Учебный комплект по оптике

Изобретение относится к средствам обучения для проведения лабораторных работ по оптике в условиях типового кабинета физики средних общеобразовательных учебных заведений. В оптическую скамью 1 учебного комплекта вставляются держатель 2 оптических элементов. Каждый из держателей представляет собой унифицированный модуль, состоящий из рабочей части 7 и опорной части 8, которые образуют единую монолитную деталь. В рабочей части выполнено круглое сквозное отверстие, в которое при проведении опытов и демонстраций вставляется соответствующий оптический элемент. Техническим результатом изобретения является упрощение технологии изготовления комплекта, повышение удобства в пользовании. 2 н. и 17 з.п. ф-лы, 15 ил.

 

Изобретение относится к средствам обучения и касается конструкции учебного комплекта, предназначенного для проведения лабораторных работ по оптике в условиях типового кабинета физики средних общеобразовательных учебных заведений. Комплект обеспечивает проведение фронтальных экспериментов по оптике, описанных в наиболее распространенных учебниках физики. Кроме того, комплект может использоваться учениками для выполнения других наблюдений и опытов, а также при решении экспериментальных задач.

Известен учебный комплект по оптике, содержащий оптический стол с направляющим пазом, в котором установлены с возможностью перемещения оптические элементы (см. CN 201084306, 2008). Известный комплект имеет ограниченное применение, т.к. рассчитан на демонстрацию только небольшого числа опытов при изучении свойств света и не позволяет демонстрировать все многообразие эффектов, связанных со свойствами света.

Ближайшим аналогом к заявляемому изобретению является учебный комплект по оптике, содержащий оптическую скамью в форме желоба, оптические элементы, источник света и набор держателей оптических элементов, в котором каждый из держателей состоит из рабочей части и опорной части, выполненной с возможностью установки в желобе оптической скамьи и перемещения вдоль нее. Рабочая часть держателя выполнена в виде пластины с вертикальной прорезью, в которой закрепляется соответствующий оптический элемент. Опорная часть состоит из горизонтальной планки, на которой закрепляется пластина рабочей части, и соединенных с планкой центральной опоры и боковых захватов, посредством которых держатели оптических элементов устанавливаются на боковых стенках оптической скамьи (см. DE 1214028, 1966). Комплект также рассчитан на демонстрацию только небольшого числа опытов. Конструкция используемого в комплекте держателя является сложной с точки зрения технологии изготовления и не позволяет в случае необходимости закреплять на держателе более одного оптического элемента. Особенности выполнения держателей известного комплекта не позволяют точно центрировать (позиционировать) держатели, а следовательно, и устанавливаемые в них оптические элементы относительно друг друга, что в результате может привести к некачественному проведению опытов, экспериментов и получению неточных результатов.

Заявляемое изобретение направлено на решение задачи по созданию универсального учебного комплекта, который позволил бы проводить опыты и демонстрационные эксперименты по различным темам учебного курса оптики.

Технический результат, который может быть достигнут при осуществлении изобретения, - это упрощение технологии изготовления комплекта, обеспечивающее в том числе снижение его стоимости, повышение удобства в пользовании и повышение качества проведения опытов и экспериментов с получением максимально точных результатов, а также расширение демонстрационных возможностей за счет создания универсального учебного комплекта, обеспечивающего наглядную демонстрацию практически всех эффектов, связанных с разделом физики «Оптика», повышение эффективности группового и индивидуального обучения, сокращение времени на проведение занятий за счет возможности преподносить за одно и то же время большее количество изучаемого материала.

Для достижения указанного технического результата предлагается учебный комплект по оптике, содержащий оптическую скамью, оптические элементы, источник света и набор держателей оптических элементов, в котором каждый из держателей состоит из рабочей части и опорной части, выполненной с возможностью установки в оптической скамье или на оптической скамье и перемещения вдоль нее. Держатели оптических элементов представляют собой унифицированные модули, в каждом из которых рабочая часть и опорная часть держателя образуют единую монолитную деталь. Рабочая часть держателя имеет сквозное круглое отверстие, а, по меньшей мере, часть оптических элементов выполнены с возможностью съемной установки в отверстии рабочей части с обеспечением их фиксации при размещении в сквозном отверстии.

Каждый держатель выполнен симметричным относительно его вертикальной оси.

Преимущественно оптическая скамья выполнена по форме желоба с загнутыми внутрь желоба верхними кромками ее боковых стенок, при этом желоб имеет плоское дно. По меньшей мере, на одну из верхних кромок боковых стенок желоба нанесена линейная шкала.

Опорная часть держателя имеет плоское основание для опоры на дно желоба или на поверхность рабочего стола. Опорная часть держателя состоит из центральной стойки и примыкающих к ней и расположенных по отношению к ней с зазором боковых стоек, имеющих элементы, обеспечивающие съемную установку и фиксацию держателя на боковых стенках оптической скамьи.

Фиксация оптических элементов в сквозном отверстии держателя может быть обеспечена за счет установки цанговых зажимных элементов на внутренней кольцевой поверхности сквозного отверстия или за счет плотной посадки оптического элемента в это отверстие.

Для дополнительной надежной фиксация оптических элементов в сквозном отверстии рабочей части держателя использовано зажимное кольцо, устанавливаемое в этом отверстии.

В состав учебного комплекта включена, по меньшей мере, одна рамка, используемая в качестве носителя отдельных оптических элементов и имеющая на своей тыльной стороне посадочное кольцо, размещаемое в сквозном отверстии держателя и служащее для обеспечения съемной установки рамки на держателе. Кроме того, в состав комплекта включена коробка осветителя с цилиндрической линзой для проведения опытов на поверхности стола.

Предпочтительно, чтобы, по меньшей мере, часть оптических держателей была снабжена магнитами для фиксации оптических элементов, расположенными с одной или с обеих сторон рабочей части модуля по периметру сквозного отверстия.

В качестве источника света использована лампа накаливания, которая расположена со стороны торцевой части ее корпуса-держателя, имеющего наружную цилиндрическую поверхность, ответную внутренней поверхности сквозного отверстия держателя оптических элементов для обеспечения установки корпуса-держателя в этом отверстии.

Учебный комплект включает также: источник света светодиодный, совмещенный с лазерным, экран белый, дифракционную решетку, пластину с одинарной щелью, пластину с 3 и 5 щелями, по меньшей мере, одну собирающую линзу, по меньшей мере, одну рассеивающую линзу, прозрачную плоскопараллельную пластину со скошенными боковыми гранями, прозрачные плоские пластины с цилиндрическими гранями, моделирующие двояковыпуклую, двояковогнутую линзы, плоское зеркало в держателе с магнитной полосой, поляроид в рамке, непрозрачную пленку в оправке с двумя щелями, оправку с натянутой тонкой нитью, кювету пластиковую, линейку на магнитной полосе, лимб, пластиковый коврик, слайд с нанесенным рисунком в рамке.

В качестве второго объекта изобретения заявляется держатель оптических элементов, предназначенный для использования в учебном комплекте по оптике и состоящий из рабочей части и опорной части. Держатель представляет собой унифицированный модуль, в котором рабочая часть и опорная часть держателя образуют единую монолитную деталь. Рабочая часть имеет круглое сквозное отверстие, приспособленное для съемной установки в нем оптических элементов и фиксации их при размещении в этом отверстии.

Держатель выполнен симметричным относительно его вертикальной оси.

Опорная часть держателя имеет плоское основание и состоит из центральной стойки и примыкающих к ней и расположенных по отношению к ней с зазором боковых стоек, имеющих элементы, обеспечивающие съемную установку и фиксацию держателя в оптической скамье.

Фиксация оптических элементов в сквозном отверстии держателя обеспечена за счет установки цанговых зажимных элементов на внутренней кольцевой поверхности сквозного отверстия или за счет плотной посадки оптического элемента в это отверстие.

Для дополнительной фиксация оптических элементов в сквозном отверстии рабочей части держателя использовано зажимное кольцо, устанавливаемое в этом отверстии.

Держатель снабжен магнитами для фиксации оптических элементов, расположенными с одной или с обеих сторон рабочей части модуля по периметру сквозного отверстия.

Изобретение иллюстрируется чертежами, где

на фиг.1 представлено изображение оптической скамьи с расположенными в ней держателями оптических элементов;

на фиг.2 - держатель оптических элементов в виде унифицированного модуля, в аксонометрии;

на фиг.3 - держатель оптических элементов в виде унифицированного модуля, вид спереди;

на фиг.4 - держатель оптических элементов в виде унифицированного модуля, вид сбоку;

на фиг.5 - коробка осветителя, вид сверху;

на фиг.6 - коробка осветителя, вид снизу;

на фиг.7 - рамка, используемая в качестве носителя отдельных оптических элементов, вид спереди;

на фиг.8 - то же, вид сверху;

на фиг.9 - узел лампы накаливания;

на фиг.10 - рабочие элементы комплекта;

фиг.11 иллюстрирует Пример 1 «Определение фокусного расстояния собирающей линзы с помощью формулы линзы»;

фиг.12 иллюстрирует Пример 2 «Наблюдение дисперсии света при преломлении света призмой»;

фиг.13 иллюстрирует Пример 3 «Наблюдение поляризации, дифракции и интерференции света»;

фиг.14 иллюстрирует Пример 4 «Изучение преломления света на гранях плоскопараллельной линзы»;

фиг.15 иллюстрирует Пример 5 «Изучение взаимосвязи линейного увеличения собирающий линзы с расстоянием до предмета и его изображения».

Предлагаемый учебный комплект содержит оптическую скамью 1, оптические элементы, набор держателей 2 оптических элементов, источник света.

В качестве преимущественного исполнения показано выполнение оптической скамьи 1 в форме желоба, например, П-образного. Однако в рамках заявляемого изобретения возможно выполнение оптической скамьи и другой конфигурации, приемлемой для соответствующей установки держателей 2 оптических элементов.

Дно 3 желоба выполнено плоским. Верхние кромки 4 боковых стенок 5 скамьи загнуты внутрь желоба. На одну из верхних кромок 4 боковых стенок оптической скамьи или на обе верхние кромки 4 нанесена линейная шкала 6 (фиг.1).

Каждый из держателей 2 оптических элементов выполнен симметричным относительно его вертикальной оси и состоит из рабочей части 7 и опорной части 8. При этом держатели 2 представляют собой унифицированные модули, в каждом из которых рабочая часть 7 и опорная часть 8 образуют единую монолитную деталь, что позволяет упростить технологию изготовления и снизить стоимость как держателя, так и комплекта в целом (фиг.1-4).

Опорная часть 8 состоит из центральной стойки 9 и примыкающих к ней и расположенных по отношению к ней с зазором упругих боковых стоек 10. Центральная стойка 9 и боковые стойки 10 имеют плоские основания 11 и 37, образующие в совокупности общее плоское основание опорной части 8. Плоское основание опорной части 8 обеспечивает опору держателя 2 на дно желоба.

Опорные части 8 устанавливаются в желобе оптической скамьи 1 с возможностью перемещения вдоль нее. На внешней стороне боковых стоек 10 выполнены пазы 36, посредством которых стойки 10, а следовательно, и опорная часть 8 и сам держатель 2 в целом устанавливаются на боковых стенках оптической скамьи и поджимаются к ним благодаря упругости («пружинению») стоек 10. Такая установка в совокупности с опорой плоского основания держателя на плоское дно желоба обеспечивает придание держателю только одной степени свободы (возможность перемещения вдоль оптической скамьи). Благодаря этому, а также выполнению держателя в виде монолитной детали создается стабильное положение (без возможности перекоса) держателя в оптической скамье, что способствует точному позиционированию закрепляемых в держателях 2 оптических элементов относительно друг друга.

Кроме того, благодаря плоскому основанию опорной части 8 появляется возможность устанавливать держатели оптических элементов на поверхности рабочего стола и работать с ними непосредственно на этой поверхности.

На боковых стойках 10 предусмотрены указатели 25, показывающие по линейной шкале 6 положение держателя 2 на оптической скамье 1 относительно начала отсчета.

В рабочей части 7 держателя 2 выполнено сквозное круглое отверстие 12, которое предназначено для размещения в нем оптических элементов, например линзы 13, или других элементов учебного комплекта. На внутренней поверхности отверстия 12 предусмотрены цанговые зажимы 38, которые обеспечивают фиксацию вставляемых в отверстие 12 элементов. В качестве примера можно привести особенности установки, например, линзы 13 в отверстии 12. Линза 13 вставляется в отверстие 12 со стороны одного из торцов рабочей части 7 до упора в кольцевой бурт 40, предусмотренный по периметру отверстия со стороны противолежащего торца рабочей части. Для обеспечения максимально надежной фиксации в отверстии 12 линзы 13 используется зажимное кольцо, которое плотно сажается в отверстие 12 со стороны ввода в последнее линзы 13 и поджимает линзу к упомянутому кольцевому бурту 40. Возможно использование двух зажимных колец, которые будут плотно заводиться в отверстие 12 с двух сторон до упора в линзу (в этом случае наличие кольцевого бурта не требуется). С одной или с обеих сторон рабочей части 7 держателей 2 по периметру отверстия 12 расположены магниты 14, впрессованные в тело рабочей части 7.

Используемая в качестве источника света лампа накаливания 15 расположена в цилиндрическом ступенчатом корпусе-держателе 16 со стороны его торцевой части. Наружная цилиндрическая поверхность большей по диаметру ступени корпуса-держателя 16 является ответной по отношению к внутренней поверхности сквозного отверстия 12 держателя 2 оптических элементов для обеспечения установки корпуса-держателя 16 в отверстии 12.

Учебный комплект включает также, по меньшей мере, одну, рамку 17, и коробку 18 осветителя с цилиндрической линзой 19. Рамка 17 (фиг.7-8) используется в качестве носителя отдельных оптических элементов комплекта, которые вставляются в направляющие рамки. В центре рамки 17 имеется отверстие 20. На тыльной стороне рамки 17 (т.е. на стороне, противоположной размещению направляющих) имеется посадочное кольцо 21 с магнитами 22. Параметры посадочного кольца 21 рамки 17 выбраны из условия обеспечения съемной установки его в отверстии 12 держателя 2. Рамка 17 и примыкающее к ней посадочное кольцо 21 выполнены в виде единой детали.

Коробка 18 осветителя (фиг.5-6) имеет плоское основание 23, что позволяет использовать ее для проведения опытов на поверхности стола. В стенке 24 коробки, противолежащей ее основанию 23, выполнен паз 39, в котором при проведении опытов с использованием коробки 18 устанавливается и перемещается корпус-держатель 16 с лампой накаливания 15. В одной плоскости со стенкой 24 расположена перекладина 26, отстоящая от торца стенки 24 с промежутком 27, через который в коробку 18 вставляется цилиндрическая линза 19. В перекладине 26 выполнена щель 28, через которую при выполнении опытов вставляется пластина с тремя и пятью щелями или пластина с одинарной щелью.

В состав учебного комплекта включены также: источник света светодиодный, совмещенный с лазерным (не показан), экран белый 30, дифракционная решетка (не показана), пластина с одинарной щелью (не показана), пластина с 3 и 5 щелями (не показана), по меньшей мере, одна собирающая линза, по меньшей мере, одна рассеивающая линза (не показаны), прозрачная плоскопараллельная пластина со скошенными боковыми гранями 31, прозрачные плоские пластины с цилиндрическими гранями, моделирующие двояковыпуклую, двояковогнутую линзы (не показана), плоское зеркало 32 в держателе с магнитной полосой, поляроид в рамке (не показан), непрозрачная пленка в оправке с двумя щелями(не показана), оправка с натянутой тонкой нитью (не показана), кювета пластиковая 33, линейка на магнитной полосе (не показана), лимб 34, пластиковый коврик 35, слайд с нанесенным рисунком в рамке, булавка 41.

Предлагаемый учебный комплект позволяет демонстрировать различные оптические эффекты. Ниже приведены отдельные примеры использования комплекта.

Пример 1. «Определение фокусного расстояния собирающей линзы с помощью формулы линзы»

Цель работы: измерить фокусное расстояние собирающей линзы, используя его взаимосвязь с расстоянием от линзы до источника света и его изображения.

Используемое оборудование: источник электропитания, источник света на основе лампы накаливания 15, оптическая скамья 1, держатели 2 соответственно: для крепления лампы накаливания 15, экрана белого (укрепленного на держателе с помощью магнитов), собирающих линз №1 и №2, слайда с нанесенным рисунком в рамке.

Ход работы.

Собирают на оптической скамье систему из источника света с лампой накаливания 15, собирающей линзы с малым фокусным расстоянием, держателя со слайдом, на котором изображена стрелка собирающей линзы №2 с большим собирающим расстоянием, белого экрана, укрепленного на держателе с помощью впрессованных магнитов.

Подключают лампу и освещают стрелку на слайде. Для более яркого освещения перемещают собирающую линзу с малым фокусным расстоянием между лампой и слайдом, чтобы получить на слайде световое пятно минимального размера. Экран устанавливают на противоположном конце от держателя с лампой. Ярко освещенный слайд с изображением стрелки будет считаться источником света, поэтому устанавливают его на оптической скамье 1 так, чтобы он стоял напротив целого деления шкалы на верхней кромке боковой стенки оптической скамьи и от него ведут отсчет расстояния а от источника света до линзы.

Установив линзу №2 от слайда со стрелкой на расстоянии 15 см (а в следующих опытах 20 см, 25 см, 30 см, 35 см), двигают экран вдоль оптической скамьи так, чтобы получить на нем четкое изображение стрелки. После этого измеряют по шкале на оптической скамье расстояние от линзы до изображения на экране и заносят его в заранее подготовленную таблицу. Рассчитывают по формуле тонкой линзы фокусное расстояние линзы и заносят в соответствующую строку таблицы. После проведения 5 опытов рассчитывают среднее значение фокусного расстояния по данным пяти опытов.

Пример 2. «Наблюдение дисперсии света при преломлении света призмой»

Цель работы: исследовать закономерности при прохождении света через прозрачную призму.

Используемое оборудование: источник электропитания, источник света на основе лампы накаливания 15, коробка 18 осветителя (настольная), держатель 2 с впрессованными магнитами, белый экран, лист белой бумаги, плоскопараллельная пластина со скошенными боковыми гранями (четырехугольная прямая призма), лимб.

Ход работы.

Берут пластиковую плоскопараллельную пластину (четырехугольная прямая призма) с двумя скошенными гранями. С помощью лимба и экрана измеряют углы α и β между боковыми гранями (то есть углы при большем основании трапеции, лежащей в сечении призмы).

Собирают установку для наблюдения преломления света на двух гранях призмы, образующих острый угол. Вставляют источник света (лампу накаливания) и пластину с одинарной щелью в коробку осветителя и ставят коробку 18 на белый лист бумаги. Закрепляют белый экран на подставке плоского зеркала с магнитной полосой и устанавливают его около осветителя. Включают лампу и, вдвигая пластину со скошенными гранями, наблюдают, как луч падает и преломляется на двух гранях призмы.

Вращая пластину вокруг вертикальной оси на листе бумаги и добиваясь преломления на двух гранях, определяют, в какую сторону от вершины всегда отклоняется преломленный луч по отношению к первоначальному своему положению. Вывод фиксируют.

Изучают аналогичные закономерности, поменяв острый угол между двумя гранями, на которых происходит преломление. Направляя луч примерно под одинаковым углом на первую грань, образующую острый угол со второй гранью, определяют, при каком угле α или β отклонение луча после прохождения призмы происходит сильнее. Вывод фиксируют.

Вводя вершину большего из острых углов в световой луч, идущий от осветителя, и располагая угол так, чтобы угол отклонения был максимальным, изучают особенности структуры преломленного луча на больших расстояниях от вершины острого угла. Устанавливают вертикальный белый экран на краю белого листа и фиксируют картину, которая наблюдается на экране. Если в результате удалось зафиксировать явление дисперсии, то описывают чередование цветов в цветной полосе на экране. Делают вывод, лучи какого цвета, входящие в состав белого света, идущего от лампы накаливания, отклоняются при прохождении призмы сильнее, какие слабее.

Пример 3. «Наблюдение поляризации, дифракции и интерференции света»

Цель работы: Пронаблюдать и описать явления при прохождении света через два пленочных поляроида при падении света на нить малого диаметра и на две узкие щели, расположенные близко друг к другу.

Используемое оборудование: источник света в виде светодиода и полупроводникового лазера, держатель 2 для укрепления источника света, поляроиды в рамках (2 шт.), оправка с тонкой нитью (медная проволока), оправка с двумя щелями, держатели для укрепления рамок с поляроидами, оправок с нитью и щелями (2 шт.).

Ход работы.

Устанавливают на оптическую скамью 1 держатель 2 со светодиодом, собирающую линзу №2 с большим фокусным расстоянием, держатели для рамок с поляроидами и экран на магнитном держателе.

Включают светодиод, повернув корпус внутри оправки на 90°, и вставляют его в держатель, перемещают собирающую линзу так, чтобы световое пятно по размеру соответствовало размеру первого поляроида, и приближают экран на расстояние 5 см от второго держателя для поляроидов. Добиваются, чтобы на экране наблюдалось светлое пятно равномерной освещенности. Вставляют второй поляроид во второй держатель два раза, повернув его после первого раза на 90°. Поворачивают второй поляроид еще на 90°, извлекают его из держателя и поворачивают вокруг оси, проходящей перпендикулярно пленочному поляроиду. Описывают наблюдаемые явления в тетради.

Извлекают источник света из держателя и выключают светодиодный источник света. Зажигают лазерный источник света в том же источнике света, сместив корпус источника относительно оправки и повернув его на 90° вокруг продольной оси. Укрепляют источник света на держателе.

Убирают один держатель 2 с поляроидом с оптической скамьи 1, а во второй держатель вставляют оправку с тонкой нитью. Сдвигают держатель с нитью ближе к экрану и, смещая источник света с оправкой относительно держателя, добиваются того, чтобы луч лазера попадал в середину нити, идущей поперек оправки, и перекрывал его. Перемещая держатель с нитью к линзе, наблюдают за видом тени от нити на экране. Если нить смещается относительно луча лазера и уходит из светового пучка, то меняют положение источника света в держателе. Выключают лазерный источник света и описывают наблюдаемые на экране явления.

Заменяют оправку с нитью на оправку с двумя щелями и добиваются того, чтобы пучок лазерного света перекрывал обе щели. Описывают наблюдаемую на экране картину. Соотносят наблюдаемые явления с дифракцией, интерференцией и поляризацией световых волн и вписывают их названия перед соответствующими описаниями явлений в тетради.

Пример 4. «Изучение преломления света на гранях плоскопараллельной линзы»

Цель работы: исследовать закономерности прохождения луча через прозрачную пластину с параллельными и скошенными гранями.

Используемое оборудование: источник света с лампой накаливания 15, коробка 18 осветителя (настольный), пластина с одинарной щелью, источник электропитания, прозрачная пластина со скошенными гранями, прозрачный полуцилиндр, экран белый с линейками на магнитных полосах (2 шт.).

Ход работы.

Вставляют пластину с одинарной щелью и лампу в коробку 18 осветителя, подключают лампу к источнику питания. Устанавливают держатель 2 на столе около белого экрана, лежащего на столе. Закрепляют линейки на магнитных держателях вдоль длинных сторон белого экрана. Двигая лампу в держателе, добиваются того, чтобы на экране появился узкий не расходящийся пучок света - луч. Направляют длинную сторону белого экрана вдоль корпуса держателя и перемещают линейки на магнитных держателях вдоль длинной стороны экрана так, чтобы луч прошел перпендикулярно линейкам через одинаковое деление шкал линеек. Пускают луч на одну из параллельных граней пластины со скошенными краями под углом 45°, расположив скошенный под углом 45° край вдоль линейки, и сравнивают, как соотносятся величины углов падения и преломления света при его переходе из воздуха в стекло и из стекла в воздух. Измеряют смещение луча Δ₁ после выхода из пластины. Измеряют смещение луча Δ₂ при прохождении между плоскостями пластины из того же материала, с меньшим расстоянием d₂ между ними, но при том же угле падения. Для этого используют полуцилиндр, пропуская луч между его основаниями. Угол падения будет равен 45° при соответствующем расположении полуцилиндра и пластины со скошенными гранями относительно линейки на краю белого экрана. Измеряют расстояние между параллельными плоскостями пластины со скошенными краями d₁ и полуцилиндра d₂. Устанавливают, какая связь наблюдается между величинами смещения Δ и толщиной пластины d. Пуская луч света перпендикулярно скошенным боковым граням пластины со скошенными краями, изучают ход луча в пластине. Описывают наблюдаемое явление в тетради. Пуская луч света на грань пластины, скошенную под углом 45°, наблюдают, при каком положении пластины угол преломления луча на границе стекло - воздух приближается к 90°, что при этом происходит на этой границы с отражением света.

Пример 5. «Изучение взаимосвязи линейного увеличения собирающий линзы с расстоянием до предмета и его изображения»

Цель работы: исследовать зависимость увеличения линзы от соотношения между расстояниями от линзы до предмета и изображения.

Используемое оборудование: источник электропитания, источник света на основе лампы накаливания, оптическая скамья, держатель для крепления источника света, экран белый, укрепленный на держателе с помощью магнитов, собирающие линзы №1 и №2 на держателях (2 шт.), слайд с нанесенным рисунком в рамке, держатель для крепления рамки с рисунком.

Ход работы.

Устанавливают на оптическую скамью 1 держатель с впрессованными магнитами и прикрепляют к нему белый экран. Устанавливают на оптической скамье держатель с одной из собирающих линз перед экраном. Получают на экране изображение удаленного предмета и измеряют фокусное расстояние. Определяют, какая из двух собирающих линз имеет меньшее фокусное расстояние. Собирают установку для получения на экране изображения стрелки, освещаемой светом лампы. Вблизи одного из краев оптической скамьи размещают держатель для источника света с впрессованными магнитами и укрепляют на нем источник света с лампой накаливания. На противоположном краю оптической скамьи устанавливают белый экран на держателе. Устанавливают рядом с источником света короткофокусную линзу №1, далее - держатель с рамкой, на которой нанесен рисунок на пластиковую пленку. Двигая короткофокусную линзу, добиваются того, чтобы световое пятно равномерно освещало изображение в рамке и было по размеру чуть больше, чем само изображение. Между изображением и экраном устанавливают на оптической скамье держатель с длиннофокусной линзой №2. Включают лампочку и, двигая источник относительно магнитов держателя, устанавливают лампу на одной высоте с короткофокусной линзой. Световой пятно на экране также должно иметь центр на уровне центров линз. Перемещая длиннофокусную линзу вдоль средней линии разметки, получают на экране четкое изображение рисунка, нанесенного на слайде. Используя линейки на магнитных полосах, измеряют диаметр окружности на слайде, а также размеры вертикального и горизонтального диаметров окружности на изображении на экране. По линейке на боковой грани оптической скамьи измеряют расстояние от линзы до слайда со стрелкой и до экрана с четким изображением стрелки. Заносят результаты измерений в Таблицу. Варьируя расстояние от слайда со стрелкой до линзы (в диапазоне от 50 до 300 мм) и перемещая экран для получения на нем четкого изображения стрелки, проводят 5 опытов по измерению размеров изображения и расстояний от линзы до стрелки и ее изображения на экране.

1. Учебный комплект по оптике, содержащий оптическую скамью, оптические элементы, источник света и набор держателей оптических элементов, в котором каждый из держателей состоит из рабочей части и опорной части, выполненной с возможностью установки на оптической скамье и перемещения вдоль нее, отличающийся тем, что держатели оптических элементов представляют собой унифицированные модули, в каждом из которых рабочая часть и опорная часть держателя образуют единую монолитную деталь, при этом рабочая часть имеет круглое сквозное отверстие, при этом по меньшей мере часть оптических элементов выполнена с возможностью съемной установки в сквозном отверстии рабочей части с обеспечением их фиксации при размещении в этом отверстии, причем опорная часть держателя состоит из центральной стойки и примыкающих к ней и расположенных по отношению к ней с зазором боковых стоек, имеющих элементы, обеспечивающие съемную установку и фиксацию держателя на оптической скамье.

2. Учебный комплект по п.1, отличающийся тем, что каждый держатель выполнен симметричным относительно его вертикальной оси.

3. Учебный комплект по п.1, отличающийся тем, что оптическая скамья имеет форму желоба с загнутыми внутрь желоба верхними кромками ее боковых стенок, при этом желоб имеет плоское дно.

4. Учебный комплект по п.3, отличающийся тем, что опорная часть держателя имеет плоское основание для опоры на дно желоба или на поверхность рабочего стола.

5. Учебный комплект по п.1, отличающийся тем, что фиксация оптических элементов в сквозном отверстии держателя обеспечивается за счет установки цанговых зажимных элементов на внутренней кольцевой поверхности сквозного отверстия или за счет плотной посадки оптического элемента в этом отверстии.

6. Учебный комплект по п.1, отличающийся тем, что он имеет зажимное кольцо, установленное в сквозном отверстии рабочей части держателя, для дополнительной фиксация в этом отверстии оптических элементов.

7. Учебный комплект по п.1, отличающийся тем, что в качестве источника света он имеет лампу накаливания, имеющую корпус-держатель.

8. Учебный комплект по п.1, отличающийся тем, что он имеет по меньшей мере одну рамку для размещения отдельных оптических элементов, имеющую на своей тыльной стороне посадочное кольцо, установленное в сквозном отверстии держателя и обеспечивающее возможность съемной установки рамки на держателе.

9. Учебный комплект по п.1, отличающийся тем, что он имеет коробку осветителя с цилиндрической линзой для проведения опытов на поверхности стола.

10. Учебный комплект по п.1, отличающийся тем, что по меньшей мере часть держателей снабжена магнитами для фиксации оптических элементов, расположенными с одной или с обеих сторон рабочей части модуля по периметру сквозного отверстия.

11. Учебный комплект по п.7, отличающийся тем, что лампа накаливания расположена со стороны торцевой части ее корпуса-держателя, имеющего наружную цилиндрическую поверхность, ответную внутренней поверхности сквозного отверстия держателя оптических элементов для обеспечения установки корпуса-держателя в этом отверстии.

12. Учебный комплект по п.1, отличающийся тем, что он имеет источник света светодиодный, совмещенный с лазерным, экран белый, дифракционную решетку, пластину с одинарной щелью, пластину с тремя и пятью щелями, по меньшей мере одну собирающую линзу, по меньшей мере одну рассеивающую линзу, прозрачную плоскопараллельную пластину со скошенными боковыми гранями, прозрачные плоские пластины с цилиндрическими гранями, моделирующие двояковыпуклую, двояковогнутую линзы, плоское зеркало в держателе с магнитной полосой, поляроид в рамке, непрозрачную пленку в оправке с двумя щелями, оправку с натянутой тонкой нитью, кювету пластиковую, линейку на магнитной полосе, лимб, пластиковый коврик, слайд с нанесенным рисунком в рамке.

13. Учебный комплект по п.3, отличающийся тем, что по меньшей мере одна из верхних кромок боковых стенок оптической скамьи имеет линейную шкалу.

14. Держатель оптических элементов, предназначенный для использования в учебном комплекте по оптике и состоящий из рабочей и опорной частей, отличающийся тем, что он представляет собой унифицированный модуль, в котором рабочая часть и опорная часть держателя образуют единую монолитную деталь, при этом рабочая часть имеет круглое сквозное отверстие, предназначенное для съемной установки и фиксации в нем оптических элементов, а опорная часть состоит из центральной стойки и примыкающих к ней и расположенных по отношению к ней с зазором упругих боковых стоек, имеющих элементы, обеспечивающие съемную установку и фиксацию держателя на оптической скамье.

15. Держатель по п.14, отличающийся тем, что он выполнен симметричным относительно его вертикальной оси.

16. Держатель по п.14, отличающийся тем, что его опорная часть имеет плоское основание.

17. Держатель по п.14, отличающийся тем, что фиксация оптических элементов в сквозном отверстии держателя обеспечивается за счет установки цанговых зажимных элементов на внутренней кольцевой поверхности сквозного отверстия или за счет возможности плотной посадки оптического элемента в этом отверстии.

18. Держатель по п.14, отличающийся тем, что он имеет зажимное кольцо, установленное в сквозном отверстии рабочей части держателя, для дополнительной фиксация в этом отверстии оптических элементов.

19. Держатель по п.14, отличающийся тем, что он снабжен магнитами для фиксации оптических элементов, расположенными с одной или с обеих сторон рабочей части модуля по периметру сквозного отверстия.