть на предмет через линзу, но получить его на экране нельзя. Оно прямое: верх предмета остаётся сверху. Это понятие нужно, чтобы не считать любое видимое через линзу изображение действительным.

Как это устроено

Сначала поставь предмет, собирающую линзу и экран на одной линии. Направь линзу на предмет, а экран размести за линзой и передвигай вдоль направления света. Такая расстановка нужна, чтобы экран пересекал путь лучей, прошедших через линзу; если он стоит в стороне, изображение на нём не появится.

Изображение становится видимым на экране, когда лучи от предмета после преломления встречаются в соответствующих точках. Например, лучи от одной точки предмета собираются в одной точке изображения, а лучи от другой — в другой. Поэтому экран нужно поставить в место, где лучи уже сошлись: там изображение будет чётким.

Чтобы заметить, как меняется изображение, передвигай предмет или линзу и каждый раз ищи положение экрана, при котором изображение снова становится чётким. Сравнивай его размер с предметом и отмечай место, где удалось получить резкое изображение. Размер зависит от взаимного расположения предмета и линзы, поэтому результат одного опыта не описывает все возможные положения.

Свойства изображения определяют по наблюдениям: сначала проверяют, получается ли оно на экране, затем сравнивают его ориентацию и размер с предметом. Изображение на экране называют действительным; обычно оно перевёрнуто. Если изображение видно через линзу, но экран его не показывает, оно может быть мнимым и прямым.

Иногда на экране ничего не видно, потому что изображение мнимое: лучи за линзой не сходятся в точке, куда можно поместить экран. Но возможна и другая причина — экран не попал в место схождения лучей или стоит не на пути света. Поэтому перед выводом о виде изображения проверь положение всех частей установки и попробуй переместить экран.

Наблюдения изображений в собирающей линзе

Заполняй таблицу после каждого наблюдения: отмечай, получилось ли поймать изображение на экране, прямое оно или перевёрнутое, больше оно или меньше предмета. В последней строке сравни, что происходит с чёткостью при перемещении экрана. Если изображение не видно, сначала проверь установку и не делай поспешного вывода о линзе.

Разбор задач

1. Как заполнить протокол опыта

Ученик передвигает экран за собирающей линзой и находит положение, в котором изображение предмета становится чётким. Нужно описать, что записать в протоколе. Записи должны позволить понять, как была собрана установка и каким получилось изображение.

1. Отметь, где находились предмет, линза и экран, например запиши расстояния между ними, если в опыте их измеряют.
2. Укажи, в каком положении экрана изображение стало чётким. Так можно повторить наблюдение или сравнить его с другим опытом.
3. Опиши изображение: оно перевёрнутое или прямое, больше предмета, меньше него или примерно такого же размера.

Ответ: в протоколе фиксируют расположение предмета, линзы и экрана, положение экрана с чётким изображением, а также чёткость, ориентацию и размер изображения. Нельзя ограничиваться записью «изображение появилось», потому что она не описывает результат наблюдения.

2. Перевёрнутое изображение меньше предмета

На экране получено перевёрнутое изображение, которое меньше предмета. Нужно сравнить их размеры и объяснить, почему изображение называют действительным. Здесь два разных наблюдения: размер и ориентация описывают вид изображения, а экран помогает определить его тип.

1. Сравни размеры: изображение меньше предмета, значит, предмет больше изображения.
2. Отдельно запиши ориентацию: изображение перевёрнуто относительно предмета.
3. Проверь главный признак: изображение действительно получено на экране, а не только видно через линзу.

Ответ: изображение меньше предмета и перевёрнуто. Его называют действительным, потому что оно получилось на экране; перевёрнутая ориентация — отдельное свойство, которое нужно записать отдельно.

3. Прямое увеличенное изображение без экрана

Через линзу предмет виден прямым и увеличенным, но на экране изображения нет. Нужно определить, действительное изображение или мнимое. Одного размера недостаточно для такого вывода, поэтому сначала учитывают главный признак — возможность получить изображение на экране.

1. Проверь результат опыта: на экране изображения нет.
2. Сравни наблюдаемое с определениями: действительное изображение можно получить на экране, мнимое — нельзя.
3. Уточни, что экран был поставлен за линзой на пути света и его положение проверено перемещением. Если установка верна, отсутствие изображения на экране указывает на мнимое изображение.

Ответ: если экран и расположение установки проверены, изображение мнимое. Оно прямое и увеличенное, видно через линзу, но на экран не проецируется.

Типичные ошибки

Ошибка — считать любое видимое через линзу изображение действительным. Так думают, потому что глаз действительно видит изображение, но видимость сама по себе не доказывает, что его можно получить на экране. Проверь себя: поставь экран на пути света; если изображение на нём появляется, оно действительное.

Иногда изображение называют прямым, не сравнив его с предметом. Причина ошибки — слово «прямое» принимают за общее впечатление от наблюдения через линзу. Сравни положение верхней и нижней частей предмета и изображения: если они поменялись местами, изображение перевёрнуто.

Если двигать экран не вдоль направления света, изображение можно не найти. Экран тогда не пересекает лучи, прошедшие через линзу, поэтому на нём нечему появиться. Проверь, что экран стоит за линзой на пути лучей, и перемещай его по этой линии.

Не делай вывод о свойствах линзы по одному неудачному наблюдению. Изображение может не появиться из-за неточного расположения предмета, линзы или экрана, а не из-за неисправности линзы. Проверь, стоят ли части установки на одной линии, и повтори опыт, меняя положение экрана постепенно.

Связь с другими темами

Для опыта полезно знать, что свет распространяется по прямой и меняет направление при переходе через границу прозрачных сред. Изменение направления света называется преломлением; именно оно происходит в линзе и помогает получить изображение. Наблюдения связывают работу с изучением преломления и построения изображений в оптических приборах.

Умение получать изображение на экране пригодится при изучении фотоаппарата и проектора: в них свет тоже проходит через оптические детали и создаёт изображение. Понимание того, как линза меняет направление лучей, поможет позднее разобраться в работе глаза и очков. Поэтому аккуратная установка предмета, линзы и экрана важна не только для лабораторного опыта.

Что запомнить

• Линза преломляет проходящий через неё свет.
• Собирающая линза может создать изображение, которое получают на экране.
• Действительное изображение можно получить на экране.
• Мнимое изображение на экране получить нельзя.
• Свойства изображения определяют наблюдением: сравнивают его ориентацию и размер с предметом.
• Для чёткого изображения предмет, линза и экран должны быть правильно расположены.