80. Виртуальная лабораторная работа по физике «Определение фокусного расстояния рассеивающей линзы» 

https://vk.com/wall-136153002?postponed=1&w=wall-136153002_2488

 Цель работы: экспериментально определить фокусное расстояние рассеивающей линзы, используя метод измерения расстояний до предмета и его изображения (мнимого), а также формулу тонкой линзы.

Приборы и принадлежности: рассеивающая линза, предмет (карандаш), оптическая скамья (реализована в виде координатной оси), горизонтальная и вертикальная линейки, блок регулировки расстояния до предмета и его высоты, блок ввода результата измерений.

80. Virtual laboratory work in physics «Determination of the focal length of a diverging lens» -

The purpose of the work: to experimentally determine the focal length of a diverging lens using the method of measuring the distances to the object and its (virtual) image, as well as the thin lens formula.

Instruments and accessories: diverging lens, object (pencil), optical bench (implemented as a coordinate axis), horizontal and vertical rulers, control block for adjusting object distance and height, result input block.

Описание выполнения виртуальной лабораторной работы

Тема: Определение фокусного расстояния рассеивающей линзы

1. Цель работы

Экспериментально определить фокусное расстояние рассеивающей линзы, используя метод измерения расстояний от линзы до предмета и до его мнимого изображения, а также проверить правильность построения хода лучей.

2. Оборудование

• Виртуальная установка, включающая:

  • рассеивающую линзу;

  • предмет (карандаш);

  • мнимое изображение предмета;

  • оптическую ось с делениями;

  • подвижные горизонтальную и вертикальную линейки;

  • ползунки регулировки расстояния до предмета и высоты предмета;

  • поле ввода для значения фокусного расстояния с кнопкой «Проверить»;

  • кнопку сброса для генерации нового случайного фокусного расстояния.

3. Теоретические сведения

Для тонкой рассеивающей линзы формула линзы имеет вид:

1/F = 1/d + 1/f

где

• F – фокусное расстояние (для рассеивающей линзы F < 0);

• d – расстояние от линзы до предмета (d > 0);

• f – расстояние от линзы до изображения (для мнимого изображения f < 0).

Изображение в рассеивающей линзе всегда мнимое, прямое, уменьшенное и находится между линзой и её мнимым фокусом.

4. Порядок выполнения работы

4.1. Подготовка к работе

• Откройте виртуальную лабораторную работу в браузере.

• Изучите расположение основных элементов: линза в центре экрана, предмет слева от неё, мнимое изображение – справа.

• Ползунок «Фокусное расстояние» заблокирован – истинное значение задаётся случайным образом и неизвестно пользователю.

4.2. Изменение параметров опыта

• С помощью ползунка «Расстояние до предмета (d)» или перетаскиванием самого предмета мышью (или касанием на сенсорном экране) установите удобное для измерений положение предмета. Рекомендуется выбирать расстояние в пределах 50–150 см.

• Ползунком «Высота предмета (h)» можно изменить размер предмета для более удобного наблюдения (по желанию).

4.3. Измерение расстояний

• Включите горизонтальную линейку (флажок «Горизонтальная линейка») и переместите её так, чтобы можно было измерить расстояние от линзы до предмета (d) и от линзы до изображения (f). Линейку можно перетаскивать мышью.

• Снимите показания:

  • d – расстояние от центра линзы до основания предмета (по горизонтали);

  • f – расстояние от центра линзы до основания мнимого изображения.
    Важно: оба расстояния отсчитываются вдоль оптической оси. Так как изображение мнимое, значение f будет отрицательным (находится справа от линзы, но формула требует отрицательную величину).

• При необходимости используйте вертикальную линейку для контроля высот предмета и изображения, но для расчёта фокусного расстояния достаточно горизонтальных измерений.

4.4. Вычисление фокусного расстояния

• По формуле тонкой линзы вычислите F:

1/F = 1/d + 1/f => F = 1 / (1/d + 1/f)

где f подставляется со знаком «минус».

• Полученное значение F должно быть отрицательным. Округлите его до десятых (с одним знаком после запятой).

4.5. Проверка результата

• Введите вычисленное значение в поле «Определите фокусное расстояние линзы (см)» и нажмите кнопку «Проверить».

• Система сравнит ваш ответ с истинным значением (допускается погрешность ±3 см).

  • Если ответ верен, появится сообщение «Верно! F = …».

  • Если ответ неверен, будет показано правильное значение.

4.6. Анализ после проверки

• После нажатия кнопки «Проверить» на экране появляются вертикальные линии, соответствующие фокусам и кратным фокусным расстояниям (F, 2F, 3F и т.д.), что позволяет визуально убедиться в правильности измерений.

• Становится доступным флажок «Показать лучи». Включите его – вы увидите ход трёх характерных лучей (красный, зелёный, синий), которые строят изображение. Проанализируйте их соответствие теории.

• Обратите внимание, что после проверки ползунок фокусного расстояния разблокируется – вы можете изменять значение F и наблюдать, как меняется положение изображения и ход лучей.

4.7. Повторение опыта

• Для проведения нового эксперимента с другим случайным фокусным расстоянием нажмите кнопку «Сбросить эксперимент» (круглая кнопка с изображением стрелки в правом нижнем углу).

• Все параметры вернутся к исходным, поле ввода очистится, и вы сможете выполнить измерения заново.

5. Обработка результатов измерений

• Проведите не менее трёх опытов при различных d и h (или после сброса с новым F).

• Для каждого опыта запишите измеренные d и f, вычислите F_эксп.

• Сравните полученные значения с истинными (высвечиваются после проверки).

• Оцените погрешность измерений (абсолютную и относительную).

6. Вывод

В выводе необходимо указать:

• полученное значение фокусного расстояния линзы (или диапазон значений);

• особенности изображения, даваемого рассеивающей линзой (мнимое, прямое, уменьшенное);

• совпадает ли экспериментально определённое фокусное расстояние с истинным;

• какие факторы могли повлиять на точность измерений (точность наложения линейки, дискретность шкалы, погрешность округления).

Контрольные вопросы

1. Как по внешнему виду отличить рассеивающую линзу от собирающей?

2. Почему для рассеивающей линзы фокусное расстояние считают отрицательным?

3. Какое изображение (действительное или мнимое) даёт рассеивающая линза? От чего оно зависит?

4. Где находится изображение предмета в рассеивающей линзе по сравнению с фокусом?

5. Объясните построение каждого из трёх лучей, используемых в работе.

Примечание: работа полностью выполняется в виртуальной среде, физические приборы не требуются. Все изменения параметров и измерения проводятся с помощью интерактивных элементов на экране.