Versuchsziel. Literatur. Grundlagen. Physik-Labor Fachbereich Elektrotechnik und Informatik Fachbereich Mechatronik und Maschinenbau

Transkript

1 Physik-Labor Fachbereich Elektrotechnik und Inormatik Fachbereich Mechatronik und Maschinenbau O Physikalisches Praktikum Brennweite von Linsen Versuchsziel Es sollen die Grundlaen der eometrischen Optik anhand der Abbildunsesetze dünner Sammel und Zerstreuunslinsen erarbeitet werden. Die Geräte sind: Optische Bank, Lampen (6 V ~ / 5 A) mit punktörmier Lichtquelle, Netzerät, peilörmier Geenstand, Sammellinse, Zerstreuunslinse, Planspieel, Schirm. Literatur Gerthsen Physik Hölin Physik, Band I Halliday/Resnick Physik, Band Grundlaen. Berie und Größen (werden als bekannt vorausesetzt) Elektromanetische Welle, Spektrum des Lichtes, Wellenläne, Frequenz, Relexionsesetz, Brechunsesetz, Sammellinse, Zerstreuunslinse, Brennweite, Geenstandsweite, Bildweite. Licht Aus dem esamten elektromanetischen Spektrum kann das menschliche Aue nur einen erinen Teil als sichtbares Licht wahrnehmen. Dieser Teil erstreckt sich über einen Wellenlänenbereich von etwa 370 nm (violett) bis 700 nm (rot). Der Wellencharakter des Lichtes wird nur bei bestimmten physikalischen Voränen wie Beuun und Intererenz erkennbar. Bei den hier auszuührenden Experimenten kommt man mit der vereinachten Vorstellun des Lichtstrahls aus. Au Lichtstrahlen sind die Gesetze der Geometrie anwendbar. Darum nennt man den Teil der optischen Erscheinunen, der ohne Berücksichtiun der Wellennatur des Lichtes exakt beschrieben werden kann, Geometrische Optik. Hierzu ehören unter anderem das Relexionsesetz und das Brechunsesetz.

2 3. Linsenarten Man unterscheidet zwischen Sammellinsen und Zerstreuunslinsen. Zur optischen Achse parallele Lichtstrahlen, die au eine Sammellinse (Konvexlinse) allen, werden durch die Linse so ebündelt, dass sie im Brennpunkt F zusammenallen. Den Abstand des Brennpunktes von der Linsenmitte nennt man die Brennweite. Damit ilt > 0. Lichtstrahlen von einer weit enternten Lichtquelle, z.b. der Sonne, sind parallel. Bei einer Zerstreuunslinse (Konkavlinse) werden achsenparallel autreende Lichtstrahlen von der Achse we ebrochen. Die rückwärtie Verlänerun des diverenten Strahlenbündels schneidet sich im scheinbaren Brennpunkt F. Der Abstand zwischen F und der Linsenmitte heißt wieder Brennweite. Damit ilt < Linsenleichunen Lichtstrahlen, die von einem Geenstand ausehen, werden von einer im Abstand stehenden Sammellinse so ebrochen, dass sie sich im Abstand b hinter der Linse in einem Punkt vereinien. Zwischen der Geenstandsweite und der Bildweite b besteht der Zusammenhan () b Dabei ist die Brennweite der Linse.

3 Wird eine Sammellinse so auestellt, dass sie einen beleuchteten Peil schar au einen Bildschirm abbildet, kann durch Messen von und b ermittelt werden. Im Geensatz zur Sammellinse, die von einem Geenstand immer ein reelles Bild entwirt, erzeut eine Zerstreuunslinse stets ein virtuelles Bild, da sich die Verlänerunen der diverenten Strahlen nur au der Geenstandsseite schneiden. Deshalb kann die neative Brennweite einer Zerstreuunslinse nicht direkt emessen werden. Mit Hile einer Linsenkombination, bestehend aus einer Sammellinse und einer Zerstreuunslinse, ist dies jedoch mölich. Allerdins muss die Kombination eine positive Brennweite haben. Es ilt dann () K Z S Alle Anaben beziehen sich au dünne Linsen. 5. BESSEL Verahren Eine von F.W.BESSEL ( ) im Jahre 840 entwickelte Methode zur Brennweitenmessun ist immer dann zu bevorzuen, wenn die Linsendicke nicht mehr vernachlässibar klein ist. Das Verahren nutzt die Tatsache, dass bei eeineter Wahl des Abstandes L der Geenstandsebene von der Bildebene zwischen diesen beiden Ebenen zwei Punkte existieren, an denen eine schare Abbildun erolt. 3

4 nach Gleichun () ilt: b b weiter ilt d und b d b sowie L b b so dass sich ür die Brennweite die olende Gleichun eribt d (L ) bzw. 4 L 4 d L L Daraus erkennt man, dass der Abstand L eeinet ewählt ist, wenn ilt L > 4. Auabe. Bestimmen Sie die Brennweite einer dünnen Sammellinse und einer Zerstreuunslinse durch Messun der Bild- und Geenstandsweite. Berechnen Sie den absoluten Fehler Linsenkombination. ür die Sammellinse, die Zerstreuunslinse und die 4

5 . Ermitteln Sie mit dem BESSEL Verahren die Brennweite der Sammellinse. Durchührun. Ausehend vom Geenstand, dem beleuchteten Peil, werden 0 verschiedene Werte einestellt und durch Verschiebun des Schirmes bis zur scharen Abbildun die dazuehörien b Werte esucht. Für die Sammellinse sollte der kleinste Wert bei cm und ür die Linsenkombination bei 8 cm sein. Damit wäre sicherestellt, dass > ist.. Der Abstand zwischen Geenstand und Schirm wird au einen esten Wert einestellt (ca. 80 cm). Durch Verschieben des Linsenhalters wird jeweils die verrößerte und die verkleinerte schare Abbildun esucht und damit je 5 mal ür die Sammellinse der Wert d bestimmt. Fraen (zur Versuchsvorbereitun). Wie ist der Zusammenhan zwischen Brennweite und Dioptrie?. Welcher Art muss die Linse einer Brille sein, die ein kurzsichties Aue korriieren soll? 3. Warum existieren zwei Stellunen der Sammellinse ür eine schare Abbildun? 5