Лабораторна робота.для 9 класу: "Визначення фокусної відстані та оптичної сили тонкої лінзи".

Лабораторна робота №5.

Визначення фокусної відстані та оптичної сили тонкої лінзи.

Мета: Ознайомитись із деякими способами визначення фокусної відстані та оптичної сили тонкої лінзи. Визначити фокусну відстань та оптичну силу збиральної лінзи кількома способами. Навчитись використовувати  додатки Protractor та Науковий калькулятор для фізичних вимірювань та обчислень.

Обладнання: Смартфон, збиральна лінза, лінійка, чистий аркуш паперу формату А4, олівець.  

Інструкція з безпеки  під час підготовки і проведення лабораторних робіт з фізики.

Правила роботи при проведенні робіт з оптики

1. Обережно поводьтеся з лінзами, лампочкою, щоб їх не розбити.

2. Не торкайтесь скляної поверхні оптичних приладів руками, щоб не змінити їх прозорість (бо на руках завжди є жир).

3. Обережно поводьтеся із запаленою свічкою, щоб не одержати опіків і не викликати пожежі.

Теоретичні відомості.

Лінза - прозоре тіло, обмежене двома сферичними поверхнями.

Опуклі лінзи - в середині товщі, ніж біля країв.

Увігнуті лінзи -  які в середині тонші, ніж біля країв.

Головна оптична вісь лінзи - пряма, що проходить через центри сферичних поверхонь лінзи.

Центр лінзи - точка, в якій головна оптична вісь перетинає площину лінзи.

Після проходження крізь лінзу паралельний пучок світла може стати збіжним (у цьому разі лінзу називають збиральною) або розбіжним (таку лінзу називають розсіювальною). Скляна опукла лінза в повітрі є збиральною, а скляна увігнута лінза в повітрі - розсіювальною. Коли показник заломлення лінзи менший, ніж показник заломлення середовища, все буде якраз навпаки: опукла лінза буде розсіювальною!

Фокус збиральної лінзи - точка, в якій збираються після проходження через збиральну лінзу промені, що падають на лінзу паралельно до її головної оптичної осі.

Фокус розсіювальної лінзи - точку, в якій збираються після проходження через розсіювальну лінзу продовження променів, що падають на лінзу паралельно до її головної оптичної осі.

Фокуси лінзи позначають літерою F. Кожна лінза має два фокуси, розташовані по різні боки від неї на однаковій відстані від центра. Цю відстань називають фокусною відстанню лінзи і також позначають літерою F. Її вимірюють у метрах. Фокусну відстань розсіювальної лінзи вважають від’ємною.

Лінза, у якої фокусна відстань менша, сильніше заломлює світло.

Оптичною силою лінзи називають величину D, обернену до фокусної відстані лінзи.

Одиницею оптичної сили є 1 діоптрія, 1 дптр = 1 м−1 . Наприклад, якщо фокусна відстань лінзи 0,25 м, то її оптична сила 4 дптр.

Формула тонкої лінзи 

Існує проста формула, яка дозволяє в будь-якому випадку визначити відстань f від лінзи до зображення, якщо ми знаємо відстань d від лінзи до предмета та фокусну відстань F лінзи.

f - від лінзи до зображення, d - від лінзи до предмета. Значення f вважають від’ємним, якщо зображення уявне.

Хід роботи.

1. Налаштування додатку Protractor.
   1.    Встановіть на Ваш смартфон додаток Protractor (Транспортир ), використовуючи даний QR-код.
   2. Відкрийте додаток Protractor.
   3. Виберіть режим.
   4. Додаток готовий до роботи.

2. Якщо на Вашому смартфоні не встановлено додаток Калькулятор, то Ви можете завантажити необхідний  додаток,  скориставшись QR-кодом.

3. Визначення  фокусної відстані та оптичної сили тонкої лінзи (І спосіб).
   1. Намалюйте на чистому аркуші паперу невелике коло (можна використати циркуль або обвести олівцем монетку чи кришку від пляшки з водою). Розташуйте листок з накресленим колом вертикально.
   2. Розташуйте вертикально смартфон з увімкненим та підготовленим згідно п.1. додатком Protractor навпроти накресленого кола та переміщуючи його вперед та назад добийтесь, щоб розмір намальованого кола співпадав з розміром одного з кружечків програми Protractor (для зручності інші кружечки можна відвести подалі вбік).

 Увага! Не використовуйте збільшення (Zoom) камери смартфона.

3.  Помістіть між смартфоном та аркушем з колом збиральну лінзу та переміщуючи лінзу вперед та назад добийтесь, щоб розмір намальованого кола співпадав з розміром одного з кружечків програми Protractor (для зручності інші кружечки можна відвести подалі вбік).

 Увага! Не використовуйте збільшення (Zoom) камери смартфона та не переміщуйте смартфон.

4.  Виміряйте відстань між аркушем з намальованим колом (екраном) та лінзою d і між лінзою та смартфоном f. Ці відстані мають бути майже однаковими і дорівнювати подвійній фокусній відстані лінзи (тому що розміри предмета та його зображення одинакові). Якщо відстані суттєво відрізняються, то повторіть дослід. 
5.  Розрахуйте фокусну відстань лінзи за формулою:

F=(d+f)/4.

Запишіть отриманий результат:

     F=_____м.

6. За формулою  D=1/F розрахуйте  оптичну силу лінзи та запишіть отриманий результат:

D=_____дптр.

4. Визначення  фокусної відстані та оптичної сили тонкої лінзи (ІІ спосіб).
   1. Покладіть на стіл зошит чи підручник із текстом. Розташуйте вертикально лінійку поряд із зошитом чи підручником. Покладіть лінзу на текст.
   2.  Поступово піднімаючи лінзу вздовж лінійки та розглядаючи текст через камеру смартфона із ввімкненим 2-х 3-х кратним збільшенням зафіксуйте висоту на якій текст почне «розпливатись». Ця висота  і є фокусною відстанню лінзи F.

3. Повторіть дослід 4.2. 5 разів змінюючи текст (розмір шрифту, колір, написання). Кожен раз записуйте значення фокусної відстані:

F₁=____м,   F₂=____м,   F₃=____м,    F₄=____м,  F₅=____м.    

4. Обчисліть середнє значення фокусної відстані лінзи:

F=( F₁₊ F₂₊ F₃₊ F₄₊ F₅)/5.

5. Запишіть отримане значення:

F₌_________м.

6. За формулою  D=1/F розрахуйте  оптичну силу лінзи та запишіть отриманий результат:

D=_____дптр.

5. Визначення  фокусної відстані та оптичної сили тонкої лінзи (ІІІ спосіб).
   1.  Розташуйте чистий аркуш білого паперу  (екран) вертикально навпроти вікна. Покладіть лінійку на стіл перпендикулярно до екрану, так щоб початок шкали (відлік) починався від екрану. Помістіть лінзу впритул до екрану.
   2. Поступово відсовуючи лінзу від екрану добийтесь чіткого зображення віддалених предметів, видимих через вікно, на екрані.
   3. Відмітьте відстань на якій зображення предметів стало чітким - це і є фокусна відстань лінзи F.
   4. Повторіть дослід 4.2. 5 разів змінюючи предмети на яких фокусується лінза. Кожен раз записуйте значення фокусної відстані:

F₁=____м,   F₂=____м,   F₃=____м,    F₄=____м,  F₅=____м.    

5. Обчисліть середнє значення фокусної відстані лінзи:

F=( F₁₊ F₂₊ F₃₊ F₄₊ F₅)/5.

6. Запишіть отримане значення:

F₌_________м.

7. За формулою  D=1/F розрахуйте  оптичну силу лінзи та запишіть отриманий результат:

D=_____дптр.

8. Порівняйте значення фокусної відстані, отримані в пп.3.5., 4.5. та 5.6. і оптичної сили лінзи пп. пп.3.6., 4.6. та 5.7. 

6. Зробіть висновок щодо можливості практичного використання лінз у різноманітних пристроях та приладах:

__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________