Sigla Lambda Physics

Lambda Physics - Kit Optic 01

lambda physics logo

Lambda Physics


Kit experimente optice Nr.01 - mini-proiector optic

Va multumim pentru alegerea facuta si va felicitam pentru optiunea de a investi in educatie!

kit optic 01 logo
Kitul nr.1 contine primele elemente dintr-o colectie de componente optice cu ajutorul carora se vor putea face primii pasi intr-un univers fascinant. Fiecare kit va contine piese optice si elemente opto-mecanice si optoelectronice care se vor adauga celor deja existente, in vederea realizarii unor montaje din ce in ce mai avansate.

Dacă nu ați achiziționat încă produsul, îl puteți comanda din magazinul de componente și ansambluri optice OpticMag

In kitul nr. 1 veti gasi urmatoarele elemente:
- placa de baza, prevazuta cu sine pentru ghidaj, socluri pentru baterii si mufa de alimentare;
- ansamblu cu sursa de lumina
- cablu adaptor pentru alimentare prin USB (de la laptop, desktop sau incarcator de telefon);
- doua ansambluri, avand montate lentile din sticla optica;
- ansamblu cu cleste tip crocodil, pentru prinderea si sustinerea diapozitivelor;
- 3 folii transparente, avand imprimate diferite modele ce vor fi proiectate pe ecran, in cadrul experimentelor. De asemenea, se pot folosi pentru proiectii si diapozitive din colectia personala sau desene realizate cu markerul pe folii transparente;
- ecran.

Cu ajutorul acestor componente se vor putea realiza montaje experimentale pentru:

1. Determinarea distantei focale a unei lentile convergente;

2. Obtinerea unui spot luminos dintr-un fascicul divergent, cu ajutorul lentilelor convergente;

3. Analiza formarii imaginii cu ajutorul unei lentile convergente;

4. Formarea unei imagini reale, cu ajutorul a doua lentile (proiectare diapozitiv)

propagare unda electromagnetica

Noțiuni elementare de optică:

Pentru inceput, sa fixam cateva notiuni elementare, care ne vor ajuta la intelegerea fenomenelor optice pe care le vom evidentia prin intermediul experimentelor.

Nota: Daca veti intalni cuvinte sau expresii pe care nu le intelegeti, nicio problema! Este suficient ca ati luat un prim contact cu niste notiuni noi. Ele vor fi lamurite pe parcurs, pe masura ce veti avansa in explorarea acestei ramuri a fizicii.
Experimentele sunt descrise mai jos, incepand cu sectorul care are fundal galben.

Ce este lumina? In fizica, lumina este o formă de radiație electromagnetică, vizibilă pentru ochiul uman. Lumina se propagă sub formă de unde electromagnetice, care sunt oscilații sincrone ale câmpurilor electric și magnetic, orientate perpendicular una pe cealaltă și ambele, perpendicular pe direcția de propagare, asa cum este ilustrat in figura 2.

Interpretarea și explicarea luminii au evoluat semnificativ de-a lungul istoriei. În Antichitate, gânditori precum Empedocle și Euclid au avut diverse teorii despre lumină. Empedocle credea că lumina este formata din particule emise de ochi, în timp ce Euclid a studiat reflexia luminii și a formulat legi geometrice pentru a descrie acest fenomen.

În secolul al XVII-lea, două teorii majore au început să domine dezbaterea despre natura luminii. Isaac Newton a prezentat in 1704 Teoria corpusculară a luminii, afirmând că lumina este compusă din particule mici. În contrast, Christiaan Huygens a propus Teoria undelor, sugerând că lumina se propagă sub formă de unde.
În secolul al XIX-lea, James Clerk Maxwell a unificat electricitatea, magnetismul și lumina în cadrul Teoriei electromagnetice, demonstrând că lumina este o undă electromagnetică.

Acum se stie ca una dintre caracteristicile fundamentale ale luminii este dualitatea sa, manifestându-se atât ca undă, cât și ca particulă. Această dualitate a fost confirmată în secolul al XX-lea prin contributiile aduse de Max Planck si Albert Einstein, care au dus la dezvoltarea teoriei cuantice a luminii.

Einstein a explicat efectul fotoelectric, arătând că lumina poate fi gândită ca fiind formată din fotoni, particule discrete de energie (teorie pentru care a si primit Premiul Nobel).

Ca undă, lumina are proprietăți precum lungimea de undă și frecvența si se supune unor legi pe care le vom discuta in continuare si pe care le vom analiza prin intermediul unor experimente. Lumina vizibilă are lungimi de undă cuprinse între aproximativ 400 și 700 nanometri.

In teoria corpusculara, lumina este formată din fotoni, care sunt cuante de energie fără masă de repaus, dar care transportă energie și impuls. Acești fotoni se deplasează prin vid cu o viteză constantă, de aproximativ 300.000 km/s.

Proprietățile fizice ale luminii includ reflexia, refracția, dispersia și difracția.

     - Reflexia este fenomenul prin care lumina este respinsa in mediu din care provine (numit si "mediu de incidenta"), atunci când întâlnește o suprafață de separare intre acest mediu, de incidenta si un alt mediu, cu indice de refractie diferit, cum ar fi, spre exemplu, trecerea din aer in sticla sau apă..

     - Refracția se referă la schimbarea direcției de propagare a luminii atunci când aceasta trece prin interfata dintre cele doua medii optice cu indici de refractie diferiti, cum ar fi, spre exemplu, trecerea din aer in sticla sau apă.

     - Dispersia apare atunci când diferite lungimi de undă ale luminii sunt deviate in unghiuri diferite, ca în cazul descompunerii luminii albe într-un spectru de culori de către o prismă (formarea curcubeului).

     - Difracția este curbarea undelor de lumină în jurul obstacolelor sau prin deschideri mici, fenomen evidentiat în diverse experimente precum experimentul lui Young sau interactia luminii cu o retea de difractie.

Evoluția înțelegerii noastre asupra luminii, de la teorii antice la cele mai moderne descoperiri, reflectă progresul remarcabil al cunoașterii științifice și capacitatea umană de a descifra complexitatea naturii.

Determinarea distantei focale a unei lentile convergente

      Dupa cum se stie, o lentila convergenta este acel instrument optic ce are proprietatea de a concentra razele de lumina ale unui fascicul paralel, incident pe una dintre suprafetele sale, intr-un punct, numit focar.

      O lentila divergenta este exact opusul lentilei convergente. Lentila divergenta "desparte razele" unui fascicul paralel care este incident pe una dintre suprafetele sale, creand senzatia ca acestea provin dintr-un punct ce se afla in spatele lentilei. Acest punct imaginar se numeste, deasemenea, focar.

      Distanta focala sau focala unei lentile este distanța dintre centrul lentilei și punctul focar, în care razele de lumină se întâlnesc (sau par să se întâlnească) după ce trec prin lentilă. Distanța focală variază în funcție de forma lentilei și de materialul din care este făcută. Pe scurt, lentilele convergente (convexe) adună lumina într-un punct iar lentilele divergente (concave) fac ca lumina să pară că vine dintr-un punct. Imaginea de mai jos ilustreaza aceste definitii:

focala

      Retinem aceasta proprietate a lentilelor pentru a descrie cea mai simpla metoda de determinare a distantei focale (metoda nr.1), la care vom reveni un pic mai jos.

      Fenomenul care genereaza acest comportament al lentilelor este refractia luminii. Acest fenomen este dependent de unghiul sub care raza de lumina atinge suprafata de separare dintre cele doua medii optice (aer si sticla, in cazul nostru), in conformitate cu formula lui Snell:

formula snell
     Unde:
                  - θ1 si θ2 sunt unghiurile, fata de perpendiculara pe suprafata de separare dintre cele doua medii (numita normala la suprafata), sub care raza de lumina intra din mediul nr.1, numit si mediu de incidenta, respectiv iese in mediul 2, numit si mediu de emergenta.
                  - n1 si n2 sunt indicii de refractie ai celor doua medii si fiecare reprezinta raportul dintre viteza cu care lumina se propaga in vid si viteza cu care lumina se propaga in mediul respectiv (n=c/v unde "c" este viteza luminii in vid si "v" este viteza luminii in mediul cu indicele de refractie "n").

      Astfel, pe baza formulei lui Snell, s-a determinat formula care calculeaza focala unei lentile in functie de materialul din care a fost realizata, de razele de curbura ale celor doua suprafete si de grosimea lentilei. Formula de mai jos se numeste ecuatia Lensmaker

lensmaker formula

      Aceasta formula are si o forma simplificata, pentru cazul in care razele de curbura ale celor doua suprafete sunt mult mai mari decat grosimea lentilei. Ecuatia simplificata se numeste formula lentilei subtiri:

lensmaker_lentile_subtiri

      Prin intermediul celor doua formule am ajuns la (metoda nr.2), prin care putem determina distanta focala a unei lentile.

 

Recapituland, primele doua metode de determinare a distantei focale a unei lentile sunt urmatoarele:

Metoda Nr.1

      Pentru aceasta metoda avem nevoie de un fascicul paralel de lumina. Cele mai comune surse de lumina cu fascicul paralel sunt sursele laser si Soarele. Avand la dispozitie un fascicul paralel de lumina, nu mai trebuie decat sa plasam lentila astfel incat sa fie strabatuta perpendicular de fascicul si sa masuram distanta dintre lentila si ecranul plasat la distanta la care se obtine cel mai mic spot.

Metoda Nr.2

      Pentru metoda 2 e necesar sa cunoastem anumite date constructive ale lentilei si anume indicele de refractie (n) al materialului optic din care a fost fabricata si razele celor doua suprafete curbe ale lentilei, aplicam formula Lensmaker si obtinem distanta focala.

Metoda Nr.3

      Metoda pe care, insa, o vom pune in opera cu ajutorul kitului de experimente optice Nr.1 este Metoda 3.

Kit 1 - Experiment 1

Metoda Nr.3 pentru determinarea distantei focale a unei lentile convergente

      Aceasta metoda se bazeaza pe proprietatea lentilelor de a forma imagini iar formula care descrie aceasta proprietate este urmatoarea:

formula_imagine_lentila
Unde d0 este distanta de la obiectul a carui imagine se formeaza, la lentila; di este distanta de la lentila la ecranul pe care s-a format imaginea clara a obiectului iar f este, evident, distanta focala a lentilei, pe care urmeaza sa o determinam.

      Avem, deci, nevoie, pentru a realiza experimentul, de urmatoarele trei elemente:

                  - un obiect a carui imagine va trebui sa o formam pe un ecran;

                  - lentila a carei distanta focala urmeaza sa fie determinata;

                  - un ecran pe care se va forma imaginea obiectului.

        Pentru a alege cea mai facila varianta de realizare a experimentului, obiectul a carui imagine o vom forma pe ecran va fi chiar ledul din sursa de lumina a kitului de experimente. Mai exact, pe ecran va trebui sa observam elemente din structura interna a ledului si anume, cei patru electrozi, pe care ii vom observa ca pe niste fire subtiri, negre, pe fondul luminos al imaginii, ca in figura de mai jos:

montaj_focala

            Aranjamentul experimental va fi realizat un felul urmator:

        1. plasati sursa de lumina la capatul din stanga al placii de baza, intre cele doua ghidaje;

        2. plasati ecranul la capatul din dreapta al placii de baza, deasemenea, intre cele doua ghidaje;

        3. plasati una dintre lentile pe placa de baza, intre cele doua ghidaje si intre sursa de lumina si ecran, aproximativ la jumatatea distantei dintre cele doua elemente;

        4. alimentati sursa de lumina. Puteti alimenta direct in mufa de pe placa de baza, in cazul in care ati montat baterii in cele doua socluri de pe placa de baza sau, prin intermediul cablului adaptor pe care l-ati gasit in cutia kitului, puteti alimenta la mufa USB a unui incarcator de telefon, laptop sau desktop;

        5. apropiati treptat lentila de sursa de lumina. Veti observa ca pata luminoasa de pe ecran incepe sa prinda contur si, la un moment dat, se vor distinge si cele 4 dungi fine, despre care am vorbit mai sus (electrozii din interiorul ledului);

        6. faceti un reglaj fin, miscand lentila usor, inainte si inapoi, pana cand considerati ca ati obtinut cea mai buna imagine a celor 4 dungulite negre;

        7. masurati distanta de la sursa de lumina la lentila (masurati intre dungile laterale, care au fost trasate in dreptul elementului optic asamblat in montura respectiva). Notati valoarea obtinuta ca fiind do (distanta de la obiect la lentila);

        8. masurati distanta de la lentila la ecranul pe care se vede imaginea celor 4 electrozi. Notati valoarea obtinuta ca fiind di (distanta dintre lentila si imagine);

        9. avand cele doua valori, ale d0 si di, le puteti introduce in formula de mai sus si astfel puteti calcula focala lentilei;

        9bis. ...sau, mai simplu, deschideti din butonul de mai jos pagina in care gasiti calculatorul pentru determinarea distantei focale. Introduceti cele doua valori pe care le-ati determinat in cadrul experimentului si obtineti valoarea distantei focale a lentilei.

Deschide Calculatorul Focalei

        10. Notati valoarea obtinuta pentru focala fiecarei lentile. Veti avea nevoie de aceste valori in experimentele urmatoare.

 

Kit 1 - Experiment 2

Obtinerea unui spot luminos dintr-un fascicul divergent, cu ajutorul lentilelor convergente

                          Acesta este un experiment simplu, dar care ne va ajuta sa introducem cateva notiuni referitoare la forma fasciculelor de lumina.

Clasificarea Fasciculelor de Lumină din punct de vedere al formei

1. Fascicul Divergent - este caracterizat de faptul ca razele de lumina se îndepărtează unele de altele pe măsură ce fasciculul se propaga (acesta se lărgește odată cu distanța parcursă). Acesta se propaga sub forma unui con de lumina cu distributie transversala uniforma.

Exemple: Lumina emisă de o sursă punctiforma (ideala) sau surse de dimensiuni mici (cum sunt in realitate), precum un bec sau un LED.

2. Fascicul Convergent - este caracterizat de faptul ca razele de lumină se apropie apropie intre ele, pe masura ce fasciculul se propaga intersectandu-se, la final, într-un punct comun, numit, de obicei, "punct focal" sau "focar".

Exemple: Lumina care trece printr-o lentilă convergentă, cum ar fi o lentilă biconvexă sau plan-convexa.

3. Fascicul Paralel este caracterizat de faptul ca razele de lumină rămân la aceeași distanță unele față de altele. Fasciculele paralele nu se întâlnesc și nu se împrăștie. Acestea sunt fascicule ideale. In realitate, un fascicul este considerat paralel, daca divergenta sau convergenta acestuia sunt extrem de mici (neglijabile)

Exemple: Lumina laser (ideală), fascicul de lumină după colimare.

 

4. Alte tipuri de fascicule: - aici vor fi numai enumerate, dar puteti face lecturi suplimentare pe Wikipedia

Fascicul Gaussian; Fascicul Bessel; Fascicul Hermite-Gaussian sau Laguerre-Gaussian

 

Colimarea unui fascicul de lumina

Descriere: Colimarea este procesul de transformare a unui fascicul divergent într-un fascicul paralel. Se realizează prin intermediul unui sistem optic, cum ar fi o lentilă sau un sistem de lentile.

Cel mai simplu mod prin care se poate colima un fascicul este prin plasarea unei lentule convergente astfel incat sursa de lumina sa se gaseasca in planul focal al acesteia si pe axa optica, asa cum este aratat in figura de mai jos:

 

colimare.png

        Aceasta este, insa, doar o situatie ideala, ipotetica, nerealizabila din punct de vedere practic, din cel putin doua motive:

            1 - in realitate, nu exista sursa de lumina punctiforma. Sursele de lumina reale emit dintr-o suprafata tridimensionala. Cu cat aceasta suprafata emitenta este mai mare, cu atat fasciculul emis se abate mai mult de la forma ideala (matematica) a unui con de lumina cu distributie transversala uniforma, asa cum este descris fasciculul divergent ideal.

            2 - Lentilele, la randul lor, nu sunt componente optice ideale. Acestea introduc o serie de aberatii, precum: aberatiile cromatice, aberatii de sfericitate, coma, astigmatism etc. Aceste aberatii cumulate, impiedica lentila sa functioneze exact asa cum rezulta din calculele matematice si din teoriile primare ale opticii.

            Acesta este si motivul pentru care nu am numit acest experiment "Colimarea unui fascicul de lumina divergent" ci "Obtinerea unui spot luminos dintr-un fascicul divergent, cu ajutorul lentilelor convergente"

            Aranjamentul experimental va fi realizat un felul urmator:

        1. plasati sursa de lumina la capatul din stanga al placii de baza, intre cele doua ghidaje;

        2. alimentati sursa de lumina. Puteti alimenta direct in mufa de pe placa de baza, in cazul in care ati montat baterii in cele doua socluri de pe placa de baza sau, prin intermediul cablului adaptor pe care l-ati gasit in cutia kitului, puteti alimenta la mufa USB a unui incarcator de telefon, laptop sau desktop;

        3. plasati ecranul cat mai aproape de sursa de lumina si evaluati vizual nivelul de iluminare al acestuia;

        4. deplasati ecranul la capatul din dreapta al placii de baza si observati cum nivelul de iluminare al ecranului scade, pe masura ce acesta se indeparteaza. Acest lucru se datoreaza faptului ca atunci cand se afla in apropierea sursei de lumina, aproape toata lumina emisa de sursa ajunge pe ecran. In situatia noastra, in care sursa de lumina emite un fascicul divergent, care, asa cum am definit mai sus, se propaga sub forma unui con de lumina, cu cat indepartam mai mult ecranul de sursa, cu atat mai multa lumina trece pe langa ecran si in consecinta, pe ecran va ajunge mai putina lumina, deci va fi mai slab iluminat. De asemenea, se mai poate observa ca ecranul este iluminat uniform pe toata suprafata acestuia, desi sursa de lumina are diametrul de numai 5mm. Acest lucru se intampla, evident, din cauza faptului ca fasciculul este divergent si se propaga sub forma unui "con de lumina".

       In concluzie, cu cat ne indepartam mai mult de sursa, cu atat suprafata iluminata va fi mai mare, dar iluminarea unei suprafete date (spre exemplu, ecranul nostru), va fi mai mica.

        Montajul initial ar trebui sa arate ca in figura de mai jos:

fascicul_divergent.jpg

        5. Plasati una dintre lentile la jumatatea distantei dintre sursa de lumina si ecran si incepeti sa o deplasati spre sursa de lumina. Observati evolutia spotului luminos de pe ecran. In momentul in care veti ajunge cu lentila la o distanta fata de sursa, egala cu distanta focala a lentilei, teoretic, daca sursa ar fi punctiforma si lentila "ideala", fara aberatii, fasciculul de lumina care trece prin lentila ar deveni paralel, ceea ce ar fi inseamnat ca s-a obtinut un fascicul colimat. In realitate, prin plasarea lentilei intr-o pozitie optima, in care focarul acesteia se afla in apropierea sursei de lumina, vom obtine un fascicul "aproape paralel", dar veti observa ca desi iluminarea, in zona centrala a spotului, este uniforma, spre margini, aceasta va fi mai scazuta la margini.

        In acest stadiu, montajul ar trebui sa arate ca in figura de mai jos:

spot_luminos.jpg

        6. Verificati gradul de colimare al fasciculului prin deplasarea ecranului inainte si inapoi, pentru a vedea daca diametrul spotului luminos ramane aproximativ constant. Puteti indeparta ecranul si mai mult decat permite placa de baza a montajului, sau daca montajul este orientat spre un perete, aflat la o distanta de cca 1 - 2 metri, puteti da la o parte ecranul si sa verificati daca dimensiunea spotului proiectat pe perete ramane relativ constanta. Daca spotul de pe perete este semnificativ mai mare, faceti un reglaj fin, apropiind si departand lentila fata de sursa, pana obtineti o dimensiune acceptabila a spotului. In acel moment se va putea spune ca s-a obtinut cea mai buna colimare a fasciculului care a trecut prin lentila.

 

 

 

 

 

 

 

Kit 1 - Experiment 3

Analiza formarii imaginii cu ajutorul unei lentile convergente

      Am vazut in primul experiment ca lentilele au proprietatea de a forma imagini si am utilizat formula care calculeaza distanta la care apare imaginea, in functie de focala lentilei si de distanta la care se afla obiectul fata de lentila

      Pentru a vedea mai clar cum stau lucrurile, putem rescrie formula sub forma

di = f do do - f

      Reamintim ca do este distanta de la obiectul a carui imagine se formeaza, la lentila; di este distanta de la lentila la imagine si f este focala lentilei.

      In acest experiment von analiza ce se intampla cu imaginea daca:

                  1. obiectul se afla, fata de lentila, la o distanta mai mare decat distanta focala a lentilei;

                  2. obiectul se afla, fata de lentila, la o distanta mai mica decat distanta focala a lentilei (obiectul se afla intre planul focal al leintilei si lentila);

        Acestea sunt cele doua situatii pe care le vom analiza experimental si pe care le vom explica prin intermediul formulei de mai sus.

 

                  Cazul 1. Obiectul la o distanta mai mare decat distanta focala a lentilei - observati in schita de mai jos cum se formeaza imaginea in acest caz:

                          - razele de lumina care sunt paralele cu axa optica, sunt dirijate de lentila sa treaca prin focar;

                          - razele de lumina care trec prin centrul optic al lentilei "O", parcurg traseul nedeviate;

                          - imaginea se formeaza la intersectia celor doua raze

schita imagine reala

                          Prima observatie este ca in acest caz se obtine o imagine "rasturnata" fata de pozitia obiectului

                          A doua observatie este ca imaginea obtinuta are o alta dimensiune decat obiectul. In consecinta, vom introduce notiunea de "Marire" (a imaginii fata de obiect). Formula pentru marirea obtinuta cu ajutorul unei lentile este, evident, raportul dintre inaltimea imaginii (hi) si inaltimea obiectului (ho), dar observand in figura de mai sus, cele doua triunghiuri care s-au format si care sunt “asemenea”, observam ca acest raport este egal si cu raportul dintre cele doua distante (di) si (do). Formula pentru marire este, deci:

M = hi ho = di do

                  Se observa din aceasta formula ca in functie de cele doua distante (do) si (di), valoarea maririi (M) ar putea fi mai mare decat 1, acest lucru insemnand ca imaginea este mai mare decat obiectul sau mai mica decat 1 si in acest caz imaginea este mai mica decat obiectul, dar, din cauza faptului ca imaginea este "rasturnata" fata de obiect, de fiecare data valoarea maririi va avea semnul minus (-).

                  Cazul 2. Obiectul la o distanta mai mica decat distanta focala a lentilei (obiectul intre lentila si focar) - trasam, la fel, cele doua raze, una paralela cu axa optica, pe care lentila o trimite in focar si o raza care trece prin centrul optic "O" al lentilei si care nu va fi deviata. De data aceasta, observam ca cele doua raze care trec prin lentila nu se mai intalnesc, pentru a forma o imagine reala, deci oriunde vom plasa ecranul, nu se va mai obtine o imagine focalizata a obiectului.

schita imagine virtuala

                  Observam, totusi, ca desi razele care trec prin lentila nu se intalnesc, prelungirile acestora (trasate in desen cu linie intrerupta) se intalnesc si din acest motiv, imaginea care se formeaza la intersectia acestora se numeste imagine virtuala. Imaginile virtuale sunt acele imagini pe care le vedem cand folosim lentilele pe post de lupa, dar aceste imagini nu pot fi vazute pe ecran.

                  In acest experiment nu vom putea, deci, sa vizualizam imaginea virtuala, care s-a format din prelungirile razelor care trec prin lentila, dar surpriza va veni in experimentul urmator, in care o sa vedeti cat de simplu poate fi adusa pe ecran si aceasta imagine.

                  A doua observatie este ca imaginea formata este dreapta (spre deosebire de cazul precedent) si din acest motiv marirea (M), care se calculeaza cu aceeasi formula ca si in primul caz, va avea tot timpul semnul plus (+).

 

                 Montajul experimental:

montaj_imagine_lentila.jpg

            Aranjamentul experimental va fi realizat un felul urmator:

        1. plasati sursa de lumina la capatul din stanga al placii de baza, intre cele doua ghidaje;

        2. plasati ecranul la capatul din dreapta al placii de baza, deasemenea, intre cele doua ghidaje;

        3. alegeti una dintre lentile si o plasati pe placa de baza, intre cele doua ghidaje si intre sursa de lumina si ecran, aproximativ la jumatatea distantei, dar un pic mai aproape de sursa de lumina;

        4. prindeti folia transparenta, ce are imprimata o sageata, in clestele tip "crocodil" si asezati-o intre sursa de lumina si lentila, astfel incat desenul (sageata) sa fie in dreptul lentilei si aproximativ, centrata cu aceasta. Aceasta sageata reprezinta "obiectul" in cadrul montajului;

        5. alimentati sursa de lumina. Puteti alimenta direct in mufa de pe placa de baza, in cazul in care ati montat baterii in cele doua socluri de pe placa de baza sau, prin intermediul cablului adaptor pe care l-ati gasit in cutia kitului, puteti alimenta la mufa USB a unui incarcator de telefon, laptop sau desktop;

        6. cunoscand focala lentilei si ghidandu-va dupa poza de mai sus, plasati, pentru inceput, folia transparenta la o distanta, fata de lentila, mai mare decat distanta focala a lentilei;

        7. deschideti din butonul de mai jos pagina in care gasiti calculatorul pentru calculul distantei la care se formeaza imaginea si marirea imaginii. Introduceti valoarea focalei lentilei pe care ati ales-o si distanta la care ati asezat obiectul fata de lentila. Faceti click pe butonul "Calculeaza"

        Obtineti, astfel, distanta la care se formeaza imaginea (di) si valoarea maririi imaginii (M) - Puteti continua sa introduceti diferite valori pentru distanta la care se afla obiectul si sa analizati rezultatul obtinut:

        Spre exemplu, daca lentila are distanta focala de 73mm si obiectul este asezat la 100mm fata de lentila, aplicand cele doua formule obtinem, pentru distanta la care se formeaza imaginea fata de lentila, di = 270.37mm si pentru marirea imaginii M = -2.7

        Cum interpretam aceste rezultate?

                    - faptul ca distanta la care se formeaza imaginea are o valoare pozitiva, inseamna ca acea imagine este reala, deci poate fi focalizata pe ecran, la o distanta de aproximativ 270mm;

                    - faptul ca marirea are semnul minus (-), inseamna ca imaginea obtinuta este rasturnata;

                    - faptul ca valoarea absoluta a maririi este 2.7, inseamna ca dimensiunile imaginii sunt de 2.7 ori mai mari decat cele ale obiectului. Cu alte cuvinte, se obtine o imagine mariata a obiectului.

Deschide Calculatorul pentru distanta si marirea imaginii formate

        8. folosind, in continuare, calculatorul pe care l-ati deschis din butonul de mai sus, puteti analiza rezultatele obtinute daca introduceti valori pentru doua situatii particulare:

                    8.1 - obiectul plasat exact in planul focar al lentilei (do = F) - In acest caz se va observa ca atat distanta la care se formeaza imaginea (di) cat si marirea sistemului (M) sunt infinit. Evident, aceste valori nu au sens fizic, dar asa cum am mai discutat, daca din acest plan, obiectul se apropie de lentila, imaginile obtinute vor fi virtuale, pe cand daca se indeparteaza, imaginile vor fi reale. Cu cat distanta do va fi mai mare, cu atat distanta di, dar si marirea (M), vor fi mai mici.

                    8.2 - obiectul plasat la distanta dubla fata de focarul lentilei (do = 2F) - In acest caz veti observa ca si distanta pana la imagine (di) este egala cu distanta obiect (do) iar marirea M = -1 (imaginea este rasturnata dar are aceleasi dimensiuni ca obiectul)

        9. introduceti in calcul valori pentru do mai mici decat distanta focala a lentilei. Veti observa ca valoarea pentru di devine negativa, ceea ce inseamna ca imaginea este virtuala, deci imposibil de a se obtine o imagine focalizata (clara) pe ecran, indiferent de distanta la care plasam ecranul. Pe de alta parte, veti observa ca marirea va fi cu semnul plus (+), deci imaginea virtuala va fi dreapta.

        10. realizati montaje experimentale in care sa reproduceti distantele pe care le-ati introdus si/ sau au rezultat din calcule. Observati imaginile formate, acolo unde este cazul, masurati distantele, masurati si faceti raportul intre dimensiunile imaginii si dimensiunile obiectului, pentru a obtine marirea sistemului optic. Comparati rezultatele obtinute experimental cu cele obtinute prin calcul.

 

 

 

 

 

 

 

 

Kit 1 - Experiment 4

Formarea unei imagini reale, cu ajutorul a doua lentile (proiectare diapozitiv)

      In experimentul anterior am vazut ca daca plasam obiectul intre lentila si planul focal al acesteia obtinem o imagine virtuala, pe care nu o putem vizualiza pe ecran. Acum a venit momentul sa "scoatem la lumina" aceasta imagine virtuala, prin transformarea ei intr-o imagine reala, ce va putea fi proiectata pe ecran.

      Sa repetam aceasta schema in figura de mai jos, unde sunt reprezentate:

      - sursa de lumina (S), plasata in partea din stanga a montajului;

      - lentila (L1), avand focarele in F1 si F1';

      - obiectul (O), care poate fi un diapozitiv sau o folie transparenta, pe care s-a desenat sau imprimat o imagine;

      In acest moment suntem in al doilea caz din experimentul anterior, caz in care o lentila convergenta formeaza o imagine virtuala a unui obiect plasat intre lentila si focarul acesteia. Aceasta imagine virtuala este reprezentata in schita de mai jos prin sageata bicolora (rosu + verde).

     

schema_mini_proiector.png

      Desi imaginea virtuala obtinuta in acest mod nu poate fi vazuta in mod direct, daca o sa continuam montajul cu inca o lentila convergenta (L2), plasata fata de imaginea virtuala la o distanta mai mare decat focala ei (F2) aceasta lentila va prelua imaginea virtuala ca si cum ar fi un obiect si va forma o noua imagine, reala, la o anumita distanta care reiese tot din formula lentilei pe care am prezentat-o si in experimentul anterior

di = f do do - f

      Montajul se va continua, deci, cu:

      - lentila (L2), avand focarele in F2 si F2';

      - ecran (E), plasat in partea din dreapta a montajului.

 

            Aranjamentul experimental va fi realizat un felul urmator:

        1. ca de obicei, plasati sursa de lumina la capatul din stanga al placii de baza, intre cele doua ghidaje;

        2. plasati ecranul la capatul din dreapta al placii de baza, deasemenea, intre cele doua ghidaje;

        3. alegeti ansamblul cu lentila cu distanta focala mai mica (este cel care are montata o banda neagra pe spate, chiar sub lentila). Fixati folia intre aceasta banda si suportul lentilei, ca in imaginea de mai jos, astfel incat figura imprimata pe folie sa fie aproximativ centrata cu lentila;

fixare_folie.jpg

        4. plasati ansamblul pe care s-a fixat folia, la cca 10 cm de sursa de lumina.

        5. alimentati sursa de lumina. Puteti alimenta direct in mufa de pe placa de baza, in cazul in care ati montat baterii in cele doua socluri de pe placa de baza sau, prin intermediul cablului adaptor pe care l-ati gasit in cutia kitului, puteti alimenta la mufa USB a unui incarcator de telefon, laptop sau desktop;

        6. priviti imaginea care s-a format pe ecran. Veti constata ca oriunde ar fi ecranul plasat, nu se va putea obtine o imagine focalizata;

        7. plasati a doua lentila (L2) intre prima lentila (L1) si ecran, asa cum se vede in figura de mai jos.

 

proiectare_diapozitiv.jpg

        8. gasiti pozitia L2 pentru care se obtine cea mai clara imagine.

        9. deplasati ecranul pana cand imaginea se strica si ulterior, gasiti noua pozitie pentru L2, pentru care se obtine cea mai clara imagine. Puteti deplasa in continuare, lentilele si ecranul, pana cand descoperiti o relatie empirica intre distantele dintre L1, L2 si ecran, corelate cu marimea imaginii obtinute.

        10. accesati din butonul de mai jos, calculatorul aferent acestui experiment:

Deschide Calculatorul pentru imaginea formata de miniproiector

        11. Introduceti valori pentru distanta obiectului fata de prima lentila (8 mm, in cazul in care diapozitivul a fost asezat direct pe montura lentilei sau distanta pe care o masurati daca a fost prins in clestele "crocodil" si plasat intr-o alta pozitie). De asemenea, introduceti valori pentru focalele lentilelor implicate in experiment si obtineti distantele si maririle pentru cele doua imagini: imaginea intermediara (cea virtuala) si imaginea finala, care va fi vizualizata pe ecran.

        12. Introduceti si valori imaginare pentru distanta obiectului si focarele celor doua lentile, putand face o analiza proprie a evolutiei imaginii, in functie de acesti parametri.