Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Zad_opt

.pdf
Скачиваний:
225
Добавлен:
27.03.2015
Размер:
4 Мб
Скачать
☆

22

 

ОПТИКА. МЕТОДИКА РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ

Отсюда расстояние х равно

a fок

 

 

 

 

x =

= 83,1 см.

 

 

 

a − fоб

 

 

 

 

 

 

 

Следовательно, чтобы четко видеть предмет, необходимо

отодвинуть

окуляр

от

объектива

на

расстояние

l = x − fоб = 13, 1 см.

 

 

 

 

Ответ: а)

fоб = 75 см, fок = 5 см;

 

 

б)

l =13,1 см

 

 

 

 

Задача 1.2.10. Зрительная труба Кеплера состоит из двух собирающих линз − объектива и окуляра (рис. 1.16). Найти увеличение Г, даваемое трубой при установке на бесконечность, если диаметр D оправы объектива и диаметр d изображения оправы, которое дает окуляр,

соотносятся как d = 0,05 D.

Рис. 1.16. Оптическая схема трубы Кеплера

Решение

 

При

установке

трубы

 

 

 

задний фокус объектива

Fоб

Кеплера

на бесконечность

′

совпадает с

передним

фокусом

окуляра Fок. Согласно (1.25) увеличение трубы равно

Г= fоб . fок

Как видно из рис. 1.16,

Г = Dd = 20.

Ответ: Γ = 20.

Задача 1.2.11. Две тонкие линзы из стекла с показателем преломления n = 1,5 и радиусами кривизны сферических поверхностей Rоб = 1 см и Rок = 5 см используются в качестве соответственно объектива и окуляра микроскопа, дающего увеличение Γ = 50. После изменения расстояния между объективом и окуляром на l увеличение стало равным Γ′ = 60 . Определить расстояние l .

Гл. 1. Геометрическая оптика и простые оптические системы

23

Решение

При наблюдении с помощью микроскопа малоразмерных объектов предмет AB располагают вблизи переднего фокуса объектива Fоб (рис. 1.17). Объектив дает

увеличенное

действительное

перевернутое

изображение

′ ′

 

фокуса окуляра

A B вблизи

Fок. В свою очередь окуляр пе-

реводит A

′ ′

в увеличенное

B

мнимое изображение А В , ко-

 

торое находится на расстоянии

Рис. 1.17. Ход лучей в микроскопе

наилучшего зрения от окуляра

 

(глаза): O′B = L0 = 25 см. Рас-

стояние Х между точками Fоб′ и Fок называют оптической длиной

микроскопа. При расчетах принимается, что расстояние от предмета АВ до объектива приближенно равно фокусному расстоянию объектива fоб, а расстояние от изображения A′B′ до окуляра равно фокусному расстоянию окуляра fок.

Из подобия треугольников AOB и OA′B′следует, что даваемое объективом увеличение равно

 

′ ′

 

fоб + X

 

 

Гоб ≈

A B

≈

=1+ X Φоб ,

(1.26)

AB

 

 

 

fоб

 

где Φоб =1 fоб – оптическая сила объектива.

Из подобия треугольников A′O′B′ и A*O′B* находим увеличение, даваемое окуляром:

Г

 

=

B*A*

=

L0

≈

L0

= L Φ

 

.

 

′ ′

′ ′

 

 

 

ок

 

 

 

0

ок

 

 

 

 

B A

 

O B

 

fок

 

 

Следовательно, исходное увеличение Г микроскопа равно

Г = Гоб Гок = (1+ X Φоб) L0 Φок .

При изменении расстояния между объективом и окуляром на l увеличение микроскопа становится равным

Г′ =[1+ (X + l) Φоб] L0 Φок = Г+ l L0 Φоб Φок .

24 ОПТИКА. МЕТОДИКА РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ

Таким образом,

Γ′−Γ

 

 

 

l =

 

 

.

(1.27)

 

 

 

 

 

L

Ф

об

Ф

 

0

 

 

ок

 

Согласно (1.19), оптические силы каждой из тонких линз равны соответственно

Фоб =

2

(n − n0 )

 

(1.28)

 

Rоб

и

 

 

 

(n − n0 )

 

 

 

Фок =

2

.

(1.29)

 

 

 

 

 

Rок

 

С учетом (1.27)−(1.29) окончательно получаем:

l ≈ (Γ′−Γ)RобRок = 2 см. 4L0 (n − n0 )2

Ответ: l = 2 см.

Задача 1.2.12. Найти с помощью геометрических построений положения фокусов и главных плоскостей для толстой выпукловогнутой линзы толщиной d = 4 см с показателем преломления n = 1,5, если оптические силы преломляющих поверхностей линзы в воздухе равныΦ1 =50 дптр, Φ2 = −50 дптр (рис. 1.18, а).

Решение

Так как по условию Φ1 = −Φ2 , то в соответствии с (1.5)

R1 = R2 =

 

n −1

=1 см, а в соответствии с (1.6) f1 = f2′ = −

n0

= 2 см,

 

Φ

 

Ф

 

n0

1

 

 

1

 

f1′= f2 =

=

3 см. Положение фокусов сферических преломляю-

Ф

 

1

 

 

 

 

 

щих поверхностей 1 и 2 показано на рис. 1.18 а.

Положение переднего F и заднего F′ фокусов линзы найдем с помощью лучей, падающих на линзу параллельно главной оптической оси ОО′. Положение главных плоскостей Н и Н′ будем искать, исходя из того, что они − сопряженные, а коэффициент поперечного увеличения для них равен 1.

Гл. 1. Геометрическая оптика и простые оптические системы

25

Рис.1.18. а – оптическая схема толстой выпукло-вогнутой линзы; б – ход лучей через толстую выпукловогнутую линзу

а

б

Направим луч 1 (рис. 1.18 б) параллельно главной оптической оси. После преломления на поверхности 2 он переходит в луч 1', который как бы выходит из фокуса F2. Параллельно лучу 1' построим луч 2′, который пересекает оптическую ось в фокусе F′1 и после преломления на поверхности 1 переходит в луч 2″, параллельный оптической оси. Так как лучи 1' и 2' − параллельные, поэтому

а) луч 1″ пересекается с лучом 2″ в фокальной плоскости F1, а с главной оптической осью – в фокусе F линзы;

б) луч 2 (а точнее − его продолжение) пересекается с оптической осью в фокусе F′, с продолжением луча 1 − в фокальной плоскости F′2, а с продолжением луча 2″ − в главной плоскости Н′. Таким образом, плоскости Н′ и F′2 совпадают. Совпадают и плоскости Н и F1, поскольку им принадлежит точка пересечения продолжения луча 1 и луча 1″.

Для иллюстрации возможности использования других лучей, на рис. 1.18б показан ход луча 3.

Относительно вершины О1 координаты найденных точек F, H, H′ и F′ равны соответственно − 3,5 см, − 2 см, + 2 см и + 3,5 см. Эти результаты подтверждаются расчетами по соответствующим формулам.

26

ОПТИКА. МЕТОДИКА РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ

Задача 1.2.13. Найти с помощью геометрических построений положение точки S*, сопряженной с точкой S, если для оптической системы в воздухе заданы положения главной оптической оси ОО', передней главной плоскости Н и сопряженных точек Р и Р* (рис. 1.19 а).

Решение

Поскольку среда по обе стороны от оптической системы одна и та же (воздух), то узловые точки совпадают с главными.

а

б

Рис.1.19. Положения главной оптической оси ОО', передней главной плоскости Н, точки S и сопряженных точек Р и Р*(а); построения для нахождения положения точки S*, сопряженной с точкой S (б)

Направим из точки Р два луча: луч 1 − в направлении на главную точку Н, в которой главная плоскость Н пересекается с осью ОО', а луч 2 − параллельно оси ОО'. Проведем через точку Р* луч 1′, параллельный лучу 1. Луч 1′ пересечет ось ОО' в узловой точке N′ (она же − главная точка Н′, лежащая в главной плоскости Н′). Луч 2 после пересечения с плоскостью H ′ пойдет как луч 2′ в направлении на точку Р*. Точка пересечения луча 2′ с осью ОО' совпадает с фокусом F′. Чтобы найти положение фокуса F , направим из точки Р* луч 3 параллельно оси ОО' до пересечения с главной плоскостью Н. Тогда луч 3′ , направленный на точку Р, пересечет ось ОО' в фокусе F системы.

Найдем положение точки S*, сопряженной с точкой S. Луч 4, выходящий из точки S параллельно оси ОО', после пересечения с плоскостью H' изменит направление и пойдет через фокус F' (луч 4'). Луч 5, выходящий из точки S в направлении на главную точку Н (она же − узловая точка N), позволяет построить параллельный ему луч 5', выходящий из главной точки Н′ (она же − узловая точка N′). Лучи 4' и 5' пересекаются в точке S*.

Гл. 1. Геометрическая оптика и простые оптические системы

27

Задача 1.2.14. С помощью построений найти положение изображения S′ точки S, если для оптической системы задано относительное расположение точки S, фокусов F' и F, а также плоскостей

Н и Н' (рис. 1.20).

Рис.1.20. Построение изображения S' точки S

Решение

Чтобы найти положение изображения S' точки S построим два вспомогательных луча, исходящих из точки S: луч 1, проходящий через фокус F, после пересечения с плоскостью Н будет параллелен оси ОО' (луч 1'); луч 2, параллельный оси ОО', после пересечения с плоскостью H' изменит свое направление так (луч 2'), что продолжение луча 2' пересекает ось ОО' в фокусе F'. Точка пересечения лучей 1' и 2' дает искомое положение изображения S'.

Задача 1.2.15. Центрированная оптическая система состоит из двух тонких линз с фокусными расстояниями f1 и f2; расстояние между линзами равно d. Найти положение и фокусное расстояние f тонкой линзы, которая при любом положении объекта будет обеспечивать такое же поперечное увеличение, как и система из двух линз.

Решение

Согласно (1.17) оптическая сила Ф системы из двух тонких линз в воздухе равна

Φ = Φ + Φ

2

−d Φ Φ

2

=

1

+

1

−

d

.

 

 

 

1

1

 

f1

 

f2

 

f1 f2

 

 

 

 

 

 

 

Изобразим эту систему (рис. 1.21), задав положения главных плоскостей (Н и Н') и фокусов (F и F′). Как видно из рисунка,

28

ОПТИКА. МЕТОДИКА РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ

Рис.1.21. Схематическое представление оптической системы из двух тонких линз

поперечное увеличение, даваемое оптической системой, равно Г = SS′ = xf = x 1Φ ,

где S − поперечный размер объекта, а S′ − поперечный размер изображения. Поэтому, если взять тонкую линзу с фокусным расстоянием

f= Φ1 = f1 + f2 − d

ипоместить ее в передней главной плоскости Н оптической системы, то она будет обеспечивать такое же поперечное увеличение,

как и система из двух линз. В соответствии с (1.14) главная плоскость Н находится от первой линзы на расстоянииf1 f2

 

 

 

 

Φ2

 

 

 

d f

 

 

 

 

 

 

l =

d

=

 

 

 

.

 

 

f

+ f

 

− d

 

 

 

 

 

 

 

Φ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

2

 

 

 

Ответ: f =

1

=

 

f1

f2

 

 

 

 

 

 

 

 

Φ

f

+ f

2

− d

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Задача 1.2.16. На сколько радиус кривизны R1 выпуклой поверхности выпукло-вогнутой стеклянной (n = 1,5) линзы толщиной d = 3 см должен быть больше радиуса кривизны R2 вогнутой поверхности, чтобы в воздухе линза была телескопической?

Решение

Толстая выпукло-вогнутая стеклянная линза в воздухе будет телескопической при условии:

Φ = Φ1 + Φ2 − dn Φ1 Φ2 = 0 ,

Гл. 1. Геометрическая оптика и простые оптические системы

29

где Φ1 и Φ2 – оптические силы сферических поверхностей линзы,

d – толщина линзы, n – показатель преломления материала, из которого сделана линза.

Поскольку Φ =

n −1

 

и

Φ

2

=

1− n

, то, решая уравнение, по-

 

 

 

 

 

 

1

 

R1

 

 

 

R2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

лучим

R = R

− R

 

=

d (n −1)

=1 см.

 

 

 

 

 

1

2

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ответ: На 1 см.

Задача 1.2.17. Телескопическая система образована двумя стеклянными шарами, расстояние между центрами которых равно L = 9 см. Радиус большого шара равен R1 = 5 см. Найти радиус R2

малого шара и увеличение системы, если объективом служит большой шар. Показатель преломления стекла n = 1,5.

Решение

Система из двух шаров будет телескопической, если задний фокус первого шара совпадает с передним фокусом второго.

Согласно (1.16) оптическая сила шара (как толстой линзы) рав-

на

Φ = Φ1 +Φ2 − 2nR Φ1 Φ2 ,

где Ф1 и Ф2 − оптические силы преломляющих поверхностей:

Ф =

n −1

 

; Ф

2

=

1− n

=

n −1

 

= Ф .

R

−R

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

R

 

1

Поэтому

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2(n −1)

 

2R(n −1)2

2(n −1)

 

Φ =

 

 

 

 

−

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

.

 

R

 

 

 

nR2

 

nR

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В соответствии с (1.17) и (1.6) расстояния от каждой из вершин сферической поверхности до ближайшего фокуса равны соответственно:

x

= −

2R1

Φ1 +

1

=

 

nR1

 

1−

2R1

 

n −1

 

=

R1(2 − n)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

n

Φ Φ

 

2(n −

 

 

 

 

 

 

 

2(n −1)

 

 

 

1)

n R

 

и

 

 

 

x =

R2 (2 − n)

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

2(n −1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таким образом, расстояние L между центрами шаров равно

30 ОПТИКА. МЕТОДИКА РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ

L = R

+ x

+ x + R =

n(R1 + R2 )

.

 

1

1

2

2

 

2(n −1)

 

 

 

 

 

 

Отсюда радиус малого шара равен

 

 

 

 

R =

2L(n −1)

− R =1 см,

 

2

 

 

n

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

аискомое увеличение телескопической системы:

Г= f1 f2 = R1 R2 = 5 .

Ответ: R2 =1 см, Γ=5 .

1.3. Задачи для самостоятельного решения

Задача 1.3.1. Для трёхгранной призмы с преломляющим углом θ = 60° угол наименьшего отклонения луча в воздухе ϕmin = 37°. Найти угол наименьшего отклонения для этой призмы в воде.

Ответ: 8,7°.

Задача 1.3.2. С помощью построений найти ход луча 1 после отражения в вогнутом сферическом зеркале (рис.1.22; F – фокус, ОО' – оптическая ось).

Рис. 1.22. Направление луча 1 при падениинавогнутоесферическое зеркало

Задача 1.3.3. С помощью построений найти положение сферического зеркала и его фокуса, если Р и Р' – сопряженные точки, а ОО' – оптическая ось (рис.1.23).

Задача 1.3.4. Луч света падает из воздуха на сферическую поверхность стекла (рис. 1.24, точками отмечены положения фокусов F и F′). Найти с помощью построений преломленный луч.

Рис. 1.23. К задаче 1.3.3

Рис. 1.24. К задаче 1.3.4

Гл. 1. Геометрическая оптика и простые оптические системы

31

Задача 1.3.5. Изображение предмета, находящегося перед выпуклой поверхностью стеклянной выпукло-плоской линзы толщиной d= 9 см, образуется на плоской поверхности линзы. Радиус кривизны выпуклой поверхности линзы R = 2,5 см. Найти поперечное увеличение V.

Ответ: V =1− d (nRn −1) = −0,2.

Задача 1.3.6. Найти построением положение тонкой линзы в однородной среде и ее фокусов, если известны положения сопряженных точек S и S′ относительно оптической оси ОО′ (рис.1.25).

Задача 1.3.7. Построить продолжение луча 2 за рассеивающей тонкой линзой в однородной среде, если известны положение линзы и ход луча 1 (рис.1.26).

Рис.1.25. Положение сопряженных точек S и S' относительно оси OO' тонкой линзы

Рис.1.26. Направления лучей 1 и 2 относительно тонкой рассеивающей линзы

Задача 1.3.8. Центрированная система из трех тонких линз находится в воздухе (рис.1.27). Найти: а) положение заднего фокуса системы и б) расстояние от первой линзы до точки на оси слева от системы, при котором эта точка и ее изображение расположены симметрично относительно системы.

Рис.1.27. Центрированная система из трех тонких линз

Ответ: а) справа от третьей линзы на расстоянии 3,3 см;

б) 17 см.

Задача 1.3.9. Зрительная труба с фокусным расстоянием объектива f = 50 см установлена на бесконечность. На какое расстояние ∆l надо передвинуть окуляр трубы, чтобы ясно видеть предметы на расстоянии 50 м?

Ответ: ∆l = 0,5 см.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]