Оптические приборы. Построение изображения с помощью линзы

Автор: Горина Анна Дмитриевна

Дата публикации: 30.05.2016

Номер материала: 2318

Конспекты
Физика
Без класса

ГБПОУ РМ «Саранский медицинский колледж»

Конспект занятия

по дисциплине «Физика»

Тема: «Оптические приборы. Построение  изображения с помощью линзы»

Составила: преподаватель физики

Горина Анна Дмитриевна

Саранск 2016

Дисциплина: физика

Занятие №: 3.23

Тема: Оптические приборы. Построение изображения с помощью линзы

Цель: усвоение теоретических основ изучаемой темы (разрешающая способность, линзы (собирающие и рассеивающие), формула тонкой линзы, оптические приборы, рефракция, дефекты зрения)

Обеспечение занятия: учебник, конспект лекции, презентация

Тип занятия: комбинированный урок

Технология обучения: развивающее обучение

Методы обучения: лекция

Компетенции:

ОК 1. Организовывать собственную деятельность, выбирать типовые методы и способы выполнения профессиональных задач, оценивать их эффективность и качество.

ОК 2. Осуществлять поиск и использование информации, необходимой для эффективного выполнения профессиональных задач, профессионального и личностного развития.

ОК 3. Использовать информационно-коммуникационные технологии в профессиональной деятельности.

ПК 1. Оформлять документы первичного учета.

Межпредметные связи: медицина

Используемая литература:

  1. Жданов Л.С., Жданов Г.Л. Физика для средних специальных учебных заведений
  2. Мякишев Г.Я., Физика. 11 класс: учеб. для общеобразоват. учреждений: базовый и профил. уровни / Г. Я. Мякишев, Б. Б. Буховцев, В. М. Чаругин; под ред. В. И. Николаева, Н. А. Парфентьевой. - М.: Просвещение, 2010. - с. 186-194

Содержание занятия

1. Организационный момент: 3-5  мин

(отметка отсутствующих, проверка внешнего вида учащихся, санитарного состояния кабинета)

2. Проверка знаний по пройденному материалу: 10-15 мин

Для проверки знаний по пройденному занятию проводится фронтальный опрос.

Контрольные вопросы:

1. Каков физический смысл абсолютного показателя преломления вещества?

Примерный ответ: абсолютный показатель преломления вещества равен отношению скоростей света в средах, на границе между которыми происходит преломление:

 (формула, которую должны записать обучающиеся)

2. Как  помощью закона отражения построить изображение точечного источника света в плоском зеркале?

Примерный ответ: обучающийся должен нарисовать примерный рисунок, соответствующий данному.

3. При каком условии возникает явление полного отражения света?

Примерный ответ: явление полного отражения света возможно при условии

, где α0 - предельный угол полного отражения, который равен углу падения α0, соответствующий углу преломления 900.

4. Как определяется предельный угол полного отражения?

Примерный ответ: для каждой преломляющей среды предельный угол полного отражения вычисляется по формуле и имеет свое значение.

5. Что такое спектр? Перечислите цвета спектра?

Примерный ответ: спектр - радужная полоска, состоящая из 7 цветов - красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый.

6. Что такое дисперсия света? Почему показатель преломления зависит от частоты света?

Примерный ответ: дисперсия света - зависимость показателя преломления среды от частоты световой волны. Показатель преломления зависит от частоты света, потому что при преломлении происходит уменьшение скорости движения световой волны за счет прохождения через среду. Это зависимость вытекает из формулы: .

3. Изложение материала: 45-50 мин

План:

1) Линзы и их характеристики.

2) Глаз как оптический прибор. Оптические дефекты зрения.

3) Оптические приборы.

Обучающиеся конспектируют материал занятия, записывая со слайдов презентации.

Обучающиеся записывают тему занятия (слайд 1) и план занятия (слайд 2)

                     

Слайд 1                                                          Слайд 2

Вопрос 1 [1, 2]

Линза - прозрачное тело, ограниченное с двух сторон сферическими поверхностями.

Линза может быть ограничена различными сферическими поверхностями, в зависимости от этого и различают виды линз.

В общем случае они могут быть выпуклыми (двояковыпуклая, плосковыпуклая, вогнуто-выпуклая), если посредине толщина больше, чем у краев и вогнутыми (двояковогнутая, плосковогнутая, выпукло-вогнутая), если посредине толщина меньше, чем у краев (слайд 3).

Слайд 3

Геометрические характеристики линзы - обучающиеся зарисовывают линзу с  условным обозначением, затем записывают пояснение к каждой характеристике (слайд 4 и 5).

  • главная оптическая ось - прямая, на которой лежат центры сферических поверхностей, ограничивающих линзу. Главная оптическая ось - ось симметрии линзы;
  • оптический центр линзы - точка, лежащая на оптической оси, в центре линзы;
  • побочная оптическая ось - любая прямая, проходящая через оптический центр;
  • главная плоскость линзы - проходящая через центр линзы перпендикулярно главной оптической оси;
  • радиус кривизны - линия пересечения сферических поверхностей с радиусами

       

Слайд 4                                                     Слайд 5

На слайде 6 показано использование линзы для изменения формы волнового фронта. Здесь плоский волновой фронт становится сферическим при прохождении через линзу (при показе презентации видна анимация процесса).

 Слайд 6

Фокус - точка на главной оптической оси, в которой лучи светового пучка, после преломления в выпуклой линзе, пересекаются. Эту точку обозначают буквой F.

Фокусное расстояние - расстояние от оптического центра до фокуса.

Подобно плоскому зеркалу, линза создает изображения источников света. Это означает, что свет, исходящий из какой-либо точки предмета (источника), после преломления в линзе снова собирается в одну точку (изображение) независимо от того, через какую часть линзы прошли лучи. Если по выходе из линзы лучи сходятся, они образуют действительное изображение. В случае же, когда прошедшие через линзу лучи расходятся, то пересекаются в одной точке не сами эти лучи, а лишь их продолжения. Изображение в этом случае мнимое. Его можно наблюдать глазом непосредственно или с помощью оптических приборов.

Пучки, параллельные главной оптической оси, можно направить на линзу и с противоположной стороны. Точка, в которой они сойдутся, пройдя линзу, будет другим главным фокусом. У линзы два главных фокуса. В однородной среде они располагаются по обе стороны линзы на одинаковых расстояниях от нее. Эти расстояния называются фокусным расстоянием линзы; его обозначают буквой F (той же буквой, что и фокус).

Направим три узких параллельных пучка лучей от осветителя под углом к главной оптической оси линзы. Можно увидеть, что пересечение лучей произойдет не в главном фокусе, а в другой точке.

Но примечательно то, что точки пересечения независимо от углов, образуемых этими пучками с главной оптической осью, располагаются в плоскости, перпендикулярной главной оптической оси линзы и проходящей через главный фокус. Эту плоскость называют фокальной плоскостью.

Поместив светящуюся точку в фокусе линзы (или в любой точке ее фокальной плоскости), получим после преломления параллельные лучи.

Если сместить источник дальше от фокуса линзы, лучи за линзой становятся сходящимися и дают действительное изображение. Когда же источник находится ближе фокуса, преломленные лучи расходятся и изображение получается мнимым.

Вогнутые линзы, находящиеся в оптически менее плотной среде (по сравнению с материалом линзы), являются рассеивающими. Направив на такую линзу лучи параллельно главной оптической оси, мы получим расходящийся пучок лучей. Их продолжения пересекаются в главном фокусе рассеивающей линзы.

В этом случае главный фокус является мнимым и расположен на расстоянии F от линзы. Другой мнимый главный фокус находится по другую сторону линзы на таком же расстоянии, если среда по обе стороны линзы одна и та же.

Величину, обратную фокусному расстоянию, называют оптической силой линзы. Обозначают буквой D (слайд 7):


D > 0, если линза собирающая, D < 0, если линза рассеивающая.

Слайд 7

Чем ближе к линзе ее фокусы, тем сильнее линза преломляет лучи, собирая или рассеивая их, и тем больше оптическая сила линзы.  Оптическую силу D линз выражают в диоптриях (дптр). Оптической силой в 1 дптр обладает линза с фокусным расстоянием 1 м.

Тонкая линза - линза, у которой ее толщина много меньше, чем радиусы кривизны сферических поверхностей.

Формула тонкой линзы (слайд 8 и 9)

расстояние d от предмета до линзы

расстояние f от изображения до линзы

фокусное расстояние F

         

Слайд 8                                                         Слайд 9

Величины d, f и F могут быть как положительными, так и отрицательными. Применяя формулу линзы, нужно ставить знаки перед членами уравнения согласно следующему правилу.

  • Если линза собирающая, то ее фокус действительный, и перед членом  ставят знак «+».
  • Если линза рассеивающая, то F < 0 и в правой части формулы будет стоять отрицательная величина.
  • Перед членом ставят знак «+», если изображение действительное, и знак «-» в случае мнимого изображения.
  • Перед членом ставят знак «+» в случае действительной светящейся точки и знак «-», если она мнимая (т. е. на линзу падает сходящийся пучок лучей, продолжения которых пересекаются в одной точке).

В том случае, когда F, f или d неизвестны, перед соответствующими членами,  и ставят знак «+». Но если в результате вычислений фокусного расстояния или расстояния от линзы до изображения либо до источника получается отрицательная величина, то это означает, что фокус, изображение или источник мнимые.

Изображение, получаемое с помощью линзы, обычно отличается своими размерами от предмета. Различие размеров предмета и изображения характеризуют увеличением.

Линейным увеличением называют отношение линейного размера изображения к линейному размеру предмета (слайд 10). 


H - высота изображения

h - высота предмета

Увеличение линзы равно отношению расстояния от изображения до линзы, к расстоянию от линзы до предмета:

Слайд 10

Построение изображений в линзе (слайды 12-17). На каждом слайде с помощью анимации показан процесс построения изображения.

Свойства тонкой линзы определяются главным образом расположением ее фокусов. Это означает, что, зная расстояние от источника света до линзы и ее фокусное расстояние (положение фокусов), можно найти расстояние до изображения, не рассматривая ход лучей внутри линзы. Поэтому нет необходимости изображать на чертеже точный вид сферических поверхностей линзы. Известно, все лучи, вышедшие из какой-либо точки предмета, пройдя сквозь линзу, пересекаются также в одной точке. Именно поэтому тонкая линза дает изображение любой точки предмета, а, следовательно, и всего предмета в целом. Для построения изображений, получаемых с помощью собирающей линзы, фокусы и оптический центр которой заданы, мы будем пользоваться в основном тремя видами «удобных» лучей:

  • луч, проходящий через оптический центр
  • луч, падающий на линзу параллельно главной оптической оси;
  • луч, проходящий через фокус.

Характеристика изображений:

  • прямое и перевернутое
  • увеличенное и уменьшенное
  • действительное и мнимое

Для построения преломленного луча проведем побочную оптическую ось PQ, параллельную лучу SB. Затем построим фокальную плоскость и найдем точку С пересечения фокальной плоскости с побочной оптической осью. Через эту точку и пройдет преломленный луч ВС. Таким образом, построен ход двух лучей, выходящих из точки S. После преломления в линзе эти лучи расходятся. Изображение S1 точки S будет мнимым, так как источник расположен между фокусом и линзой.

Примеры

Для собирающей двояковыпуклой линзы

  1. Предмет находится между фокусом и двойным фокусом (слайд 12)

Характеристика изображения

  • увеличенное
  • действительное
  • перевернутое
  1. Предмет находится на одинарном фокусном расстоянии (слайд 13)

Характеристика изображения - изображения нет, т.к. лучи не сходятся

  1. Предмет находится между фокусом и линзой (слайд 14)

Характеристика изображения

  • увеличенное
  • мнимое
  • прямое
  1. Предмет находится на двойном фокусном расстоянии (слайд 15)

Характеристика изображения

  • такого же размера, что и предмет  
  • действительное
  • перевернутое
  1. Предмет расположен за двойным фокусом

Характеристика изображения

  • уменьшенное
  • действительное
  • перевернутое

Для рассеивающей двояковогнутой линзы

При любых построения даваемое изображение будет уменьшенное, мнимое, прямое.

Вопрос 2 [1, 2]

Человеческий глаз - достаточно сложная оптическая система, сформировавшаяся в процессе эволюции.                                    

1 - склера - наружная оболочка глаза, которая защищает внутреннее содержание и обеспечивает жесткость.

2 - роговица - через нее проникает свет

3 - радужная оболочка - мышечное кольцо, которое сжимаясь и растягиваясь, меняет размеры зрачка и тем самым световой поток, попадающий в глаз.

4 - зрачок

5 - хрусталик - линзообразное тело, которое с помощью 6 может натягиваться и расслабляться. Меняя радиусы кривизны поверхности хрусталика и тем самым его оптическую силу. Изменение кривизны хрусталика определяет способность глаза к аккомодации - изменению оптической силы глаза. Аккомодация происходит непроизвольно. Точку, которую глаз видит при расслабленной цилиарной мышце, называется дальней точкой, видимая при максимальном напряжении - ближней точкой. При норме дальняя точка лежит бесконечно далеко, ближняя - на расстоянии около 15-20 см.

Дефекты зрения

Близорукость - дефект зрения, при котором дальняя точка лежит на конечном расстоянии. Это вызывается либо вытянутостью глаза, либо спазмом цилиарной мышцы.  Для лучшей видимости приходится приближать глаз к предмету. Коррекция проводится с помощью рассеивающих линз.

Дальнозоркость - дефект зрения, при котором ближняя точка удаляется от глаза. Это вызывается либо укороченность глазного яблока, либо слабой аккомодацией. Коррекция проводится с помощью собирающих линз.

6 - цилиарная связка

7 - стекловидное тело

Роговица, водянистая влага, хрусталик и стекловидное тело образуют оптическую систему, аналогичную линзе с оптической силой около 58.5 дптр (f=17.2 мм). Оптический центр этой системы расположен на расстоянии около 5 мм от роговицы.

8 - сосудистая оболочка

9 - сетчатка - полусфера, состоящая из рецепторных клеток, имеющих форму колбочек и палочек. Колбочки отвечают за цветовое зрение (три типа палочек - зеленые, красные, синие). Палочки отвечают за сумеречное зрение. Спектральная чувствительностью глаза максимальна в области желто-зеленого диапазона (около 560 нм).

10 - зрительный нерв

11 - слепое пятно

12 - центральная ямка - область наибольшей остроты зрения.

Рефракция глаза — преломляющая сила оптической системы глаза, выраженная в диоптриях. Рефракция глаза как физическое явление определяется радиусом кривизны каждой преломляющей среды глаза, показателями преломления сред и расстоянием между их поверхностями, т.е. обусловлена анатомическими особенностями глаза. Однако в клинике имеет значение не абсолютная сила оптического (светопреломляющего) аппарата глаза, а ее соотношение с длиной переднезадней оси глаза, т.е. положение заднего главного фокуса (точка пересечения лучей, проходящих через оптическую систему глаза, параллельно его оптической оси) по отношению к сетчатке — клиническая рефракция.

В зависимости от формы оптического аппарата глаза различают сферическую рефракцию глаза, когда преломление лучей в глазу одинаково во всех меридианах, и астигматическую, когда в одном и том же глазу имеется сочетание различных рефракций, т.е. преломление лучей неодинаково по различным меридианам. В астигматическом глазу различают два главных сечения меридиана, которые располагаются под прямым углом: в одном из них рефракция глаза наибольшая, в другом — наименьшая. Разницу рефракции в этих меридианах называют степенью астигматизма. Небольшие степени астигматизма (до 0,5 дптр) встречаются довольно часто, они почти не ухудшают зрения, поэтому такой астигматизм называют физиологическим.

Нередко во время зрительной работы, особенно на близком расстоянии, быстро наступает утомление глаз (зрительный дискомфорт). Это состояние называют астенопией. Она проявляется тем, что контуры букв или мелких предметов становятся неясными, возникает боль в области лба, около глаз, в глазах. Такая клиническая картина характерна для аккомодативной астенопии, в основе которой лежит утомление ресничной мышцы, что наблюдается при дальнозоркости, пресбиопии, астигматизме. При миопии развивается так называемая мышечная астенопия, вызванная дефектами в бинокулярной зрительной системе; она проявляется болью в глазах, двоением при работе на близком расстоянии. Для устранения астенопии необходима наиболее ранняя оптическая коррекция аметропии или пресбиопии, создание благоприятных гигиенических условий зрительной работы, чередование ее с отдыхом для глаз, общеукрепляющее лечение.

Вопрос 3 [1, 2]

Оптические приборы

1. Лупа - короткофокусная двояковыпуклая линза.

- угловое увеличение лупы

d0 - расстояние наилучшего зрения (25 см)

f - расстояние от изображения до линзы

Чем меньше фокусное расстояние линзы, тем большее увеличение она дает.

2. Микроскоп - комбинация двух короткофокусных систем: объектива и окуляра.

Объектив - линза, ближайшая к предмету.

Окуляр - линза, ближайшая к глазу наблюдателя.

- увеличение, даваемое объективом

- увеличение, даваемое окуляром

- угловое увеличение микроскопа

Δ - длина тубуса микроскопа

Разрешающая способность микроскопа

λ - длина световой волны

d - расстояние от предмета до объектива

D - диаметр объектива

Для уменьшения расстояния необходимо использовать более короткофокусные линзы.

3. Телескоп - прибор для наблюдения удаленных объектов.

Виды телескопов:

  • телескоп - рефрактор - телескоп, использующий линзовую систему.
  • телескоп - рефлектор - телескоп, использующий зеркальную систему.

- угловое увеличение телескопа

Для получения большого углового увеличения необходимо соединить длиннофокусный объектив с короткофокусным окуляром.

4. Фотоаппарат - светонепроницаемая камера и система линз.

5. Кинопроектор

Линзы являются основной частью фотоаппарата, проекционного аппарата, микроскопа, телескопа. В глазу тоже есть линза — хрусталик.

Действие оптических приборов описывается законами геометрической оптики. Согласно этим законам можно различать с помощью микроскопа сколь угодно малые детали объекта; с помощью телескопа можно установить существование двух звезд при любых малых угловых расстояниях между ними.

Волновая природа света налагает предел на возможность различать детали предмета или очень мелкие предметы при их наблюдении с помощью микроскопа. Дифракция не позволяет получить отчетливые изображения мелких предметов, так как свет распространяется не строго прямолинейно, а огибает предметы. Из-за этого изображения получаются размытыми. Это происходит, когда линейные размеры предметов меньше длины световой волны.

Дифракция также налагает предел на разрешающую способность телескопа. Вследствие дифракции волн у края оправы объектива изображением звезды будет не точка, а система светлых и темных колец. Если две звезды находятся на малом угловом расстоянии друг от друга, то эти кольца налагаются друг на друга, и глаз не может различить, имеются ли две светящиеся точки или одна. Предельное угловое расстояние между светящимися точками, при котором их можно различать, определяется отношением длины волны к диаметру объектива.

Этот пример показывает, что с дифракцией приходится считаться всегда, при любых препятствиях. Ею при очень тщательных наблюдениях нельзя пренебрегать и в случае препятствий, размеры которых значительно больше, чем длина волны.

Дифракция света определяет границы применимости геометрической оптики. Огибание светом препятствий налагает предел на разрешающую способность важнейших оптических инструментов — телескопа и микроскопа.

4. Закрепление нового материала: 17-20 мин

Вопросы для самоконтроля:

1. Почему изображение в плоском зеркале называется мнимым?

2. Какая линза является собирающей? рассеивающей?

3. Какую линзу называют тонкой?

4. Какие величины связывает между собой формула тонкой линзы?

5. Чем отличается действительное изображение от мнимого?

6. Что называется главным фокусом линзы?

7. Что называется увеличением линзы?

5. Задание на дом: 5 мин

гл. 30 § 1-3; гл. 31 § 1-3 [1]

6. Подведение итогов: 5 мин

(выставляются оценки, их комментарий)