Перейти к содержанию

Линзы. Фокусное расстояние и оптическая сила тонкой линзы

Как различать собирающие и рассеивающие линзы, находить фокус и фокусное расстояние и связывать их с оптической силой.

Открыт · Презентация · Методичка

Конспект урока

Очки, лупа, микроскоп и фотоаппарат выглядят по-разному, но управляют светом с помощью одной общей детали — линзы. Как по ходу лучей определить действие линзы и что означает надпись «+2 дптр» или «−2 дптр»?

Очки, лупа и оптический прибор на рабочем столе кабинета физики

Оригинальная иллюстрация MediaSchool. Она показывает области применения линз, а не доказывает их свойства.

Сначала предскажи

До объяснения запиши ответы.

  1. Где окажутся три параллельных луча после выпуклой линзы: сблизятся, останутся параллельными или разойдутся?
  2. У какой линзы оптическая сила больше: с F=20F=20 см или с F=50F=50 см?
  3. Можно ли получить на экране фокус рассеивающей линзы?

Что называют тонкой линзой

Линза — прозрачное тело, ограниченное криволинейными поверхностями или криволинейной и плоской поверхностями.

В школьных моделях рассматривают тонкую линзу: её толщиной можно пренебречь по сравнению с радиусами кривизны поверхностей. Точка OO, через которую луч в этой модели проходит без изменения направления, называется оптическим центром. Прямая через оптический центр и центры кривизны поверхностей — главная оптическая ось.

Модель тонкой линзы упрощает реальную линзу. Она помогает строить ход лучей, но не является фотографией того, что происходит внутри стекла.

Собирающая и рассеивающая линзы

Две модели тонкой линзы в воздухе

Оригинальная схема MediaSchool. Рассматриваются обычные стеклянные или полимерные линзы в воздухе.

  • Собирающая линза превращает параллельный пучок в сходящийся.
  • Рассеивающая линза превращает параллельный пучок в расходящийся.

По одной только выпуклости нельзя формулировать правило для любых веществ и сред. В этом уроке линза находится в воздухе и изготовлена из оптически более плотного прозрачного материала.

Фокус и фокусное расстояние

Параллельные лучи после собирающей и рассеивающей линз

Оригинальная лучевая модель MediaSchool. Штриховые линии — обратные продолжения реальных лучей.

Точка FF, в которой после собирающей линзы пересекаются лучи, падавшие параллельно главной оптической оси, называется главным фокусом. Это действительный фокус: световые лучи действительно проходят через него.

После рассеивающей линзы лучи расходятся. Их обратные продолжения пересекаются перед линзой, поэтому главный фокус рассеивающей линзы — мнимый. Его нельзя поймать на экране.

У каждой тонкой линзы два главных фокуса — по одному с каждой стороны. Расстояние от оптического центра OO до главного фокуса FF называется фокусным расстоянием и обозначается FF. Единица СИ — метр.

Как приближённо измерить F

Собирающая линза создаёт резкое изображение далёкого объекта на матовом экране

Оригинальная сгенерированная постановка опыта. Измерительный результат получают только на реальной установке.

Кабинетный опыт проводит учитель. Собирающую линзу направляют на далёкий яркий объект, а за линзой перемещают матовый экран до резкого изображения. Для достаточно далёкого объекта расстояние от оптического центра линзы до экрана приближённо равно FF.

Схема измерения фокусного расстояния собирающей линзы

Оригинальная схема MediaSchool. Отрезок FF измеряют от оптического центра линзы.

Безопасность: не использовать лазер; свет и зеркальные блики не направлять в глаза; линзу держать в оправе; сколотое стекло не брать; собирающую линзу не оставлять на прямом солнечном свету. Это короткое учебное измерение готовит к фронтальной лабораторной работе № 7, но не заменяет её.

Оптическая сила линзы

Чем меньше F|F|, тем больше D|D| и тем сильнее линза изменяет ход лучей. Это характеризует оптическая сила DD:

D=1F.D=\frac{1}{F}.

В формулу фокусное расстояние подставляют в метрах. Единица оптической силы — диоптрия:

1 дптр=1 м1.1\ \text{дптр}=1\ \text{м}^{-1}.

Для собирающей линзы принимают F>0F>0 и D>0D>0, для рассеивающей — F<0F<0 и D<0D<0.

Сравнение двух собирающих линз по фокусному расстоянию и оптической силе

Оригинальная схема MediaSchool в общей условной шкале: для двух собирающих линз меньшему FF соответствует большее DD.

Пример расчёта

Фокусное расстояние собирающей линзы F=20F=20 см. Найди оптическую силу.

1. Дано и СИ

F=20 см=0,20 м.F=20\ \text{см}=0{,}20\ \text{м}.

2. Формула и вычисление

D=1F=10,20 м=5 дптр.D=\frac{1}{F}=\frac{1}{0{,}20\ \text{м}}=5\ \text{дптр}.

3. Проверка

Единица 1/м1/\text{м} соответствует диоптрии. Положительный знак согласуется с собирающей линзой. Значение правдоподобно: фокусное расстояние меньше метра, поэтому D>1D>1 дптр.

Частые ошибки

ОшибкаКак исправить
Подставить сантиметры в D=1/FD=1/FСначала перевести FF в метры.
«Большое FF означает сильную линзу»D\lvert D\rvert обратно пропорционален F\lvert F\rvert : меньше F\lvert F\rvert — больше D\lvert D\rvert .
Искать действительный фокус рассеивающей линзы на экранеДействительные лучи расходятся; пересекаются только их продолжения.
Считать любую выпуклую линзу собирающей при любых условияхНазвать школьную границу модели: обычный материал линзы в воздухе.
Путать FF как точку и FF как расстояниеНа схеме точка — фокус, в формуле FF — фокусное расстояние.

Проверь себя

Сначала реши все задания, затем сверяйся с ответами.

  1. Дополни фразу: параллельные главной оптической оси лучи после собирающей линзы …
  2. Почему фокус рассеивающей линзы называют мнимым?
  3. Найди DD собирающей линзы с F=50F=50 см.
  4. Найди фокусное расстояние линзы с D=4D=-4 дптр и укажи её тип.
  5. Какая из двух собирающих линз сильнее: D1=2D_1=2 дптр или D2=5D_2=5 дптр? Сравни их фокусные расстояния.
  6. Ученик получил на экране резкое изображение далёкого окна на расстоянии 1818 см от линзы. Оцени FF и DD.

Домашнее исследование без телефона

Найди дома два безопасных предмета, в которых есть линзы, не разбирая их. Составь таблицу «предмет — предполагаемая роль линзы — собирающая или рассеивающая (если можно определить без риска) — доказательство». Не направляй линзы на Солнце и не используй лазер. Затем реши: F=25F=25 см; найди DD.


Ответы

  1. …сходятся в действительном главном фокусе.
  2. После линзы реальные лучи расходятся; перед линзой пересекаются только их обратные продолжения.
  3. F=50F=50 см =0,50=0{,}50 м; D=1/0,50=2D=1/0{,}50=2 дптр.
  4. F=1/D=1/(4)=0,25F=1/D=1/(-4)=-0{,}25 м; линза рассеивающая.
  5. Сильнее вторая: 5>25>2 дптр. F1=0,50F_1=0{,}50 м, F2=0,20F_2=0{,}20 м, поэтому у более сильной линзы фокусное расстояние меньше.
  6. F18F\approx18 см =0,18=0{,}18 м; D1/0,185,6D\approx1/0{,}18\approx5{,}6 дптр. Это приближённая оценка, потому что объект не бесконечно далёк.

Короткий итог

  • Тонкая линза — физическая модель реальной линзы.
  • Собирающая линза даёт действительный фокус, рассеивающая — мнимый.
  • Фокусное расстояние FF измеряют в метрах.
  • Оптическая сила D=1/FD=1/F измеряется в диоптриях.
  • Меньшему F|F| соответствует большее D|D|; знак показывает тип линзы.
  • Построение изображений в тонких линзах будет следующим шагом.

Материалы урока

Скачать и открыть

Учителю

2 материала

Презентация · для учителей

Презентация «Линзы. Фокусное расстояние и оптическая сила тонкой линзы»

Исследовательский урок: модель тонкой линзы, собирающая и рассеивающая линзы, действительный и мнимый фокусы, измерение фокусного расстояния и расчёт оптической силы.

Скачать PPTX

Методичка · для учителей

Поурочное планирование и рабочий лист (РБ)

Исследовательский урок: типы тонких линз, фокус и фокусное расстояние, безопасное измерение, оптическая сила, рабочий лист и ключи.

Скачать DOCX

Поурочное планирование и рабочий лист (РБ)

DOCX

Ученикам

1 материал

Комментарии

Войдите, чтобы оставлять комментарии.

Пока нет комментариев. Будьте первым!