1

Trusă de bază demonstrativă pentru optică laser

şi

Trusă cu accesorii demonstrativă pentru optică laser

GHID DE UTILIZARE

www.materialedidactice.ro

2

CONŢINUT

Pag. Numărul

experienţei

Denumirea experienţei Trusa utilizată

1 - Introducere

2 - Conţinutul truselor

3 E1 Reflexia luminii pe oglindă plană Bază/+accesorii

3 E2 Reflexia luminii pe două oglinzi plane Accesorii

3

4

E3a

E3b

Reflexia unui fascicul luminos paralel cu axa optică, de pe

oglindă concavă.

Reflexia unui fascicul luminos oblic faţă de axa optică, de

pe oglindă concavă

Bază

Bază

4 E4a

E4b

Reflexia unui fascicul luminos paralel cu axa optică, de pe

oglindă convexă.

Reflexia unui fascicul luminos oblic faţă de axa optică de

pe oglindă convexă

Bază

Bază

5 E5a

E5b

Refracţia la suprafaţa de separaţie aer-sticlă

Adâncimea aparentă a obiectelor

Bază

Accesorii

5

6

6

6

E6a

E6b

E6c

E6d

Refracţia la suprafaţa de separaţie sticlă -aer

Refracţie în cazul prismei de sticlă

Unghi limită, reflexie totală

Reflexia totală – propagarea luminii în fibre optice

Bază

Bază /+ accesorii

Bază

Bază

7 E7 Drumul razei de lumină prin lamă din sticlă cu feţe

planparalele

Bază /+ accesorii

7 E8 Drumul razei de lumină prin lamă cu aer cu feţe

planparalele

Accesorii

3

7

8

E9a

E9b

Drumul razei de lumină prin prismă de sticlă

Prisma optică din sticlă – unghiul de deviaţie minimă

Bază /+ accesorii

Bază /+ accesorii

8

8

E10a

E10b

Drumul razei de lumină prin prismă de aer

Prismă cu aer – unghiul de deviaţie minimă

Accesorii

Accesorii

9

9

9

10

10

E11a

E11b

E11c

E11d

E11e

Reflexia razelor de lumină de pe o catetă a unei prisme de

sticlă

Reflexia razelor de lumină de pe ipotenuza unei prisme de

sticlă

Drumul razelor de lumină prin două prisme de sticlă

Drumul razelor de lumină prin două prisme de sticlă

Drumul razelor de lumină prin două prisme de sticlă

Accesorii

Accesorii

Accesorii

Accesorii

Accesorii

10 E12 Reflexia luminii de pe prisma cu aer Accesorii

11

11

E13a

E13b

Drumul razei de lumină prin dioptru sferic convex, aer -

sticlă

Drumul unui fascicul luminos prin dioptru sferic convex,

aer –sticlă

Accesorii

Accesorii

11

12

E14a

E14b

Drumul razei de lumină prin dioptru sferic concav aer -

sticlă

Drumul unui fascicul luminos prin dioptru sferic concav,

aer –sticlă

Accesorii

Accesorii

12

12

E15a

E15b

Drumul razei de lumină prin dioptru sferic convex, sticlă -

aer

Drumul unui fascicul luminos prin dioptru sferic convex,

sticlă – aer

Accesorii

Accesorii

13

13

E16a

E16b

Drumul razei de lumină prin dioptru sferic concav, sticlă -

aer

Drumul unui fascicul luminos prin dioptru sferic concav,

sticlă – aer

Accesorii

Accesorii

4

13

14

14

E17a

E17b

E17c

Fascicul luminos paralel cu axa optică prin lentile

convergente

Fascicul luminos oblic faţă de axa optică prin lentile

convergente

Lentilă convergentă groasă

Bază /+ accesorii

Bază /+ accesorii

Accesorii

14

15

E18a

E18b

Fascicul luminos paralel cu axa optică prin lentile

divergente

Fascicul luminos oblic faţă de axa optică prin lentile

divergente

Bază /+ accesorii

Bază /+ accesorii

15

15

E19a

E19b

Fascicul luminos paralel cu axa optică prin lentile

convergente cu aer

Fascicul luminos oblic faţă de axa optică prin lentile

convergente cu aer

Accesorii

Accesorii

16

16

E20a

E20b

Fascicul luminos paralel cu axa optică prin lentile

divergente cu aer

Fascicul luminos oblic faţă de axa optică prin lentile

divergente cu aer

Accesorii

Accesorii

16

17

E21a

E21b

Lentile groase – Determinarea razei de curbură

Lentile groase – Distanţa focală

Bază /+ accesorii

Bază /+ accesorii

17

17

18

E22a

E22b

E22c

Ochiul uman

Ochiul miop

Ochiul presbit

Bază

Bază

Bază

18

18

E23a

E23b

Corectarea aberaţiei de sfericitate prin diminuarea lărgimii

fasciculului de lumină

Corectarea aberaţiei de sfericitate prin cobinaţie de lentile

Bază /+ accesorii

Bază

19

19

E24a

E24b

Luneta lui Kepler

Luntea lui Galilei

Bază

Bază

19 E25 Aparatul foto Bază

5

RAY OPTICS DEMONSTRATION SET / TRUSĂ DEMONSTARTIVĂ DE BAZĂ PENTRU OPTICĂ LASER/ ……………………..... bază

RAY OPTICS DEMONSTRATION SET PLUS / TRUSĂ DEMONSTRATIVĂ CU ACCESORII PENZTRU OPTICĂ LASER/..……accesorii

Ultima coloană (trusa utilizată) ne informează asupra trusei care se foloseşte pentru realizarea experienţei date (bază sau

accesorii, sau ambele).

ÎNTRODUCERE

Experienţele demonstrative cu raze laser prezintă avantajul fasciculului de lumină bine delimitat şi stabil,

care se observă foarte bine în diferite medii . Experinţele sunt spectaculoase şi în săli mai puţin obscurizate. În

experienţele clasice de optică s-au utilizat surse punctiforme de lumină, drumul razelor fiind observat cu

greutateigen. Această trusă conţine surse de lumiă ale căror ieşire nu este punctiformă ci crează un plan

luminos.

Folosind această trusă de optică laser putem prezenta uşor şi lesne de înţeles legile şi instrumentele de bază

ale opticii. În această prezentare puteţi găsi descrierea unui număr de experienţe optice, care pot fi realizate

facil cu trusa de bază şi cu trusa cu accesorii.

Elementul fundamental al trusei este RAY LASER BOX-ul, care conţine cinci diode laser încorporate.

Fasciculul luminos care părăseşte cutia modelează fasciculul paralel de lumină.

6

CONŢINUTUL TRUSELOR

Trusa de bază Trusa cu accesorii

1 Lentilă biconcavă 21 Lentilă biconcavă cu aer

2 Lentilă biconcavă 22 Lentilă biconcavă de sticlă

3 Lentilă biconcavă 23 Lentilă biconvexă cu aer

4 Lentilă biconcavă 24 Lentilă biconvexă de sticlă

5 Lentilă biconvexă 25 Prismă optică cu aer

6 Lentilă mică plan concavă 26 Prismă de sticlă echilaterală

7 Lentilă mare plan concavă 27 Prismă de sticlă dreptunghiulară (2buc.)

8 Lentilă mică plan convexă 28 Lamă cu feţe planparalele (pătrat)

9 Oglindă concavă 29 Lamă cu feţe planparalele (dreptunghi, 2)

10 Oglindă convexă 11 Oglindă plană (2 buc.)

11 Oglindă plană

12 Lamă cu feţe planparelele

13 Prismă

14 Fibră optică

FIŞE DE LUCRU

A Ochiul uman

B Apartul foto

C Luneta lui Galilei

D Luneta lui Kepler

E Corectarea aberaţiei de sfericitate

F Discul Hartl

7

E1 Reflexia razelor de lumină pe oglindă plană

(BAZĂ/+ACC.)

Legile reflexiei luminii:

a) Raza incidentă, normala la suprafaţă şi raza reflectată sunt

coplanare

b) Unghiul de incidenţă () şi unghiul de reflexie ( ) sunt

congruente.

E2 Reflexia razelor de lumină pe două oglinzi plane

(ACC.)

Se poate ilustra o relaţie semnificativă : =2 , unde este unghiul

format de raza incidentă şi cea reflectată, iar unghiul dintre cele

două oglinzi plane.

E3a Reflexia unui fascicul paralel cu axa optică de pe oglindă

concavă

(BAZĂ)

Distanţa focală (f) a oglinzii concave este determinată de lungimea

VF. Raza de curbură se calculează după relaţia :

f = 2

r

Focarul (F) este punctul aflat în mijlocul distanţei determinate de

centrul de curbură (S) şi vârful oglinzii (V).

8

E3b Reflexia unui fascicul luminos cu raze paralele, oblic

faţă de axa optică de pe oglindă concavă

(BAZĂ)

Planul focal al oglinzii concave este perpendicular pe axa

optică şi trece prin focar (F). Fasciculul luminos cu raze

paralele, care cad oblic faţă de axa optică, după reflexie este

adunat într-un punct aflat în planul focal. Fascicolul paralel cu

axa optică principală este adunat în focarul (F).

E4a Reflexia de pe oglindă convexă a unui fascicul luminos

cu raze paralele, oblic faţă de axa optică

(BAZĂ)

Un fascicul incident paralel este împrăştiat de oglinda

convexă, astfel ca prelungirile razelor reflectate se întâlnesc

într-un punct numit focar virtual, aflat în saptele oglinzii

f = 2r

Focarul oglinzii (F) se găseşte la mijlocul distanţei dintre

vârful (V) şi centrul de curbură (S).

E4b Reflexia unui fascicul luminos cu raze paralele, oblic

faţă de axa optică de pe oglindă convexă

(BAZĂ)

Planul focal al oglinzii convexe este perpendicular pe axa

optică şi trece prin focar (F). Prelungirile razelor reflectate

provenite de la acest fascicul incident se întâlnesc într-un

punct al planului focal. Fasciculul paralel cu axa optică se

reflectă ca şi cum ar fi pornit din focarul (F).

9

aer

aer

creion

creion

sticlă

sticlă

aer

E5a Refracţia la suprafaţa de separaţie dintre aer şi sticlă (BAZĂ, fişa de lucru F)

Dacă raza de lumină trece dintr-un mediu cu indicele de refracţie

absolut n1 , într-un mediu cu indicele de refracţei absout n2, direcţia ei se

modifică după legea lui Snellius-Descartes

n1 sin = n2 sin

unde este unghiul de incidenţă, iar cel de refracţie.

E5b Adâncimea aparentă a obiectelor

(ACC.)

Creionul cufundat în apă pare de lungime mai mică.

E6a Refracţia la suprafaţa de separaţie sticlă-aer

(BAZĂ, fişa de lucru F )

Unghiul de refracţie este mai mare decât unghiul de incidenţă . În

acest caz raza refractată se depărtează de normala la suprafaţa de

separaţie.

10

sticlă

sticlă

sticlă

E6b Refracţia luminii la ieşirea dintr-o prismă de sticlă

(BAZĂ+ACC.)

Dacă raza de lumină trece din prisma de sticlă în aer, legea Snellius-

Descartes devine : n1 sin = sin

(n2=naer=1)

E6c Unghi limită – refelxie totală

(BAZĂ, fişă de lucru F)

Dacă raza de lumină trece dintr-un mediu mai dens optic într-unul mai

puţin dens optic, unghiul de refracţie este mai mare decât cel de

incidenţă. Mărind unghiul de incidenţă , se măreşte şi cel de refracţie.

Se numeşte unghi limită, acel unghi de incidenţă, căruia îi corespunde

un unghi de refracţie egal cu 90°. Dacă unghiul de incidenţă este mai

mare decât unghiul limită, raza refractată se întoarce în mediul de

incidenţă, producându-se reflexia totală.

E6d Reflexia totală – propagarea luminii în fibră optică

(BAZĂ)

Fibra optică este o legătură de fibre de sticlă ordonate, elastice. Raza

incidentă pe capătul fibrei cade pe generatoarea ei sub un unghi mai

mare decât unghiul limită, deci suferă reflexii totale repetate. Apertura

numerică AN este sinusul unghiului maxim de incidenţă.

11

sticlă

sticlă

aer

aer

sticlă

sticlă

sticlă

aer sticlă

aer

E7 Drumul razei de lumină prin lama transparentă cu feţe

planparalele (BAZĂ/+ACC.)

Dacă lama se găseşte într-un mediu omogen, atunci ea nu produce

deviaţia razei de lumină. În acest caz lama provoacă o energenţă

paralelă însoţită de deplasare razei. Deplasarea (d) a razei de lumină

depinde de : unghiul de incidenţă, grosimea lamei (h) şi de indicele

de refracţie.

d = sin( )cos

h

E8 Drumul razei de lumină prin lamă cu aer având feţe

planparalele

(ACC.)

Se constată o deplasare a razei energente faţă de cea incidentă în

sens contrar faţă de lama din sticlă.

E9a Drumul razei de lumină prin prisma optică din sticlă

(BAZĂ/+ACC.)

La intrare în prismă în punctul de incidenţă A, raza se apropie de

normală, iar la ieşire în punctul B raza se depărtează de normală.

Raza incidentă şi cea emergentă au direcţii diferite, deci raza suferă

o deviaţie după două refracţii caracterizate de unghiul de deviaţie

().

aer

12

E9b Prizma de sticlă, unghiul minim de deviaţie (BAZĂ /+

ACC.)

Modificând unghiul de incidenţă, vom găsi o valoare pentru care

unghiul de deviaţie devine minim (min). În acest caz unghiul de

incidenţă este egal cu cel de emergenţă, drumul razei fiind simetric

faţă de bisectoarea unghiului de refringenţă. Cunoscând unghiul de

deviaţie minimă, se poate determina indicele de refracţie al

materialului prismei:

n =

minsin

2

sin2

E10a Drumul razei de lumină prin prismă cu aer

(ACC.)

În punctul de incidenţă A raza trece din sticlă în aer, depărtându-se

de normală. La ieşirea din aer în punctul B raza se refractă din nou

apropiindu-se de normală. Şi în acest caz raza de lumină suferă o

deviaţie caracterizată de unghiul de deviaţie () după două

refracţii succesive.

E10b Prisma cu aer, deviaţia minimă

(ACC.)

Şi în acest caz, pentru a obţine deviaţie minimă unghiul de incidenţă

este egal cu cel de emergenţă, drumul razei fiind simetric faţă de

bisetoarea unghiului refringent. Analog E9b se poate determina

indicele de refracţie al materialului prismei. Sensul deviaţiei este

contrar celei obţinute la prisma din sticlă.

sticlă

aer

sticlă

sticlă

aer

aer

13

E11a Reflexia razelor de pe ipotenuza unei prisme de sticlă.

Prismă cu reflexie totală.

(ACC.)

Un fascicul de raze paralele, care cade normal pe o catetă a unei prisme, suferă reflexie totală pe ipotenuză şi părăseşte prisma perpendicular pe

cealaltă catetă. Astfel fasciculul suferă o deviaţie de 90o.

E11b Reflexia razelor pe cele două catete a unei prisme de sticlă.

Prismă cu reflexie totală.

(ACC.)

Un fascicul paralel de lumină, care cade normal pe ipotenuza prismei, suferă două reflexii totale pe cele două catete ale prismei şi părăseşte prisma

paralel cu fasciculul incident suferind o deviaţie de 180°.

E11c Drumul razelor prin două prisme din sticlă

(ACC.)

Condiţiile reflexiei totale sunt îndeplinite pentru cele patru catete ale celor două prisme.

sticlă

sticlă

sticlă

aer

aer

aer

14

E11d Drumul razelor prin două prisme din sticlă

(ACC.)

Condiţiile reflexiei totale sunt îndeplinite pentru ipotenuza primei

prisme şi pentru catetele celei de a doua.

E11e Drumul razelor prin două prisme din sticlă

(ACC.)

Condiţiile reflexiei totale sunt îndeplinite pentru cele două ipotenuze.

E12 Reflexie de pe prismă cu aer

(ACC.)

Dacă unghiul de incidenţă pe o muchie a prismei este mai mare decât

unghiul limită (42°), atunci razele de lumină se întorc în sticlă datorită

reflexiei totale. Dacă unghiul de incidenţă este mai mic decât unghiul

limită, razele de lumină pătrund în prisma cu aer.

sticlă

sticlă

sticlă

aer

aer

aer

15

aer sticlă

sticlă

sticlă

E13a Drumul razei de lumină printr-un dioptru convex, aer –

sticlă (ACC.)

Raza incidentă care cade pe dioprtu în punctul de incidenţă A, se

apropie de normală. Normala la un dioptru sferic este raza sferei

din care face parte (AS).

E13b Drumul unui fascicul luminos printr-un dioprtu convex,

aer- sticlă (ACC.)

Cu ajutorul unei lentile cu rază de curbură oarecare, combinat cu

un element din sticlă, se poate observa formarea focarului F` pe

axa optică prin intersecţia razelor refractate provenite de la un

fascicul incident paralel cu axa optică.

E14a Drumul razei de lumină printr-un dioprtu concav aer-

sticlă (ACC.)

Raza incidentă în punctul A prin refracţie se apropie de normala.

aer

16

E14b Drumul unui fascicul luminos printr-un dioprtu concav, aer- sticlă (ACC.)

Acest dioptru transformă un fascicul incident paralel cu axa optică principală, într-un fascicul divergent, prelungirile razelor acestui fascicul se

întâlnesc într-un punct F` numit focar.

E15a Drumul razei de lumină printr-un dioptru convex, sticlă –aer (ACC.)

Raza incidentă care cade pe dioprtu în punctul de incidenţă A se depărtează de normală.

E15b Drumul unui fascicul luminos printr-un dioprtu convex sticlă-aer (ACC.)

Un fascicul luminos incident, paralel cu axa optică principală este transformat de dioptru într-un fascicul divergent, prelungirile razelor se

întâlnesc într-un punct F` numit focar aflat pe axa optică principală.

sticlă

sticlă

sticlă

aer

17

E16a Drumul razei de lumină printr-un dioprtu concav sticlă -

aer (ACC.)

Raza incidentă în punctul A prin refracţie se depărtează de

normala.

E16b Drumul unui fascicul luminos printr-un dioprtu concav

sticlă - aer (ACC.)

Un fascicul luminos incident, paralel cu axa optică principală este

transformat de dioptru într-un fascicul convergent, prelungirile

razelor se întâlnesc într-un punct F` numit focar aflat pe axa optică

principală.

E17a Efectul unei lentile convergente asupra unui fascicul de

lumină paralel cu axa optică (BAZĂ /+ ACC)

O lentilă convergentă transformă un fascicul paralel într-unul

convergent, punctul de convergenţă numindu-se focar.

sticlă

sticlă

sticlă

aer

aer

18

E17b Efectul unei lentile conevergente asupra unui fascicul

paralel, care cade oblic faţă de axa optică (BAZĂ /+ ACC.)

Planul focal ` este perpendicular pe axa optică şi trece prin focarul

F`. Acest fascicul este adunat într-un punct al planului focal.

E17c Lentilă convergentă groasă (ACC.)

Dacă între două lentile plan convexe din sticlă aşezăm o lamă din

sticlă cu feţe planparalele, obţinem o lentilă convergentă groasă.

Grosimea d a lentilei poate fi mărită. După atingerea unei grosimi

critice (limită), lentila biconvexă devine divergentă.

E18a Fascicul luminos paralel cu axa optică prin lentile

divergente (BAZĂ /+ ACC.)

Fascicolul luminos paralel trecând prin lentila divergentă se

transformă în fascicul divergent, formând o imagine virtuală.

Prelungirile razelor emergente din lentilă se întâlnesc într-un punct F`

numit focarul lentilei.

sticlă

sticlă

19

E18b Fascicul luminos paralel, care cade oblic pe lentila

divergentă (BAZĂ /+ ACC.)

Planul focal ` este perpendicular pe axa optică şi trece prin focarul

F`. Acest fascicul trecând prin lentilă se transformă în fascicul

divergent, prelungirile razelor se întâlnesc într-un punct al planului

focal.

E19a Fascicul paralel de lumină prin lentilă biconvexă cu aer

(ACC.)

Această lentilă este divergentă, transformă fasciculul paralel într-unul

divergent, prelungirile razelor se întâlnesc în focarul virtual (F`) al

lentilei.

E19b Fascicul luminos paralel, ce cade oblic faţă de axa optică a

unei lentile biconvexe de aer (ACC.)

Planul focal ` este perpendicular pe axa optică şi trece prin focarul

F`. Lentila transformă fasciulul paralel într-unul divergent,

prelungirile razelor se întâlnesc în focarul F` al lentilei.

sticlă

sticlă

sticlă

aer

aer

aer

aer

20

E20a Fascicul paralel de lumină prin lentilă biconcavă cu aer

(ACC.)

Această lentilă se comportă ca una convergentă, transformând un

fascicul paralel într-unul convergent în focar.

E20b Fascicul luminos paralel, care cade oblic faţă de axa

optică a unei lentile biconcave de aer (ACC.)

Planul focal ` este perpendicular pe axa optică principală şi

trece prin focarul F`. Lentila transformă fasciulul paralel într-

unul convergent, razele se întâlnesc într-un punct al planului

focal.

E21a Lentile groase – determinarea razei de curbură

(BAZĂ /+ ACC.)

Lentilele din trusă sunt limitate de suprafeţe sferice, respectiv

plane. Razele de curbură sunt de lungimi egale şi pot fi

determinate folosind hârtie milimetrică.

sticlă

sticlă

aer

aer

21

E21a Lentile groase – distanţa focală

(BAZĂ /+ ACC.)

În cazul lentilelor groase distanţa focală este distanţa măsurată dintre

cele două plane principale (H şi H`).

E22a Ochiul uman

(BAZĂ, fişa de lucru A)

Fascicolul paralel de lumină ce trece prin lentila ochiuli sunt adunate

într-un punct al retinei. Aşezaţi lentila ochiuliui (1) direct după linia

O2!

E22b Ochiul miop

(BAZĂ, fişa de lucru A)

Globul ochiului este prea groasă, razele paralele sunt adunate în faţa

retinei, imaginea obiectelor depărtate este neclară. Aşezaţi lentila

ochiuli (2) direct după linia O2, iar lentila de corecţie (5) între liniile

O1 şi O2!

aer sticlă

lentila ochiului

lentila ochiului

locul lentilei de

corecţie

22

E22c Ochiul presbit

(BAZĂ, fişa de lucru A)

Globul ochiului este prea subţire. Razele paralele sunt adunate într-

un punct aflat în spatele retinei. Astfel, imaginile obiectelor

apropiate sunt necalre. Corecţia se face cu o lentilă convergentă.

Distanţa focală f` a sistemului format din lentila ochiului şi cea de

corecţie este dată de relaţia

1 2

1 2

' ''

' '

f ff

f f

unde 1'f este distanţa focală a lentilei ochiului, iar 2'f a lentilei

de corecţie

E23a Corectarea aberaţiei de sfericitate prin micşorarea

diametrului fasciculului luminos

(BAZĂ /+ ACC.)

Gradul aberaţiei de sfericitate se poate micşora dacă diminuăm

diametrul fascicului ce cade pe lentilă prin utilizarea razelor

paraxiale. Razele marginale se pot elimina prin acoperirea lor.

E23b Corecţia aberaţiei de sfericitate prin folosirea unei

combinaţii de lentile

(BAZĂ, fişă de lucru E)

Efectele aberaţiilor de sfericitate ale lentilelor divergente şi

convergente sunt opuse. Prin combinarea adecvată a celor două

lentile, aberaţia poate fi diminuată. Abaterea este ∆f’ = f’*–f’ , adică

diferenţa dintre focarul corăspunzător razelor marginale şi a celor

paraxiale. Pentru lentilele convergente abaterea este pozitivă, iar

pentru cele divergente este negativă.

lentila ochiului

locul lentilei

de corecţie

între

O1 şi O2

23

E24a Luneta lui Kepler

(BAZĂ, fişa de lucru D)

Luneta lui Kepler este formată din două lentile convergente. În

lunetă se formează o imagine virtuală, mărită şi răsturantă.

E24b Luneta lui Galilei

(BAZĂ, fişa de lucru C)

În această experienţă, unghiul de incidenţă se poate modifica

arbitrar. Luneta este formată din două lentile: una convergentă ,

alta divergentă. În lunetă se formează o imagine virtuală, mărită

şi dreaptă.

E25 Aparatul foto

(BAZĂ, fişa de lucru B)

Lentila obiectiv a aparatului este un sistem convergent, care

formează pe film o imagine reală, răsturnată şi micşorată.

obiect din sticlă

lupă

obiect din sticlă

lupă