Оптична розсіювально-збиральна лінза

Корисна модель стосується фізики, а саме оптики, і може бути використана при вивченні законів поширення світла у лінзах. Відомі декілька пристроїв для вивчення законів поширення світла у лінзах, але одні з них незручні у використанні (лінза на підставці вимагає застосування точкового джерела світла, затемненого приміщення та ін.), застосування інших вимагає наявності набору декількох лінз (прилад із геометричної оптики, оснащений набором фрагментів лінз та спеціальної оптичної шайби). Найбільш близьким за технічною сутністю та результатом, що досягається є фрагмент розсіювальної лінзи, що випускалася в складі [«Прилад з геометричної оптики». Випускав його завод №5 ім.Дзержинського міністерства освіти РРФСР (ТУ ТО РРФСР 415 - 70)]. С уттєві ознаки прототипу та корисної моделі, що збігаються, є такі: - наявність фрагментів заломлюючих поверхонь від'ємної кривизни (для моделі розсіювальної лінзи); - дві площини, що вирізають фрагмент із сферичної лінзи паралельно її головної оптичної вісі (ГОВ), та симетричні відносно оптичної площини лінзи (ОПЛ). Новим є те, оптична розсіювально-збиральна лінза містить фрагмент збиральної лінзи. Але цей пристрій незручний у використанні, бо потребує затемненого приміщення та пониженої напруги для живлення джерела світла. До того ж, будучи виготовленим із пластичних матеріалів, фрагмент розсіювальної лінзи, що має звужену центральну частину, може деформуватися, а отже, втратити свої оптичні параметри. В основу корисної моделі покладено задачу удосконалення пристрою для дослідження оптичних параметрів лінзи (оптичної сили, фокусної відстані, показника заломлення матеріалу та ін.) шляхом введення додаткового елементу, що забезпечить більш широку його функціональну здатність та економію матеріалу на 50%. Поставлена задача вирішується тим, що у лінзі, що містить фрагмент розсіювальної лінзи з заломлюючими поверхнями від'ємної кривизни та дві площини, що вирізають фрагмент із сферичної лінзи паралельно її головної оптичної вісі та є симетричними відносно оптичної площини лінзи, новим є те, що розсіювально-збиральна лінза додатково містить фрагмент збиральної лінзи, при цьому фрагмент розсіювальної та фрагмент збиральної лінз об'єднані площиною, що проходить через головну оптичну вісь фрагмента збиральної лінзи та верхній край половини фрагмента розсіювальної лінзи. Причинно-наслідковий зв'язок між сукупністю ознак, що заявляються, та технічним результатом полягає у такому. Загально відомо, що для виконання геометричної побудови зображення у лінзах не обов'язково, аби конструктивні промені проходили через лінзу. Для цього достатньо використати її основні характеристики: головну оптичну вісь лінзи (ГОВ), оптичну площину лінзи (ОПЛ), оптичний центр лінзи (О), фокус (F), фокальну площину, і т. п. Фактичне зображення може бути побудоване іншими реальними, а не основними конструктивними променями. Тому для побудови ходу реальних променів з допомогою їх графічної моделі достатньо скористатися не цілою лінзою, а лише її частиною. Це дає нам право об'єднати половинки від збиральної та розсіювальної лінз в одну. Зменшення товщини центральної частини фрагменту розсіювальної лінзи навіть підвищить міцність конструкції, та наблизить корисну модель до поняття «тонкої лінзи», чим буде забезпечено відповідність експериментальних результатів розрахунковим за відомою формулою тонкої лінзи, та надійність у роботі фрагменту розсіювальної лінзи і ефективність експерименту у навчанні. Матеріалом для виготовлення лінзи може слугувати прозора пластмаса, що зберігає твердість, та відповідає гігієнічним вимогам для використання в навчальних цілях. Розміри радіусів кривизни та показник заломлення матеріалу добираються такими, що відповідатимуть призначенню: лінза може бути використана як для демонстраційного експерименту, так і для фронтального при виконанні лабораторних та практичних робіт за програмою навчального закладу. Товщина оптичної розсіювально-збиральної лінзи, як і прототипу, має бути біля 15мм. З допомогою такої лінзи можна провести наступні дослідження : 1. Визначення фокусної відстані та оптичної сили розсіювальної лінзи. 2. Визначення фокусної відстані та оптичної сили збиральної лінзи. 3. Спостереження сферичної аберації в розсіювальній лінзі. 4. Спостереження сферичної аберації в збиральній лінзі. 5. Спостереження хроматичної аберації в розсіювальній лінзі. 6. Спостереження хроматичної аберації в збиральній лінзі. 7. Визначення показника заломлення матеріалу сферичної лінзи (розсіювальної, або збиральної). 8. Дослідження принципу дії афокальної насадки об'єктиву. Пояснення підкріплені ілюстраціями, де на Фіг.1 зображено об'єднану розсіювально-збиральну лінзу, що буде являти собою об'єднання окремих фрагментів: фрагмент збиральної лінзи; половина фрагмента збиральної лінзи; фрагмент розсіювальної лінзи; половина фрагмента розсіювальної лінзи; об'єднана розсіювальнозбиральна лінза. Геометрія об'єднаної розсіювально-збиральної лінзи показана на Фіг.2. Прийняті умовні позначення на рисунку: ОПЛ - оптична площина лінзи; ГОВзбир - головна оптична вісь фрагмента збиральної лінзи; ГОВрозс - головна оптична вісь фрагмента розсіювальної лінзи; Орозс - оптичний центр розсіювальної лінзи; Озб - оптичний центр збиральної лінзи; Rзбир - радіус кривизни збиральної лінзи; Rpoзc - радіус кривизни розсіювальної лінзи. На нижній площині корисна модель має дві лінії: 1) ОПЛ - що моделює співпадаючу для обох лінз оптичну площину; 2) ГОВзбир - площину, що об'єднує дві лінзи. Це значно полегшить роботу з корисною моделлю при суміщенні ОПЛ та ГОВ лінз із нанесеними їх моделями на папері. Подвоєння довжини лінзи (ОПЛ) значно підвищить точність її орієнтування відносно ГОВ на папері, що значно підвищить результативність дослідів - важливого фактору у навчанні (навіть при відсутності спеціальних навиків у експериментатора). Пристрій використовують таким чином: 1. На чистому аркуші паперу проводять пряму, що означає головну оптичну вісь (ГОВ) та позначають на ній оптичний центр лінзи (О). 2. Розміщують елемент оптичної розсіювально-збиральної лінзи так, щоб нанесені на лінзі ОПЛ та ГОВ лінзи співпали з їх моделями на папері та обводять лінзу олівцем на папері (не обов'язково, це потрібно лише для наочності при подальшому аналізі отриманих результатів.). 3. Спрямовують на одну із сферичних поверхонь лінзи відрізок прямої L, паралельно до головної оптичної осі, (зручно вибрати відрізок, коротший за передбачувану фокусну відстань, інакше зображення частини відрізка буде спотвореним ). 4. Розташовують лінійку по інший бік лінзи так, щоб її кромка співпадала із зображенням у лінзі проведеного раніше відрізка, як моделі оптичного променя, та проводять вздовж лінійки пряму, що відповідатиме зображенню променя у лінзі. Приклад № 1. Визначення фокусної відстані та оптичної сили розсіювальної лінзи. Робота дозволяє експериментальне визначити фокусну відстань та обчислити за результатами вимірювання оптичну силу розсіювальної лінзи. А також встановити залежність основних оптичних параметрів лінзи від розташування падаючого променя та його кольору. В якості обладнання окрім оптичної розсіювально-збиральної лінз, знадобиться лише лінійка та набір кольорових олівців. Роботу виконують наступним чином: 1. На чистому аркуші паперу проводять пряму, що означає головну оптичну вісь (ГОВ) та позначити на ній оптичний центр лінзи (О) (Фіг.3). 2. Розміщують елемент розсіювально-збиральної лінзи симетрично до головної оптичної осі так, щоб вона була перпендикулярна до сферичних поверхонь лінзи і обвести лінзу по контуру олівцем (Фіг.4). 3. Спрямовують на одну із сферичних поверхонь лінзи відрізок прямої L, паралельної до головної оптичної осі, (зручно вибрати відрізок, коротший за передбачувану фокусну відстань, інакше зображення частини відрізка буде спотвореним ) (Фіг.5). 4. Розташовують лінійку по інший бік лінзи так, щоб вона співпадала із зображенням у лінзі та будують зображення цих відрізків у лінзі(Фіг.6). 5. Вимірюють відстань від оптичного центру до точки перетину фокальної площини із головної оптичною віссю, що і відповідає фокусній відстані лінзи . 6. Зміщують відносно ГОВ положення відрізка, як моделі падаючого променя, повторюють досліди 3-5, та роблять висновок про залежність величини фокусної відстані від положення падаючого променя відносно лінзи (сферична аберація). 7. Змінюють колір падаючого на лінзу променя та, повторивши досліди 3-5, роблять висновок про залежність фокусної відстані лінзи від частоти падаючих променів (хроматична аберація). Приклад № 2. Визначення фокусної відстані та оптичної сили збиральної лінзи, що з допомогою оптичної розсіювально-збиральної лінзи та лінійки і олівця дозволяє розв'язати це завдання експериментальне. Виконання роботи проводиться у такій послідовності: 1. На чистому аркуші паперу проводять пряму, що означає головну оптичну вісь (ГОВ) та позначають на ній оптичний центр лінзи (О) (Фіг.7). 2. Розміщують збиральний елемент оптичної розсіювально-збиральної лінзи симетрично до оптичної осі так, щоб вона була перпендикулярна до сферичних поверхонь лінзи та обводять Її олівцем (Фіг.8). 3. Спрямовують на одну із сферичних поверхонь лінзи відрізок прямої L, паралельної до головної оптичної осі, (зручно вибрати відрізок, коротший за передбачувану фокусну відстань, інакше зображення частини відрізка буде спотвореним ) (Фіг.9). 4. Розташовують лінійку по інший бік лінзи так, щоб вона співпадала із зображенням у лінзі проведених відрізків, як моделей падаючих променів, та будують їх зображення (Фіг.10). 5. Вимірюють відстань від оптичного центру до точки перетину фокальної площини із головної оптичною віссю лінзи, що і відповідатиме фокусній відстані лінзи. 6. Змішують відносно ГОВ положення відрізка, як моделі падаючого променя, повторюють дослід та роблять висновок про наявність у збиральної лінзи сферичної аберації. 7. Для з'ясування наявності хроматичної аберації у збиральної лінзи, виконують пункти 3-5, та роблять висновок.