background image

Laboratorium Podstaw Fizyki 

Nr ćwiczenia: 77 

Temat ćwiczenia:  Pomiar odległości ogniskowych soczewek. 

Nazwisko i Imię prowadzącego kurs:  

Wykonawca: 

 

 

Imię i Nazwisko 

nr indeksu, wydział 

 

 

 

Termin zajęć: dzień tygodnia, godzina 

 

Numer grupy ćwiczeniowej 

 

Data oddania sprawozdania: 

 

Ocena końcowa 

 

 

Zatwierdzam wyniki pomiarów.  
Data i podpis prowadzącego zajęcia ............................................................  
 
Adnotacje dotyczące wymaganych poprawek oraz daty otrzymania  
poprawionego sprawozdania  

 

 

background image

Cel ćwiczenia 

Celem ćwiczenia było zapoznanie się z procesem wytwarzania obrazów przez soczewki cienkie, a 
także, przy użyciu dwóch różnych metod, wyznaczenie ogniskowych takich soczewek. 

Metoda wzoru soczewkowego 

Pomiary przeprowadzane były dla trzech sytuacji: 

1°  

- gdy odległość przedmiotu od soczewki (s) była równa dwóm długościom szacowanej 
ogniskowej (~f’) → 

 s=2*(~f’) 

2°  

- gdy odległość przedmiotu od soczewki (s) była większa, niż dwie długości szacowanej 
ogniskowej (~f’) → 

s>2*(~f’) 

3° 

-

 

gdy odległość przedmiotu od soczewki (s) była większa, niż szacowana długość ogniskowej 

(~f’) i równocześnie mniejsza, niż podwojona wartość tej długości →   ~f’< s<2*(~f’) 

Wyniki zostały przedstawione w dwóch tabelach.  

W pierwszej znajdują się pomiary i obliczenia wykonane dla układu optycznego, który zawierał jedną 
soczewkę skupiającą. 

W tabeli 2 znajdują się pomiary i wyniki obliczeń, które zostały wykonane dla układu składającego się 
z dwóch soczewek – skupiającej i rozpraszającej – który był w rezultacie ich złożenia układem 
skupiającym. 

 

Tabela 1: Wyniki uzyskane dla pojedynczej soczewki skupiającej 

grupa  

pomiarowa 

nr  

pomiaru 

Δs 

s' 

  

̅ 

   

̅ 

 f' 

f' 

    

   

  

 

ϕ 

Δϕ 

  

 

 

 

 

[m] 

[m] 

[m] 

[m] 

[m] 

[m] 

[m] 

[m] 

[%]  [1/m]  [1/m]  [%] 

1° 

0,260  0,002  0,158 

0,158 

0,002  0,1300  0,0981  0,0009  0,9 

10,2 

0,09 

0,9 

 

 

 

0,155 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,160 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2° 

0,300 

 

0,1430  0,1443  0,0007 

 

0,0974  0,0004  0,31  10,3 

0,04  0,31 

 

 

 

0,1450 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,1450 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3° 

0,200 

 

0,200 

0,199 

0,002 

 

0,0997  0,0004  0,34  10,1 

0,04  0,34 

 

 

 

0,196 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,200 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

background image

Tabela 2: Wyniki pomiarów uzyskanych dla układu skupiającego dwóch soczewek 

grupa  

pomiarowa 

nr  

pomiaru 

Δs 

s' 

  

̅ 

   

̅ 

 f' 

f' 

    

   

  

 

ϕ 

Δϕ 

  

 

 

 

 

[m] 

[m] 

[m] 

[m] 

[m] 

[m] 

[m] 

[m] 

[%]  [1/m]  [1/m]  [%] 

1° 

0,500  0,002  0,2100  0,2117  0,0009  0,2500  0,1487  0,0007  0,41  6,72 

0,03  0,41 

 

 

 

0,2120 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,2130 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2° 

0,600 

 

0,2000  0,1997  0,0004 

 

0,1499  0,0002  0,13  6,675  0,009  0,13 

 

 

 

0,1990 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,2000 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3° 

0,400 

 

0,2350  0,2363  0,0009 

 

0,1486  0,0004  0,23  6,73 

0,02  0,23 

 

 

 

0,2360 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,2380 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

s  

– odległość przedmiotu od soczewki 

Δs 

– niepewność pomiaru odległości przedmiotu od soczewki 

s’  

– odległość obrazu przedmiotu od soczewki 

  

̅  

– średnia odległość obrazu przedmiotu od soczewki 

Δ  

̅  

– niepewność pomiaru średniej odległości obrazu przedmiotu od soczewki 

~f’  

– szacowana odległość ogniskowa soczewki 

f’ 

– obliczona odległość ogniska soczewki 

Δf’  

– niepewność bezwzględna pomiarowa ogniskowej soczewki 

   

  

 

– niepewność względna pomiaru ogniskowej soczewki 

ϕ  

– zdolność skupiająca soczewki 

Δϕ  

– niepewność bezwzględna pomiaru zdolności skupiającej soczewki 

  

 

  

– niepewność względna pomiaru zdolności skupiającej soczewki 

 

Wzory i przykładowe obliczenia (z wykorzystaniem danych z grupy 1° z Tabeli 1): 

  

̅  

                 

 

            [m] 

Niepewność pomiaru średniej odległości obrazu przedmiotu od soczewki wyznaczono wykorzystując wzór: 

   

̅   √

 

 (     )

  ∑(  

 

    

̅)

 

 

(  )

 

 

 

   

 

background image

   

̅   √

 

 (   )

  [(              )

 

  (              )

 

  (             )

 

]  

(     )

 

 

 

         [m] 

Odległość ogniskową soczewki skupiającej wyznaczono przy wykorzystaniu równania soczewki: 

 

  

 

 
 

 

 

  

̅

 

,zatem   

 

 

 

 

 
 

 

 

  

̅

  ⇔ 

 

 

 

 

 

  

    

 

 

 

 

 

 

    

 

 

           

            [m] 

Niepewność pomiaru odległości ogniskowej wyznaczono przy użyciu metody różniczki zupełnej: 

  

 

  |

   

  

    |   |

   
   

̅      

̅|   |

  

̅

 

(      

̅)

 

    |   |

 

 

(      

̅)

 

     

̅| 

  

 

  |

(     )

 

(           )

 

       |   |

(     )

 

(           )

 

       |            [m] 

Zdolność skupiającą soczewki wyznaczono przy zastosowaniu wzoru: 

   

 

  

   

   

 

           

 

10,188648 [1/m] 

Niepewność pomiaru zdolności skupiającej soczewki wyznaczono przy użyciu metody różniczki zupełnej: 

     | 

 

  

 

|       

     | 

 

(        )

 

|                       [1/m] 

  

 

 

        

         

                

 

[%] 

 

Metoda Bessela 

Do pomiarów w metodzie Bessela wykorzystana została jedna soczewka skupiająca. 

Tabela 3: Wyniki uzyskane dla soczewki skupiającej 

nr  

pomiaru 

Δd 

c

 

 

̅̅̅ 

  

 

̅̅̅ 

c

 

 

̅̅̅ 

  

 

̅̅̅ 

Δc 

 

[m]  [m] 

[m] 

[m] 

[m] 

[m] 

[m] 

[m] 

[m] 

[m] 

1,000  0,002  0,1120  0,1117  0,0013  0,8800  0,8803  0,0013  0,7687  0,0025 

 

 

0,1110 

 

 

0,8800 

 

 

 

 

 

 

0,1120 

 

 

0,8810 

 

 

 

 

0,800 

 

0,1140  0,1143  0,0013  0,6710  0,6717  0,0013  0,5573  0,0025 

 

 

0,1150 

 

 

0,6720 

 

 

 

 

 

 

0,1140 

 

 

0,6720 

 

 

 

 

background image

 

Tabela 4: Obliczone wartości ogniskowych 

f' 

Δf' 

   

  

 

  

̅     ̅     

̅

  

̅  

[m]  [m]  [m]  [%]  [m]  [m]  [%] 

0,102  0,002  1,7 

0,103  0,002  1,6 

0,8  0,103  0,002  1,5 

 

d  

– odległość przedmiotu od ekranu 

 

 

̅   

– średnia odległość położenia soczewki dla której otrzymano ostry pomniejszony obraz 

 

 

̅   

– średnia odległość położenia soczewki dla której otrzymano ostry powiększony obraz 

c  

– odległość pomiędzy oboma położeniami soczewki 

 
Wzory i przykładowe obliczenia (z wykorzystaniem danych dla d=1 [m] z Tabeli 3): 

 

 

̅  

                 

 

           [m] 

 

 

̅  

               

 

           [m] 

Niepewność pomiaru średnich odległości c

1

 i c

2

 wyznaczono wykorzystując wzór (analogicznie do metody wzoru 

soczewkowego): 

  

   

̅̅̅̅̅   √

 

 (     )

  ∑( 

(   ) 

   

   

̅̅̅̅̅)

 

 

(  )

 

 

 

   

 

    | 

 

   

 

    |                  |            [m] 

Niepewność pomiaru odległości pomiędzy oboma położeniami soczewki wyznaczono przy użyciu metody różniczki zupełnej: 

     |

  

  

 

|     

 

  |

  

  

 

|     

 

    

 

  |  |     

 

    

 

    

 

 

                                    [m] 

 

 

 

 

 

   

 

  

 

 

 

 

 

 

 (     )

 

 

           [m] 

 

 

background image

Niepewność pomiaru odległości ogniskowej wyznaczono przy użyciu metody różniczki zupełnej: 

  

 

  |

 

 

   

 

  

 

|        | 

 

  

|      

  

 

  |

(      )

 

  

 

   

 

|           |

      

   

|                     [m] 

 

Analiza niedokładności pomiarowych i wnioski 

Długość  ogniskowej  dla  pojedynczej  soczewki  skupiającej  w  pomiarach  z  wykorzystaniem  wzoru 
soczewkowego obliczona została jako niecałe 10 cm, natomiast w metodzie Bessela jako nieco ponad 
10 cm. Oznacza to,  że pomiary były dosyć dokładne. 

Błędy, jakie pojawiły się w pomiarach zależą przede wszystkim od metody. Pomiary zostały dokonane 
na  podstawie  oceny  ostrości,  która  jest  przede  wszystkim  subiektywna  i  zależy  od  aparatu 
percepcyjnego, który jest niedoskonały. Co prawda, w naszych pomiarach różnice między kolejnymi 
ocenami były znikome lub żadne, ale nie oznacza to, że całkowicie poprawne  – oko ludzkie nie jest 
w stanie wychwycić drobnych różnic między ostrościami. 

Duża  różnica  pojawiła  się  między  początkowo  założoną  długością  ogniskowej  soczewki/soczewek 
w metodzie  wzoru  soczewkowego.  W  przypadku  pojedynczej  soczewki  skupiającej  różnica  między 
szacowaną,  a  obliczoną  wartością  ogniskowej  wyniosła  ~3cm,  natomiast  w  przypadku  układu 
soczewek aż ~10cm. 

Metoda wzoru soczewkowego jest dokładniejsza od metody Bessela, ponieważ jest zależna jedynie 
od jednej zmiennej – odległości obrazu od soczewki. W metodzie Bessela obliczenia zależą zarówno 
od odległości przedmiotu od ekranu, jak i od odległości między położeniami soczewki. Złożony błąd 
dla  metody  Bessela  powinien  być  zatem  większy,  co  potwierdzają  nasze  obliczenia  (błąd  względny 
w metodzie Bessela jest o rząd większy, niż w metodzie wzoru soczewkowego).