53.doc

Soczewki-protokół 53

1.      Rodzaje soczewek i definicje ogniska i ogniskowej, zależność ogniskowej od promieni krzywizny.

Soczewką nazywamy zwykle bryłę z przeźroczystego materiału ograniczoną dwiema powierzchniami sferycznymi o promieniach R1 i R2.

Rodzaje soczewek:

Najczęściej spotykany typ soczewki to soczewka sferyczna, której przynajmniej jedna powierzchnia jest wycinkiem sfery. Każda z powierzchni takiej soczewki może być wypukła, wklęsła lub płaska i stąd mówi się o soczewkach dwuwypukłych, płasko-wklęsłych itp

Rodzaje soczewek sferycznych.

Stosuje się również soczewki będące wycinkiem walca (np. jako lupy w termometrach oraz do czytania, szkła korygujące wady wzroku), nazywane soczewkami cylindrycznymi.

Pod względem sposobu łamania promieni świetlnych soczewki dzielimy na:

·         skupiające, zbudowane z brył wypukłych, są one zatem grubsze w środku a cieńsze przy krawędziach;

·         rozpraszające, zbudowane z brył wklęsłych, grubsze na brzegach, a cieńsze w części środkowej.

Definicja Ogniska: Ognisko to punkt skupienia załamanych promieni świetlnych.

Ogniskiem soczewki skupiającej nazywamy punkt, w którym przecinają się po załamaniu w soczewce promienie równoległe do głównej osi optycznej (rys.1)

Rys.1. Powstawanie ogniska w soczewce skupiającej.

Ogniskiem pozornym soczewki rozpraszającej nazywamy punkt, w którym przecinają się przedłużenia promieni rozproszonych (rys.2).

Rys.2. Powstawanie ogniska pozornego w soczewce rozpraszającej

Definicja ogniskowej:

Ogniskowa - odległość pomiędzy ogniskiem układu optycznego a punktem głównym układu optycznego np. odległość środka soczewki od punktu, w którym skupione zostaną promienie świetlne, biegnące przed przejściem przez soczewkę równolegle do jej osi.

Dla układów soczewkowych wyróżnia się ogniskową przednią f i tylną F, spełniona jest równość:

gdzie n, N - współczynniki załamania światła dla ośrodków odpowiednio przed i za układem optycznym.

Ogniskowa f zależy od promieni krzywizny obu powierzchni roboczych R1 i R2 (soczewki) oraz współczynników załamania: materiału, z którego zrobiona jest soczewka n i otoczenia nm

Np.

2.      Równanie soczewki i definicja Dioprii.

Równanie soczewki:

Dioptria- jednostka zdolności zbierającej soczewek i układów optycznych zwana też mocą soczewki. Zdolność zbierająca soczewki wyrażona w D. (skrót dioptrii) jest równa odwrotności ogniskowej soczewki wyrażonej w metrach; np. soczewka o ogniskowej f = 2 m ma zdolność zbierającą 1/2 D. Dioptrie dla soczewek skupiających mają wartość dodatnią, a dla rozpraszających ujemną.

3.      Przeprowadź konstrukcje obrazów dla soczewki skupiającej i rozpraszającej.

SOCZEWKA SKUPIAJĄCA

SOCZEWKA ROZPRASZAJĄCA

Stosowane oznaczenia

n1 – bezwzględny współczynnik załamania światła ośrodka

n2 – bezwzględny współczynnik załamania światła materiału soczewki

f – ogniskowa soczewki

R1,R2 – promienie krzywizn sfer ograniczających bryłę soczewki

x – odległość przedmiotu od soczewki

y – odległość obrazu od soczewki

h, h0 – wysokość przedmiotu (h) i jego obrazu (h0)

p – powiększenie soczewki; p = h0/h = y/x

D – zdolność skupiająca soczewki; D = 1/f (D wyrażone w metrach)

4.      Od czego zależy zdolność skupiająca soczewki?

Zdolność skupiająca soczewki zależy od ogniskowej. Natomiast ogniskowa zależy od promieni krzywizny R1 i R2 ( rysunek 1 )

Zdolność skupiająca jest to odwrotność ogniskowej :

 

 

5.      Przedstaw metody pomiaru ogniskowej metodą bezpośrednia i Bessela.

Najprostszą metodą wyznaczenia ogniskowych soczewek skupiających polega na bezpośrednim pomiarze odległości x przedmiotu od soczewki oraz soczewki od ekranu y po otrzymaniu na ekranie ostrego obrazu przedmiotu i podstawieniu otrzymanych wartości pomiarowych do wzoru 

Jest to metoda niedokładna ponieważ x i y powinny być mierzone od środka soczewki, a dokładne ustalenie tego położenia jest obarczone dużym błędem.

6.      Omów wady soczewek.

Aberacja sferyczna- polega na tym ze promienie przyosiowe są mniej odchylane niż odległe od Osi skutkiem czego ich ognisko znajduje się dalej od soczewki niż promieni padających na zewnętrzne strony soczewki.

Aberracja chromatyczna to cecha soczewki lub układu optycznego, wynikająca z różnych odległości ogniskowania (ze względu na różną wartość współczynnika załamania) dla poszczególnych barw widmowych światła (różnych długości fali światła). W rezultacie występuje rozszczepienie światła, które widoczne jest na granicach kontrastowych obszarów pod postacią kolorowej obwódki (zobacz zdjęcie obok).

Aberracja chromatyczna występuje również w soczewce ludzkiego oka, powodując barwne obwódki (pomarańczowe i niebieskie) wokół ciemnych przedmiotów na jasnym tle. W przypadku układów optycznych (teleskopy, obiektywy fotograficzne etc.) jest to wada pogarszająca jakość odwzorowania.

Koma lub aberracja komatyczna to w optyce jedna z aberracji optycznych czyli wad układów optycznych. Polega na tym, że wiązka promieni świetlnych wychodząca z punktu położonego poza osią optyczną tworzy po przejściu przez układ plamkę w kształcie przecinka lub komety. Stopień zniekształcenia jest tym większy im dalej od osi optycznej układu znajduje się źródło światła. Obiektyw lub układ optyczny wolny od komy nazywamy Aplanatem.

Zaburzenie to może być wywołane niedokładnością wykonania układu optycznego lub być w sposób ścisły związane z jego konstrukcją. Dla przykładu koma jest typowym zniekształceniem dla zwierciadła parabolicznego.

Astygmatyzm: obraz punktu położonego poza główna osią optyczna soczewki, nie jest

punktem, lecz stanowi dwa wzajemnie prostopadłe odcinki leżące w różnych płaszczyznach.

Zakrzywienie pola obrazu: punkty składające się na obraz powierzchni płaskiej prostopadłej do osi optycznej nie leżą w płaszczyźnie prostopadłej do osi optycznej.

7.      Wyjaśnij występowanie wad wzroku zwanych dalekowzrocznością i krótkowzrocznością. W jaki sposób można je usunąć.

Krótkowzroczność (miopia - gr. myopia) jest jedną z najczęściej spotykanych wad refrakcyjnych wzroku polegającą na tym, że oko (soczewka oka) nieprawidłowo skupia promienie świetlne. W akomodującym oku zdrowym ogniskowane są one na siatkówce, w nieakomodującym oku krótkowzrocznym ogniskowane są przed siatkówką.

Inaczej mówiąc jest to taki stan zdolności skupiającej układu optycznego oka, w którym promienie równoległe (biegnące z nieskończoności) ogniskowane są przed siatkówką. Wiąże się to ze zbyt długą osią gałki ocznej (krótkowzroczność osiowa), z nieprawidłową (zbyt wypukłą) krzywizną poszczególnych elementów układu optycznego oka, zwłaszcza rogówki i soczewki (krótkowzroczność krzywiznowa), a także ze wzrostem współczynnika załamania soczewki przy rozwijającej się zaćmie jądrowej (krótkowzroczność refrakcyjna).

W celu poprawy ostrości widzenia krótkowidza stosuje się okulary korekcyjne lub soczewki kontaktowe. Są to soczewki rozpraszające. Ich moc optyczną podaje się w dioptriach dodając znak minus (np. minus 3 dioptrie). Poniższy rysunek przedstawia bieg promieni świetlnych w oku krótkowzrocznym skorygowanym soczewką rozpraszającą.

Nadwzroczność (dalekowzroczność) jest drugą obok krótkowzroczności najczęściej spotykaną wadą wzroku. Jest wynikiem zbyt krótkiej gałki ocznej w stosunku do siły łamiącej lub niewystarczającą siłą załamującą, co może być spowodowane np. zbyt płaską rogówką w stosunku do długości gałki ocznej. U osób cierpiących na dalekowzroczność obraz powstaje za siatkówką, a więc do korekcji wady stosuje się soczewki skupiające promienie świetlne.

8.      Podaj przyrządy w których wykorzystywane są soczewki i opisz jeden z nich ( Podaj praktyczne zastosowanie soczewek)

Przyrządy optyczne

·         aparat fotograficzny

·         camera obscura

·         diaskop

·         epidiaskop

·         episkop

·         grafoskop

·         lorneta

·         luneta

·         lupa

·         kamera filmowa lub kamera video

·         kamera reprodukcyjna

·         mikroskop

·         monokl

·         okulary

·         peryskop

·         powiększalnik

·         projektor

·         reflektor

·         rzutnik przezroczy

·         teleskop

·         zwierciadło optyczne

Lupa jest przyrządem optycznym służącym do obserwacji drobnych przedmiotów. Zbudowana jest z jednej soczewki skupiającej lub z zespołu soczewek umieszczonych w oprawce.

Lupa tworzy obraz przedmiotu pozorny, prosty, powiększony.

Powiększenie lupy w przybliżeniu określa wzór

w którym

d — odległość najlepszego widzenia,

f — ogniskowa soczewki.

Odległość obserwowanego przedmiotu od soczewki powinna być mniejsza od ogniskowej.

Spotyka się lupy w postaci arkusza przezroczystej folii będącej soczewką Fresnela, jak i bardziej rozpowszechnione ze szkła.

Lupa składająca się z jednej soczewki i zaopatrzona w uchwyt, nazywana bywa szkłem powiększającym.

Głównym zastosowaniem soczewek w różnych przyrządach jest możliwość powiększenia lub pomniejszenia różnych przedmiotów znajdujących się w różnej odległości od obserwatora. Jednak na...