И.И. Суханов - Основы оптики - МУ к выполнению РГЗ и курсовой работы (И.И. Суханов - Основы оптики - МУ к выполнению РГЗ и курсовой работы)

Министерство образования и науки Российской Федерации

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

53 № 3126

О-753

ОСНОВЫ ОПТИКИ

Ч а с т ь I

Методические указания

к выполнению расчетно-графических заданий

и курсовой работы

для студентов II курса

всех технических специальностей

НОВОСИБИРСК

2006

УДК 535(075.8)

О-753

Методические указания предназначены для студентов направления 551900 «Оптотехника» технических университетов по разделам курса «Основы оптики»: геометрическая оптика, оптические системы. Материал может быть рекомендован в курсе общей физики с углубленным изучением оптики, например, для специальностей «Физика лазеров» и «Квантовая радиофизика».

Раздел «Построение хода лучей в идеальной оптической системе» может быть полезен слушателям подготовительных отделений технических вузов при изучении физики.

Составитель И.И. Суханов, канд. физ.-мат наук, доц.

Рецензенты: В.К. Макуха, д-р техн. наук, проф.

Ю.В. Соколов, канд. тех. наук, доц.

Работа подготовлена

на кафедре прикладной и теоретической физики НГТУ

для студентов II курса всех факультетов

 Новосибирский государственный

технический университет, 2006

Предисловие

В учебниках по общему курсу физики [1 – 3] изложена элементарная теория геометрической оптики, в основном, тонких линз.

В учебниках и справочниках по инженерной оптике рассматриваются методы графического анализа и расчета сложных многокомпонентных оптических систем [4 – 6].

Данные методические указания представляют собой сборник вариантов расчетно-графических заданий и курсовой работы по курсу «Основы оптики (I часть)».

В методические указания включены:

1) графическое задание «Построение хода лучей в идеальной опти-ческой системе»;

2) расчетно-графическое задание «Линза конечной толщины»;

3) курсовая работа «Многокомпонентная центрированная оптическая система».

Теоретический материал для этих заданий изложен в [7].

Графическое задание

Построение хода лучей

в идеальной оптической системе

Исходные данные: на рисунках 1, 2, 4 вариантов заданий показаны первая и последняя поверхности оптической системы (ОС) – собирающей или рассеивающей, на рисунке 3 – сферическое зеркало. Стрелкой показан протяженный предмет (на рисунке 4 – изображение).

Задание: построить параксиальное изображение (рисунки 1–3 каждого варианта), предмет по заданному изображению (рисунок 4 каждого варианта).

Некоторые кардинальные точки ОС показаны на рисунке, положение остальных студент выбирает самостоятельно. У семметричной ОС главные точки располагают внутри неё.

Особенности решения

Каждому действительному падающему лучу должен быть сопряжен действительный преломленный луч.

В идеальной ОС отрезку прямой сопряжен также отрезок прямой. Поэтому должны быть построены как минимум две точки сопряженного отрезка. Если один из концов отрезка уходит в бесконечность, это надо доказать, построив параллельный пучок (достаточно двух лучей); затем построить изображения двух точек отрезка, лежащих на конечном расстоянии от ОС, соединить их, а на продолжении этой прямой написать: «точка в ».

Особенности метода построения. Методы построения хода лучей рассмотрены в [7]. Показатели преломления оптических сред, окружающих заданную ОС, произвольны. Поэтому сопряженные лучи через главные точки в общем случае не параллельны.

Оформление рисунков. Каждый рисунок выполняют на отдельном тетрадном листе карандашом средней твердости или авторучкой.

Для повышения точности построения рекомендуется:

а) оптическую ось ОС ориентировать вдоль большей стороны листа;

б) расстояние осевых точек F, C от поверхностей ОС выбирать примерно равным 1/6 доле ширины листа;

в) максимальное расстояние конца стрелки от оси выбирать примерно равным 1/6 доле ширины листа.

На рисунке должны быть показаны все вспомогательные построения.

Е сли точка пересечения лучей не умещается на листе, допустимо ее «приблизить» изломом луча с параллельным переносом (рис. 1). Однако рисунок со всеми построениями всегда можно уместить в пределах листа, избежав изломов луча. Для этого можно менять продольные координаты характерных точек рисунка, а у внеосевых точек и поперечные, сохранив, естественно, последовательность продольных координат, которая является атрибутом задания.

Формат линий:

а) действительные луч, предмет и изображение – сплошные линии (рекомендация: вспомогательный луч тоньше основного);

б) продолжение луча, мнимые предмет и изображение – штриховые линии.

Вариант 01

Вариант 02

Вариант 03

Вариант 04

Вариант 05

Вариант 06

Вариант 07

Вариант 08

Вариант 09

Вариант 10

Вариант 11

Вариант 12

Вариант 13

Вариант 14

Вариант 15

Вариант 16

Вариант 17

Вариант 18

Вариант 19

Вариант 20

Вариант 21

Вариант 22

Вариант 23

Вариант 24

Расчетно-графическое задание

Линза конечной толщины

Варианты исходных данных приведены в табл. 1.

1. По формулам (1)–(3), выведенным в [7, стр. 25], определить:
а) переднее и заднее фокусные расстояния ; б) передний и задний фокальные отрезки линзы . Результаты расчетов записать с погрешностью до 0,1 мм. Показать на рисунке (пример, рис. 2) взаимное расположение поверхностей линзы, ее главных плоскостей, фокусов (не в масштабе). Обозначить на нем отрезки , . Определить и обозначить отрезок HH' между главными плоскостями:

(1)

; (2)

. (3)

2. Плоскость предмета расположена перед линзой на расстоянии от вершины ее передней поверхности. Определить: а) задний отрезок s– удаление плоскости изображения от вершины последней поверх-

ности линзы; б) соответствующее линейное увеличение . На рисунке

(пример – см. рис. 2) обозначить отрезки s, s; расстояния от главных плоскостей и фокусов до предмета и изображения а, а; z, z (не в масштабе). Выбрав величину предмета , изобразить на рисунке отре-
зок и соответствующий отрезок y.

3. Определить, где располагаются сопряженные плоскости, если линейное увеличение равно . Показать отрезки , ;
y, y на втором рисунке, аналогичном первому.

Т а б л и ц а 1

Варианты заданий «Линза конечной толщины»

№ п/п	Тип линзы	n		| r1 |		| r2 |		d		| s |		2
1	1	1,5		100		85		6		1500		2
2	2	1,5		25		29		6		270		3
3	6	1,5		40		64		6		150		4
4	5	1,5		50		30		6		100		4
5	2	2,2		40		65		6,6		250		3
6	6	1.5		15		25		3		200		3
7	4	1,5		30		50		9		300		2
8	3	1.5		12		8		3		45		3
9	5	1,5		25		20		3		150		4
10	4	1,5		125		20		9		100		3
11	6	1.5		37		72		6		100		2,5
12	3	1,5		72		48		9		40		2
13	2	2,2		75		80		8,8		600		2
14	5	1,5		75		30		6		30		3
15	1	1,5		20		65		6		50		3
16	4	1.5		75		67		3		50		2
17	3	1,5		45		38		6		400		3
18	5	1,5		120		80		12		150		2
19	6	1,5		95		120		3		250		2
20	2	1,5		80		95		12		150		2
21	3	1,5		75		67		6		1200		5
22	5	1,5		72		30		3		150		5
23	6	2,2		25		100		4,4		150		6
24	2	1,5		100		125		9		1000		3
25	4	1.5		25		40		6		50		3
26	1	2,2		35		60		6,6		45		5
27	4	1,5		45		80		6		75		3
Тип линзы	1		2		3		4		5		6

Пример рисунков к РГЗ