آزمایش بررسی عدسیهای محدب و مقعر
هدف آزمایش: مشاهده پرتوهای موازی ، همگرا و واگرا ، تعیین فاصله کانونی عدسی، تشکیل تصویر در عدسیها، بررسی شکست نور.
وسایل آزمایش: پرتوافکن پر قدرت قابل تنظيم همراه منبع تغذيه، ريل اپتيكي هندسي بلند (150cm)، لغزنده ریل اپتیکی (5عدد)، عدسي مقعر، عدسي محدب، استند اسلايد، اشكال مختلف اسلايد (6نوع)، ديسك هارتل يا نمايشگر مدرج، بست هارتل، L شكل براي انحراف محوري، اشكال شفاف شبه عدسي (4عدد)، آینه مقعر، آینه محدب، میله افقی کننده دیسک هارتل.
تئوری آزمایش
به طورکلی عدسی ها ازمواد شفافی مانند شیشه که به دو سطح کروی (که ممکن است شعاع انحنای آنها با هم متفاوت باشد) محدود هستند، تشکیل شده اند . حتماً تاکنون با تمرکز نور خورشید توسط ذره بین برروی یک ورق کاغذ، آن را مشتعل کرده اید. اجسام شیشه ای که خاصیت متمرکز کردن باریکه های موازی نور در نقطه ای به نام کانون را دارند، عدسی های همگرا یا عدسی محدب گویند. در این عدسی ها لبه عدسی از قسمت میانی آن نازکتر است. در شکل1 (الف) مراکز و به عنوان مرکز انحناء و شعاع های و به عنوان شعاع های انحنای عدسی مشخص شده اند.
خطی که و را به هم وصل می کند، محور اپتیکی نامیده می¬شود و فاصله کانون F از صفحه اپتیکی مرکزی عدسی را فاصله کانونی گویند.
عدسی های محدب دارای دو کانون با فواصل کانونی یکسان و نامساوی می باشند. اگر یک عدسی را متشکل از تعداد زیادی منشور فرض کنیم که زوایای شکست آنها به تدریج از امتداد عمودی (نرمال) دور می گردد، معنی شکسته شدن پرتوها به طرف کانون به راحتی قابل فهم می شود.
(ب)
شکل(1) (الف)
در عدسی های واگرا، انحنا عدسی طوری است که وسط عدسی از لبه های آن نازکتر است و در آن پرتوهای فرودی موازی محور اپتیکی بعد از شکست از محور دور می شوند که اگر عدسی را ترکیبی از چندین منشور که زاویه شکست آنها به ترتیب به طرف بیرون بیشتر می شود، فرض کنیم، به راحتی این خاصیت برایمان قابل فهم می شود .(شکل2)
(شکل2)
روش آزمایش
الف) مشاهده پرتوهای موازی، همگرا و واگرا
ابتدا پرتوافکن را روی ریل قرار داده و روشن کنید. عدسی همگرا با فاصله کانونی (10+) را درنزدیکی پرتوافکن قرار دهید.
سپس صفحه تصویر را روی پایه آن قرارداده و پایه را طوری روی ریل قراردهید که صفحه درامتداد محور اصلی عدسی قرار گیرد (عمود برعدسی) و قسمتی از پرتوهای خارج شده ازآن روی صفحه دیده شوند. عدسی را به آرامی از پرتو افکن دور کنید تا دسته پرتوهای خروجی موازی شوند. عدسی را بازهم از پرتوافکن دور کنید تا دسته پرتوهای خروجی همگرا شوند (درحین آزمایش مشاهدات خود را در جدول (1) یادداشت کنید).
اکنون صفحه تصویر را از روی ریل بردارید و عدسی را در نزدیکترین فاصله تا پرتو افکن قراردهید، سپس نور خروجی را در فاصله دوری روی دیوار بیندازید، وعدسی را به آرامی از پرتو افکن دور کنید تا تصویرواضحی از فیلامان لامپ پرتو افکن روی دیوار تشکیل شود .
دراین حالت پرتوهایی که ازعدسی خارج می شوند، تقریباٌ موازی هستند، چرا؟
فیلامان در چه موقعیتی نسبت به عدسی قرار گرفته است؟
مراحل فوق را برای عدسی واگرا نیز تکرار کنید. آیا با این عدسی می توانید تصویری از فیلامان روی دیوار تشکیل دهید؟
ب) تعیین تجربی کانون عدسی های همگرا
ابتدا پرتو افکن را روی ریل قرار داده و روشن کنید . عدسی همگرا (10 +) را مقابل نور قرار داده و پرتوهای خروجی را موازی نمایید، سپس عدسی همگرا (15+) را در مقابل پرتوهای موازی قرار دهید. صفحه تصویر را روی پایه اش نصب کرده و روی ریل آنقدر جابجا کنید تا تصویر فیلامان به وضوح روی آن دیده شود، در این حالت تصویر فیلامان بر روی کانون عدسی همگراست. فاصله تصویر تا عدسی را اندازه گرفته و با فاصله کانونی عدسی مقایسه و خطای مطلق در اندازه گیری آن را حساب کنید.
محل
جسم محل تصویر بزرگی تصویر نسبت به جسم مستقیم یا معکوس بودن تصویر حقیقی بودن یا مجازی بودن تصویر فاصله
جسم ازآینه p)) فاصله تصویراز آینه q)) بزرگنمایی
دورتر از دوبرابر فاصله کانونی
در دو برابر فاصله کانونی
بین کانون و دو برابر فاصله کانونی
روی کانون
بین کانون و عدسی
جدول(1)
ج) بررسی چگونگی تشکیل تصویر اجسام در عدسی ها
پرتوافکن را روشن کرده و روی ریل قرار دهید، عدسی همگرا(10 +) را برای پرتوهای خروجی موازی درمقابل پرتو افکن قرار دهید سپس اسلاید پیکان را روی پایه اسلاید قرار دهید پایه اسلاید را در نزدیکی عدسی همگراقراردهید. اکنون عدسی همگرا (15 +) را مقابل پیکان به فاصله بیشتر از دو برابر فاصله کانونی نسبت به اسلاید پیکان قرار دهید. صفحه تصویر را روی پایه اش قرار داده و آنرا در مقابل عدسی همگرا آنقدر جابجا کنید تا تصویر پیکان بوضوح روی آن تشکیل گردد.
اکنون حالات مختلف تصویر در عدسی همگرا را مطابق جدول (1) بررسی و جدول را پر کنید. سپس عدسی همگرای 15+ را برداشته و عدسی واگرا را قراردهید و نتایج مشاهدات خود را برای این عدسی یادداشت کنید.
د) تعیین فاصله کانونی عدسی همگرا (روش بل)
پرتو افکن را روشن کرده و روی ریل قرار دهید ، عدسی 10+ را برای موازی سازی پرتوهای خروجی مقابل آن قرار دهید، اسلاید پیکان را روی پایه اش قرار داده و مقابل عدسی موازی ساز قرار دهید . عدسی همگرای (15+) را در فاصله ای بیشتر از دو برابر فاصله کانونی نسبت به پیکان قرار دهید. حال صفحه تصویر را در مقابل عدسی آنقدر جابجا کنید تا تصویر پیکان بوضوح روی صفحه تشکیل شود . در این حالت در حالیکه مکان اسلاید نسبت به صفحه تصویر ثابت است. عدسی را آنقدر جابجا کنید تا دوباره تصویر واضحی از پیکان روی صفحه ظاهر شود. در این حالت فاصله عدسی تا اسلاید را بنامید و فاصله صفحه تصویر تا اسلاید را L قرار دهید.
اختلاف یعنی فاصله دو وضع عدسی را حساب کنید سپس با استفاده از رابطه:
فاصله کانونی عدسی ( یعنی F) را حساب کنید. (اثبات رابطه فوق چگونه است)
دراین آزمایش اگر فاصله تصویرازعدسی را در هر حالت و بنامیم. با استفاده از رابطه:
فاصله کانونی عدسی را در هر بار محاسبه کرده و با مقدار واقعی آن مقایسه کنید.
ه) تعیین فاصله کانونی عدسی همگرا با روش (4F)
پس از موازی کردن پرتوهای خروجی طبق آزمایشات قبلی ، اسلاید پیکان را در نزدیکی عدسی موازی ساز قرار دهید، سپس عدسی همگرای (15 +) و بعد از آن صفحه تصویر را آنقدر جابجا کنید تا تصویر پیکان روی صفحه تصویر بوضوح تشکیل شود.
عدسی و صفحه تصویر را آنقدر جابجا کنید تا طول تصویر برابر با طول پیکان شود. فاصله اسلاید از عدسی و تصویر ازعدسی را اندازه بگیرید (نسبت به هم چگونه اند؟).
نصف فاصله اسلاید از عدسی برابر با فاصله کانونی است (چرا؟) این حالت را با رسم شکل پرتوها نمایش دهید.
ز) بررسی شکست نور
درداخل ظرف آبی که دراختیار دارید یک دیسک مدرج پلاستیکی به طورعمود قرار دهید بطوریکه یک قطر آن مماس بر سطح آن و یک قطر دیگر آن عمود بر سطح آب قرار گیرد. سپس با استفاده ازپرتوافکن که یک تک شکاف درمقابل دریچه اش قرار دارد پرتوی را تحت زوایای متفاوت نسبت به امتداد قائم روی سطح آب طوری بتابانید که ازمرکز دیسک در روی سطح آب عبور کند . این پرتو دراثر ورود به آب، شکسته شده و زاویه اش با امتداد قائم تغییر می کند، نحوه این تغییرات را بررسی کنید. با تغییر زاویه تابشi به اندازه 5 درجه در هر بار، زاویه شکست r را اندازه گرفته و در هر بار را که ضریب شکست آب نسبت به هوا است را محاسبه و سپس مقدار متوسطn را حساب کنید.
جدول زیر را کامل کنید.
i
r
n