3B Scientific Laser Optics Supplemental Set User Manual [en, de, es, fr, it]
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PHYSICSPHYSICS
PHYSICS
PHYSICSPHYSICS
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Demonstrations-Laseroptik-Satz U17300 und Ergänzungssatz U17301
Bedienungsanleitung
1/05 ALF
Inhaltsverzeichnung
Seite Exp - Nr. Experiment Gerätesatz
1 Einleitung
2 Leiferumfang
3 E1 Reflexion an Planspiegel U17300/U17301
3 E2 Reflexion an zwei Planspiegeln U17301
3 E3a Reflexion an Konkavspiegel – Lichtstrahlen parallel zur optischen Achse U17300
4 E3b Reflexion an Konkavspiegel – Lichtstrahlen nicht parallel
zur optischen Achse U17300
4 E4a Reflexion an Konvexspiegel – Lichtstrahlen parallel zur optischen Achse U17300
4 E4b Reflexion an Konvexspiegel – Lichtstrahlen nicht parallel zur
optischen Achse U17300
5 E5a Brechung eines Lichtstrahls beim Übergang von Luft in Acryl U17300
5 E5b Scheinbare Tiefe eines Objekts U17301
5 E6a Brechung eines Lichtstrahls beim Übergang von Acryl in Luft U17300
6 E6b Brechung an einem Acrylprisma U17300/U17301
6 E6c Kritischer Winkel, Totalreflexion U17300
6 E6d Totalreflexion – Ausbreitung von Licht in Lichtleitern U17300
7 E7 Verschiebung eines Lichtstrahls, planparallele Acrylplatte U17300/U17301
7 E8 Verschiebung eines Lichtstrahls, Luft zwischen zwei
planparallelen Acrylplatten U17301
7 E9a Ablenkung eines Lichtstrahls durch ein Acrylprisma U17300/U17301
8 E9b Minimale Ablenkung durch ein Acrylprisma U17300/U17301
8 E10a Ablenkung eines Lichtstrahls durch ein Luftprisma U17301
8 E10b Minimale Ablenkung durch ein Luftprisma U17301
9 E11a Reflexion an einer Kante eines Acrylprismas U17301
9 E11b Reflexion an zwei Kanten eines Acrylprismas U17301
9 E11c Reflexion an zwei Acrylprismen U17301
10 E11d Reflexion an zwei Acrylprismen U17301
10 E11e Reflexion an zwei Acrylprismen U17301
10 E12 Reflexion an einem Luftprisma U17301
11 E13a Durchgang eines Lichtstrahls durch eine konvexe Grenzfläche Luft-Acryl U17301
11 E13b Durchgang von Lichtstrahlen durch eine konvexe Grenzfläche Luft-Acryl U17301
11 E14a Durchgang eines Lichtstrahls durch eine konkave Grenzfläche Luft-Acryl U17301
12 E14b Durchgang von Lichtstrahlen durch eine konkave Grenzfläche Luft-Acryl U17301
12 E15a Durchgang eines Lichtstrahls durch eine konvexe Grenzfläche Acryl-Luft U17301
12 E15b Durchgang von Lichtstrahlen durch eine Grenzfläche Acryl-Luft U17301
13 E16a Durchgang eines Lichtstrahls durch eine konkave Grenzfläche Acryl-Luft U17301
13 E16b Durchgang von Lichtstrahlen durch eine konkave Acryl-Luft U17301
13 E17a Durchgang von Lichtstrahlen durch eine konvexe Acryllinse –
Lichtstrahlen parallel zur optischen Achse U17300/U17301
14 E17b Durchgang von Lichtstrahlen durch eine konvexe Acryllinse –
Lichtstrahlen nicht parallel zur optischen Achse U17300/U17301
14 E17c Durchgang von Lichtstrahlen durch eine dicke konvexe Acryllinse U17301
14 E18a Durchgang von Lichtstrahlen durch eine konkave Acryllinse –
Lichtstrahlen parallel zur optischen Achse U17300/U17301
1
15 E18b Durchgang von Lichtstrahlen durch eine konkave Acryllinse –
Lichtstrahlen nicht parallel zur optischen Achse U17300/U17301
15 E19a Durchgang von Lichtstrahlen durch eine konvexe Luftlinse –
Lichtstrahlen parallel zur optischen Achse U17301
15 E19b Durchgang von Lichtstrahlen durch eine konvexe Luftlinse –
Lichtstrahlen nicht parallel zur optischen Achse U17301
16 E20a Durchgang von Lichtstrahlen durch eine konkave Luftlinse –
Lichtstrahlen parallel zur optischen Achse U17301
16 E20b Durchgang von Lichtstrahlen durch eine konkave Luftlinse –
Lichtstrahlen nicht parallel zur optischen Achse U17301
16 E21a Parameter von dicken Linsen – Bestimmung des Krümmungsradius U17300/U17301
17 E21b Parameter von dicken Linsen – Brennweite U17300/U17301
17 E22a Augenmodell U17300
17 E22b Augenmodell, Kurzsichtigkeit U17300
18 E22c Augenmodell, Weitsichtigkeit U17300
18 E23a Korrektur der sphärischen Aberration durch Verringerung des
Durchmessers des Strahlenbündels U17300/U17301
18 E23b Korrektur der sphärischen Aberration durch eine Kombination von Linsen U17300
19 E24a Teleskop nach Kepler U17300
19 E24b Teleskop nach Galilei U17300
19 E25 Kamera U17300
Demonstrations-Laseroptik-Satz U17300
Ergänzungssatz U17301
Die Spalte "Gerätesatz" listet den für das jeweilige Experiment benötigten Gerätesatz auf, U17300, U17301 oder beide.
Einleitung
Der Demonstrations-Laseroptik-Satz ermöglicht einfache und klare Versuchsaufbauten zur Darstellung der
Grundlagen der geometrischen Optik sowie der
Funktionsweise verschiedener optischer Geräte. Als
Lichtquelle dient der Diodenlaser, 5 Strahlen U17302.
In dieser Bedienungsanleitung sind zahlreiche grundlegende Versuche mit den optischen Elementen der
beiden Gerätesätze U17300 und U17301 beschrieben.
Jede Versuchsbeschreibung besteht aus drei Teilen:
1. Eine einfache Beschreibung des Versuchs
2. Eine grafische Darstellung des Versuchs
3. Eine Abbildung des Versuchsaufbaus
Unter dem jeweiligen Titel steht in Klammern mit welchem Gerätesatz der Versuch durchgeführt werden
kann, U17300, U17301 oder U17300/U17301. Die gleiche Angabe befindet sich auch in der letzten Spalte
der Inhaltsübersicht.
Ein sehr wichtiger Bestandteil der Versuchsaufbauten
ist der Diodenlaser U17302. Fünf Laserdioden erzeugen fünf parallele Lichtstrahlen. Die Anzahl der austretenden Lichtstrahlen lässt sich auswählen. Dazu wird
eine im Lieferumfang des Lasers enthaltene Metallplatte mit Bohrungen vor den Diodenlaser gesetzt.
Beim Einsatz des Laser ist ein direkter Augenkontakt
mit dem Laserstrahl zu vermeiden.
Lieferumfang
Demonstrations-Laseroptik-Satz U17300
1 Bikonkav Linse
2 Bikonvex Linse
3 Bikonvex Linse
4 Bikonvex Linse
5 Bikonvex Linse
6 Kleine plankonkave Linse
7 Kleine plankonvexe Linse
8 Große plankonvexe Linse
9 Spiegel, konkav
10 Spiegel, konvex
11 Planspiegel
12 Planparallele Platte
13 Prisma
14 Lichtleiter
Folien
A Augenmodell
B Kamera
C Teleskop nach Galilei
D Teleskop nach Kepler
E Sphärische Aberration
F Winkelskala 360°
Ergänzungssatz U17301
21 Bikonkav Luftlinse
22 Bikonkav Linse
23 Bikonvex Luftlinse
24 Bikonvex Linse
25 Luftprisma
26 Gleichseitiges Prisma
27 2 Rechtwinklige Prismen
28 Planparallele Platte, quadratisch
29 2 Planparallele Platten, rechteckig
11 2 Planspiegel
2
E1 Reflexion an Planspiegel
(U17300/U17301)
Darstellung des Reflexionsgesetzes. Ein Lichtstrahl, der
unter dem Einfallswinkel α auf eine plane Spiegelfläche
trifft, wird unter dem Winkel ß reflektiert
α = ß
Beide Winkel werden zum Einfallslot hin gemessen.
E3a Reflexion an Konkavspiegel – Lichtstrahlen
parallel zur optischen Achse
(U17300)
Die Brennweite f eines Hohlspiegels wird durch die
Länge der Strecke VF bestimmt. Der Krümmungsradius
lässt sich mit der Formel
fr=
2
berechnen. Die Strecke VS ist doppelt so lang wie VF.
E2 Reflexion an zwei Planspiegeln
(U17301)
Demonstration der Beziehung:
δ = 2 γ
wobei der Winkel δ vom einfallenden und dem reflektierten Lichtstrahl gebildet wird und γ der Winkel zwischen den Spiegelflächen ist.
E3b Reflexion an Konkavspiegel – Lichtstrahlen
nicht parallel zur optischen Achse
(U17300)
Die Achse ϕ steht senkrecht auf der optischen Achse
und verläuft durch den Brennpunkt. Sie wird als Brennebene bezeichnet. Die einfallenden parallelen Strahlen werden reflektiert und treffen sich in einem Punkt
auf der Brennebene ϕ. Sind die Strahlen parallel zur
optischen Achse, so liegt der Punkt darauf und heißt
Brennpunkt F.
3
E4a Reflexion an Konvexspiegel – Lichtstrahlen
parallel zur optischen Achse
(U17300)
Die reflektierten Strahlen scheinen von einem Punkt
hinter dem Spiegel auszugehen. Er heißt virtueller
Brennpunkt. Die Strecke VF bestimmt die Brennweite
des Spiegels. Der Krümmungsradius lässt sich mit der
Formel
fr=
2
berechnen. Die Strecke VS ist doppelt so lang wie VF.
E5a Brechung eines Lichtstrahls beim Übergang
von Luft in Acryl
(U17300, Folie F)
Beim Übergang eines Lichtstrahls von einem Medium
mit dem Brechungsindex n1 in ein anderes Medium
mit dem Brechungsindex n2 wird seine Richtungsänderung durch das Snelliussche Brechungsgesetz bestimmt:
n
sin α = n
1
sin ß
2
α ist der Einfallswinkel in Medium n1 und ß ist der
Brechungswinkel im Medium n2.
E4b Reflexion an Konvexspiegel – Lichtstrahlen
nicht parallel zur optischen Achse
(U17300)
Die Achse ϕ steht senkrecht auf der optischen Achse
und verläuft durch den Brennpunkt. Sie wird als Brennebene bezeichnet. Fallen parallele Strahlen auf den
Spiegel, so werden sie so gestreut, dass sie von einem
Punkt auf der Brennebene ϕ hinter dem Spiegel auszugehen scheinen.
E5b Scheinbare Tiefe eines Objekts
(U17301)
Versuchsaufbau zur Beobachtung der scheinbaren Tiefe eines Objekts in Wasser oder hinter Acryl von Luft
aus gesehen.
4
E6a Brechung eines Lichtstrahls beim Übergang
von Acryl in Luft
(U17300, Folie F)
Der Brechungswinkel ß ist größer als der Einfallswin-
kel α. Der Strahl wird vom Einfallslot weg gebrochen.
E6c Kritischer Winkel, Totalreflexion
(U17300, Folie F)
Je größer der Einfallswinkel desto größer der
Brechungswinkel. Wenn n1 < n2, existiert ein kritischer
Winkel α. Der gebrochene Strahl liegt dann an der
Grenzfläche zwischen zwei Medien. Ist der Einfallswinkel größer als der kritische Winkel, dann gibt es keine
Brechung mehr und das ganze Licht wird reflektiert.
In diesem Fall spricht man von Totalreflexion.
E6b Brechung an einem Acrylprisma
(U17300/U17301)
Beim Übergang eines Lichtstrahls von Acryl in Luft kann
das Snelliussche Gesetz in folgender Form geschrieben
werden:
n
sin α = sin ß
1
Brechungsindex von Luft n2 = 1.
E6d Totalreflexion – Ausbreitung von Licht in
Lichtleitern
(U17300)
Licht breitet sich mit Hilfe der Totalreflexion in einem
Lichtleiter aus. Der Parameter, numerische Apertur,
bestimmt, welcher Winkel dabei nicht überschritten
werden darf. Er entspricht dem Sin des maximalen Eintrittswinkel des Lichts. Auch wird der kleinste Radius,
wenn der Lichtleiter gebogen wird, durch diesen Parameter bestimmt. Er darf nicht unterschritten werden,
wenn der Lichtleiter installiert wird.
5
E7 Verschiebung eines Lichtstrahls, planparallele
Acrylplatte
(U17300/U17301)
Wenn ein Lichtstrahl durch eine planparallele Platte
geht, wird seine Richtung nicht verändert. Der austretende Strahl ist um den Betrag d verschoben. Bei einer
Plattendicke h ergibt sich für d:
sin
αβ
−
dh=
()
cos
β
E9a Ablenkung eines Lichtstrahls durch ein
Acrylprisma
(U17300/U17301)
In einem Acrylprisma wird ein einfallender Lichtstrahl
im Punkt A hin zum Einfallslot gebrochen. Am Austrittspunkt B findet die Brechung weg vom Einfallslot
statt. Die Summe aller Brechungswinkel ist der Ablenkungswinkel δ. Es ist der Winkel zwischen dem einfallenden und austretenden Lichtstrahl.
E8 Verschiebung eines Lichtstrahls, Luft zwischen
zwei planparallelen Acrylplatten
(U17301)
In diesem Fall findet eine Verschiebung zwischen dem
einfallenden und dem austretenden Strahl statt. Die
Verschiebung geht jedoch in die umgekehrte Richtung
als bei der Acrylplatte.
E9b Minimale Ablenkung durch ein Acrylprisma
(U17300/U17301)
Es kann gezeigt werden, dass der Einfallswinkel α bei
minimalstem Ablenkungswinkel δ
gleich dem Aus-
min
trittswinkel ß ist. Der gebrochene Strahl verläuft dann
im Prisma parallel zu der Seite, die nicht durchgangen
wird. Für den Brechungsindex des Prismas gilt:
+
δϕ
min
sin
sin
2
ϕ
2
n =
6
E10a Ablenkung eines Lichtstrahls durch ein
Luftprisma
(U17301)
Licht tritt an Punkt A durch die Grenzfläche Acryl-Luft.
Der Lichtstrahl wird vom Einfallslot weg gebrochen. Am
Austrittspunkt B wird er hin zum Einfallslot gebrochen.
Die Summe aller Brechungswinkel ist der Ablenkungswinkel δ. Es ist der Winkel zwischen dem einfallenden
und austretenden Lichtstrahl.
E11a Reflexion an einer Kante eines Acrylprismas
(U17301)
Wenn die Lichtstrahlen auf die Kante treffen, werden
sie total reflektiert. Bei leichtem Drehen des Prismas
kann sowohl Brechung als auch Reflexion beobachtet
werden.
E10b Minimale Ablenkung durch ein Luftprisma
(U17301)
Im Fall der minimalsten Ablenkung δ
ist der Ein-
min
fallswinkel α gleich dem Austrittswinkel ß. Der gebrochene Strahl verläuft dann im Prisma parallel zu der
Seite, die nicht durchgangen wird. Für den Brechungsindex des Prismas gilt: (siehe E9b). Die Richtung der
Ablenkung ist umgekehrt der in einem Acrylprisma.
E11b Reflexion an zwei Kanten eines Acrylprismas
(U17301)
In diesem Fall sind die Bedingungen für Totalreflexion an beiden Kanten des Prismas erfüllt. Wird der
oberste einfallende Strahl ausgeblendet, so verschwindet der unterste austretende Strahl. Das Bild ist um
180° gedreht.
7
E11c Reflexion an zwei Acrylprismen
(U17301)
Die Bedingungen für Totalreflexion sind an allen Kanten der Prismen erfüllt.
E11e Reflexion an zwei Acrylprismen
(U17301)
Die Bedingungen für Totalreflexion sind an allen Kanten der Prismen erfüllt.
E11d Reflexion an zwei Acrylprismen
(U17301)
Die Bedingungen für Totalreflexion sind an allen Kanten der Prismen erfüllt.
E12 Reflexion an einem Luftprisma
(U17301)
Wenn der Einfallwinkel der Lichtstrahlen kleiner ist als
der kritische Winkel (42°), werden die Lichtstrahlen ins
Acryl hin reflektiert. Ist der Winkel größer, geht ein Teil
des Lichts durch das Luftprisma.
8
E13a Durchgang eines Lichtstrahls durch eine
konvexe Grenzfläche Luft-Acryl
(U17301)
Wenn ein Lichtstrahl an Punkt A durch die Grenzfläche
Luft-Acryl tritt, wird er hin zum Einfallslot gebrochen.
Das Einfallslot ist die Gerade von Punkt A zum
Krümmungsmittelpunkt S.
E14a Durchgang eines Lichtstrahls durch eine
konkave Grenzfläche Luft-Acryl
(U17301)
Wenn der Lichtstrahl durch Punkt A auf der Grenzfläche tritt, ist eine Brechung hin zum Einfallslot zu beobachten. Das Einfallslot ist die Gerade von Punkt A zum
Krümmungsmittelpunkt S.
E13b Durchgang von Lichtstrahlen durch eine
konvexe Grenzfläche Luft-Acryl
(U17301)
Die einfallenden Lichtstrahlen werden zweimal gebrochen und treffen sich im Punkt F auf der optischen
Achse, dem Brennpunkt.
E14b Durchgang von Lichtstrahlen durch eine
konkave Grenzfläche Luft-Acryl
(U17301)
Nach Durchgang durch die Grenzfläche Acryl-Luft wird
das Strahlenbündel divergent gebrochen. Werden die
gebrochenen Strahlen nach hinten verlängert, so treffen sie sich in einem Punkt auf der optischen Achse.
Dieser Punkt heißt virtueller Brennpunkt F'.
9
E15a Durchgang eines Lichtstrahls durch eine
konvexe Grenzfläche Acryl-Luft
(U17301)
Nach Durchgang des Lichtstrahls durch Punkt A wird
er vom Einfallslot weg gebrochen. Das Einfallslot ist
die Gerade von Punkt A zum Krümmungsmittelpunkt
S.
E16a Durchgang eines Lichtstrahls durch eine
konkave Grenzfläche Acryl-Luft
(U17301)
Nach Durchgang des Lichtstrahls durch Punkt A wird
er vom Einfallslot weg gebrochen. Das Einfallslot ist
die Gerade von Punkt A zum Krümmungsmittelpunkt
S.
E15b Durchgang von Lichtstrahlen durch eine
konvexe Grenzfläche Acryl-Luft
(U17301)
Nach Durchgang durch die Grenzfläche Acryl-Luft wird
das Strahlenbündel divergent gebrochen. Verlängert
man die gebrochenen Strahlen nach hinten, so treffen
sie sich in einem Punkt auf der optischen Achse. Dieser Punkt heißt virtueller Brennpunkt F'.
E16b Durchgang von Lichtstrahlen durch eine
konkave Grenzfläche Acryl-Luft
(U17301)
Nach Durchgang durch die Grenzfläche ist das Strahlenbündel konvergent. Parallele Strahlen treffen sich
in einem Punkt auf der optischen Achse, dem Brennpunkt F.
10
E17a Durchgang von Lichtstrahlen durch eine
konvexe Acryllinse – Lichtstrahlen parallel
zur optischen Achse
(U17300/U17301)
Eine konvexe Acryllinse ist eine Sammellinse und die
Lichtstrahlen treffen sich nach Durchgang durch die
Linse im Brennpunkt F'.
E17c Durchgang von Lichtstrahlen durch eine
dicke konvexe Acryllinse
(U17301)
Durch Platzieren einer planparallelen Platte zwischen
zwei Linsen (23) kann das Modell einer dicken Linse
verwirklicht werden. Mit Veränderung der Dicke d der
Linse verändert sich auch die Brennweite, je dicker die
Linse desto kleiner die Brennweite. Ab einer kritischen
Dicke wird aus der Sammellinse eine Zerstreuungslinse.
E17b Durchgang von Lichtstrahlen durch eine
konvexe Acryllinse - Lichtstrahlen nicht
parallel zur optischen Achse
(U17300/U17301)
Die Achse ϕ' steht senkrecht auf der optischen Achse
und verläuft durch den Brennpunkt F'. Sie wird als
Brennpunktebene bezeichnet. Die einfallenden Strahlen werden gebrochen und treffen sich in einem Punkt
auf der Achse ϕ'.
E18a Durchgang von Lichtstrahlen durch eine
konkave Acryllinse – Lichtstrahlen parallel
zur optischen Achse
(U17300/U17301)
Die Lichtstrahlen sind divergent nach Durchgang durch
die Linse. Sie bildet kein Objekt ab. Nach hinten verlängert, treffen sich die Strahlen im virtuellen Brennpunkt F'.
11
E18b Durchgang von Lichtstrahlen durch eine
konkave Acryllinse – Lichtstrahlen nicht
parallel zur optischen Achse
(U17300/U17301)
Die Achse ϕ' steht senkrecht auf der optischen Achse
und verläuft durch den virtuellen Brennpunkt F'. Sie
wird als Brennpunktebene bezeichnet. Die Verlängerung der gebrochenen Strahlen treffen sich in einem
Punkt auf der Achse ϕ'.
E19b Durchgang von Lichtstrahlen durch eine
konvexe Luftlinse – Lichtstrahlen nicht
parallel zur optischen Achse
(U17301)
Die Achse ϕ' steht senkrecht auf der optischen Achse
und verläuft durch den virtuellen Brennpunkt F'. Sie
wird als Brennpunktebene bezeichnet. Die Verlängerung der gebrochenen Strahlen treffen sich in einem
Punkt auf der Achse ϕ'.
E19a Durchgang von Lichtstrahlen durch eine
konvexe Luftlinse – Lichtstrahlen parallel zur
optischen Achse
(U17301)
Die Lichtstrahlen sind divergent nach Durchgang durch
die Linse. Sie bildet kein Objekt ab. Nach hinten verlängert, treffen sich die Strahlen im virtuellen Brennpunkt F'.
E20a Durchgang von Lichtstrahlen durch eine
konkave Luftlinse – Lichtstrahlen parallel zur
optischen Achse
(U17301)
Ein konkave Luftlinse verhält sich wie eine Sammellinse und die gebrochenen Strahlen treffen sich im Brennpunkt F' nach Durchgang durch die Linse.
12
E20b Durchgang von Lichtstrahlen durch eine
konkave Luftlinse – Lichtstrahlen parallel
zur optischen Achse
(U17301)
Die Achse ϕ' steht senkrecht auf der optischen Achse
und verläuft durch den Brennpunkt F'. Sie wird als
Brennpunktebene bezeichnet. Die gebrochenen Strahlen treffen sich in einem Punkt auf der Achse ϕ'.
E21b Parameter von dicken Linsen – Brennweite
(U17300/U17301)
Dicke Linsen sind Linsen, bei denen die Dicke nicht
vernachlässigbar ist. Bei der Definition der Brennweite muss der Abstand zwischen den beiden Hauptebenen H and H' berücksichtigt werden.
E21a Parameter von dicken Linsen – Bestimmung
des Krümmungsradius
(U17300/U17301)
Die Linsen im Laseroptik-Satz besitzen eine zylindrische Brechungsfläche auf kreisförmiger Grundfläche
mit gleichen Krümmungsradien. Mit Hilfe von Millimeterpapier lassen sich diese Radien bestimmen.
E22a Augenmodell
(U17300, Folie A)
Lichtstrahlen parallel zur optischen Achse werden
durch die Augenlinse gebrochen und treffen sich in
einem Punkt auf der Netzhaut.
Augenlinse (1) direkt hinter der Linie O2 platzieren.
13
E22b Augenmodell, Kurzsichtigkeit
(U17300, Folie A)
Lichtstrahlen parallel zur optischen Achse werden
durch die Augenlinse gebrochen und treffen sich in
einem Punkt vor der Netzhaut.
Augenlinse (2) direkt hinter der Linie O2 und die
Korrekturlinse (5) zwischen die Linien O1 und O2 platzieren.
E23a Korrektur der sphärischen Aberration durch
Verringerung des Durchmessers des
Strahlenbündels(
U17300/U17301)
Sphärische Aberration einer Linse kann durch Verringerung des Durchmessers des Strahlenbündels, das
durch die Linse geht, reduziert werden. Dazu die äußersten Strahlen ausblenden.
E22c Augenmodell, Weitsichtigkeit
(U17300, Folie A)
Lichtstrahlen parallel zur optischen Achse werden
durch die Augenlinse gebrochen und treffen sich in
einem Punkt hinter der Netzhaut. Die Korrekturlinse
ist eine Sammellinse. Für die Brennweite f' des Linsensystems gilt:
ff
’’
12
f
’
=
ff
’’
+
12
wobei f1' die Brennweite der Augenlinse und f2' die der
Korrekturlinse ist.
E23b Korrektur der sphärischen Aberration durch
eine Linsenkombination
(U17300, Folie E)
Sphärische Aberration von Sammel- und Zerstreuungslinsen haben einen umgekehrten Effekt. Durch eine
Kombination von Linsen lässt sich der Fehler korrigieren. Die Aberration ∆f = f
– f2 ist definiert als die Dif-
1
ferenz zwischen der Brennweite f1 der äußeren und f
der inneren Strahlen. Bei Sammellinsen hat die Aberration ein positives bei Zerstreuungslinsen ein negatives Vorzeichen.
2
14
E24a Teleskop nach Kepler
(U17300, Folie D)
Das Objektiv in Keplers Teleskop erzeugt ein verkleinertes reelles Bild des betrachteten Objekts, das vom
Okular wie durch eine Lupe vergrößert wird. Es entsteht eine umgekehrte (oben und unten sowie rechts
und links sind vertauscht), stark vergrößerte Abbildung.
Zur Demonstration dieses Sachverhalts einen der äußeren Lichtstrahlen ausblenden. Wird der oberste einfallende Strahl ausgeblendet, so verschwindet der unterste ausgehende Strahl.
E24b Teleskop nach Galilei
(U17300, Folie C)
Beim Galilei-Fernrohr treffen die vom Objektiv kommenden Strahlen auf eine Zerstreuungslinse bevor sie
den Brennpunkt erreichen. Die Strahlen gelangen als
parallele Strahlen ins Auge. Die Abbildung des Objekts
ist vergrößert, aufrecht und seitenrichtig.
E25 Kamera
(U17300, Folie B)
Die Linse der Kamera ist eine Sammellinse. Sie bildet
ein Objekt in einem reellen Bild auf dem Kopf stehend
auf dem an der Rückseite der Kamera befindlichen Film
ab.
3B Scientific GmbH • Rudorffweg 8 • 21031 Hamburg • Deutschland • www.3bscientific.com • Technische Änderungen vorbehalten
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PHYSICS
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U17300 Laser Optics Demonstration Set and
U17300 Laser Optics Supplement Set
Instruction sheet
1/05 ALF
Table of contents
Page No. of Exp. Experiment Gerätesatz
1 Introduction
2 Tables of the settlements
3 E1 Reflection on planar mirror U17300/U17301
3 E2 Reflection on two planar mirrors U17301
3 E3a Reflection of light rays on concave mirror – rays are parallel to optical axis U17300
4 E3b Reflection of light rays on concave mirror – rays are non-parallel
to optical axis U17300
4 E4a Reflection of light rays on convex mirror – rays are parallel to optical axis U17300
4 E4b Reflection of light rays on convex mirror – rays are non-parallel
to optical axis U17300
5 E5a Refraction of light passing air-glass boundary U17300
5 E5b Apparent depth of objects U17301
5 E6a Refraction of light passing glass-air boundary U17300
6 E6b Refraction on glass prism edge U17300/U17301
6 E6c Critical angle, total reflection U17300
6 E6d Total reflection – propagating of light in optical fibres U17300
7 E7 Light ray shift by glass planparallel plate U17300/U17301
7 E8 Light ray shift by air planparallel plate U17301
7 E9a Glass prism deviation of light ray U17300/U17301
8 E9b Glass prism minimal deviation U17300/U17301
8 E10a Air prism deviation of light U17301
8 E10b Air prism minimal deviation U17301
9 E11a Reflection of light on one edge of glass prism U17301
9 E11b Reflection of light on two edges of glass prism U17301
9 E11c Reflection of light on two glass prisms U17301
10 E11d Reflection of light on two glass prisms U17301
10 E11e Reflection of light on two glass prisms U17301
10 E12 Reflection of light on air prisms U17301
11 E13a Light ray passing a convex air-glass boundary U17301
11 E13b Light beam passing through convex air-glass boundary U17301
11 E14a Light ray passing through concave air-glass boundary U17301
12 E14b Light beam passing through concave air-glass boundary U17301
12 E15a Light ray passing through convex glass-air boundary U17301
12 E15b Light beam passing through the glass-air boundary U17301
13 E16a Light ray tracing passing concave glass-air boundary U17301
13 E16b Light beam passing through concave glass-air boundary U17301
13 E17a Light beam passing through glass convex lens - beam is parallel
to the optical axis U17300/U17301
14 E17b Light beam passing through glass convex lens – the rays are non-parallel
to the optical axis U17300/U17301
14 E17c Light beam passing through thick glass convex lens U17301
14 E18a Light beam passing through glass concave lens – the rays are parallel
to the optical axis U17300/U17301
16
15 E18b Light beam passing through glass concave lens – the rays are non-parallel
to the optical axis U17300/U17301
15 E19a Light beam passing through air convex lens – the rays are parallel
to the optical axis U17301
15 E19b Light beam passing through air convex lens – the rays are non-parallel
to the optical axis U17301
16 E20a Light beam passing through air concave lens – the rays are parallel
to the optical axis U17301
16 E20b Light beam passing through air concave lens – the rays are non-parallel
to the optical axis U17301
16 E21a Parameters of thick lenses – determination of radius of curvature U17300/U17301
17 E21b Parameters of thick lenses – focal length U17300/U17301
17 E22a Model of a normal eye U17300
17 E22b Model of short-sighted eye U17300
18 E22c Model of long-sighted eye U17300
18 E23a Correction of spherical aberration by reducing the beam diameter U17300/U17301
18 E23b Correction of spherical aberration by combination of lenses U17300
19 E24a Keplerian telescope U17300
19 E24b Galileian telescope U17300
19 E25 Camera U17300
Laser Optics Demonstration Set U17300
Laser Optics Supplement Set U17301
The column "SET TO USE" informs you which set is appropriate for which experiment (either U17300, or U17301, or
both).
Introduction
The demonstration set U17300 was designed for easy
and clear demonstration of basic optical effects and
devices. Using diode laser as a light source for experiments enables both teacher and student to understand
the principle of simple and more complicated optical
systems. In this guide book you can find many basic
experiments and demonstrations using U17300 and
U17301, which is an additional set of optical elements
containing air lenses, air prisms etc. Every experiment
in this book has three parts:
1. A simple description of the experiment
2. A geometric diagram of the experiment
3. A diagram showing what the experiment
looks like when it is set up.
Shown in brackets under the title of the experiment is
whether it can be demonstrated with the U17300 or
U17301 set, or both. The same note can be find also in
the table of contents in the last row. It is clear now,
that some experiments cannot be done with U17300
and some of them with U17301.
A very important constituent of the experiments is the
LASER RAY BOX which consists of five laser diodes. Be
careful to avoid direct eye contact with the laser beam!
If you have basic set U17300 and you are interested in
realizing experiments for additional set U17301, please,
contact your distributor of didactic aids.
Table of set elements
U17300 Basic Set
1 Biconcave lens
2 Biconvex lens
3 Biconvex lens
4 Biconvex lens
5 Biconvex lens
6 Small planeconcave lens
7 Large planeconvex lens
8 Small planeconvex lens
9 Concave mirror
10 Convex mirror
11 Planar mirror
12 Planparallel plate
13 Prism
14 Optical fibre
Working sheets
A Human Eye Model
B Camera
C Galileian Telescope
D Keplerian Telescope
E Correction of Spherical Aberration
F Hartle's circle
U17301, Additional Set
21 Biconcave air lens
22 Biconcave glass lens
23 Biconvex air lens
24 Biconvex glass lens
25 Optical air prism
26 Equilateral optical glass prism
27 Rectangular optical glass prism (2 pc)
28 Square glass planparallel plate
29 Rectangular glass planparallel plate (2 pc)
11 Planar mirror (2 pc)
17
E1 Reflraction on planar mirror
(U17300/U17301)
The law of reflection is demonstrated. When a light
ray impinges a plane mirror under an angle α it is reflected under the same angle ß
α = ß
Both angles are measured from the perpendicular line
to the mirror plane.
E3a Reflection of light rays on concave mirror –
rays are parallel to optical axis
(U17300)
The focal length f of the concave mirror is determined
by the length of the line VF. The curvature radius can
be obtained using the known formula:
fr=
2
The distance of the centre of curvature S is twice as
long as the distance of the focus F.
E2 Reflection on two planar mirrors
(U17301)
An interesting relation can be shown:
δ = 2 γ
where δ is the angle between the incident and the
reflected ray and γ is the angle between the mirrors'
planes.
E3b Reflection of light rays on concave mirror –
rays are non-parallel to optical axis
(U17300)
The axis ϕ which is perpendicular to the optical axis
and passes through the focus is referred as the focal
plane of the concave mirror. If the parallel rays impinge the mirror, they meet at one point of the axis ϕ
after the reflection. In the case of the rays parallel to
the optical axis, the point belongs to the axis and is
called the focus (F).
18
E4a Reflection of light rays on convex mirror –
rays are parallel to optical axis
(U17300)
The reflected rays, parallel to the optical axis, appear
to start from one point on the right side behind the
mirror. This point is referred to as the figure focus. The
length of line VF determines the focal length f of the
mirror. The radius of curvature can be obtained from
the next formula.
fr=
2
The distance of the centre of curvature S is two times
longer than the distance of the focus F.
E5a Refraction of light passing air-glass boundary
(U17300, transparency F)
If light passes through one optical medium characterized by refraction index n1 into the other with refraction index n2 its direction is changed by Snell’s law:
n
sin α = n
1
where α is an incidence angle in the medium n
sin ß
2
and
1
ß is an angle of refraction in the medium n2. The angles
are measured from the normal to the planar boundary.
Air
Acrylic
E4b Reflection of light rays on convex mirror –
rays are non-parallel to optical axis
(U17300)
The axis ϕ which is perpendicular to the optical axis
and passes through the focus is referred to as the focal
plane of the convex mirror. If parallel rays impinge
the mirror, they are scattered in such a way that they
appear to start from one point of the plane ϕ. In the
case of incidence rays parallel to the optical axis this
point belongs to the axis.
E5b Apparent depth of objects
(U17301)
You can build up the model of observing the depth of
objects in water or glass from air.
Pencil
Air
Acrylic
19
E6a Refraction of light passing glass-air boundary
(U17300, transparency F)
The ray is refracted with the refraction angle ß, which
is larger than α. The ray is bent away from the normal.
Acrylic
Air
E6b Refraction on glass prism edge
(U17300/U17301)
When light passes through glass to air, Snell’s law can
be written in the next form:
n
sin α = sin ß
1
Refractive index of air n2 = 1.
Acrylic
Air
E6d Total reflection – propagating of light in
optical fibres
(U17300)
If light enters the optical fibre under some angles it
propagates in it using the total reflection on the borders of the fibre. An important parameter determines
what angle should not be overcome. This parameter is
called the numerical aperture. It is SIN of the maximum entrance angle of the light. Also the minimal
radius of the fibre bent is set by this parameter. It
cannot be smaller, when the fibre is installed.
Acrylic
E6c Critical angle, total reflection
(U17300, transparency F)
The larger the incidence angle the larger the refraction angle. If n1 < n
a critical angle α exists. In other
2
words, the refracted ray lies on the border of two mediums. When the incidence angle is larger than the
critical angle, there is no more refracted light and all
light energy is reflected, this is called total reflection.
Acrylic
E7 Light ray shift by glass planparallel plate
(U17300/U17301)
If a light ray passes through a planparallel plate its
direction is not changed. The outgoing ray is shifted in
accordance with the incoming one. The shift d can be
estimated with respect to the thickness h of the plate
using the formula:
sin
αβ
−
dh=
()
cos
β
20
Air
Acrylic
E8 Light ray shift by air planparallel plate
(U17301)
In this case, a shift between the incoming and the outgoing ray can be observed. This shift has an opposite
direction than in the case of the glass plate.
Acrylic
angle δ. It is the angle between the incidence and the
outgoing ray.
Air
Acrylic
E9b Glass prism minimal deviation
(U17300/U17301)
It can be seen that in the case of minimal deviation
δ
the incidence angle α is equal to the angle of the
min
outgoing ray ß. The direction of the refraction of light
in the prism is parallel to the edge the ray does not
pass through. The refractive index of the prism obeys
the formula:
Acrylic
Air
E9a Glass prism deviation of light ray
(U17300/U17301)
If the prism is glass, after the light impinges the point
A, it is bent toward the normal and refracts to point B.
At this point it is bent into the air away from the normal. The sum of all refraction angles is the deviation
sin
n =
+
δϕ
min
2
ϕ
sin
2
Air
Acrylic
21
E10a Air prism deviation of light
(U17301)
Light passes through the glass-air border at point A.
Then it is directed away from the normal axis and after light passes through point B, it is then directed toward the normal. The sum of the refraction angles is
referred as the deviation angle δ. It is the angle between the incidence and the outgoing ray.
E11a Reflection of light on one edge of glass prism
(U17301)
When the rays impinge the edge, they are totally reflected. If the prism is slightly adjusted reflection and
refraction can be observed.
Air
Acrylic
E10b Air prism minimal deviation
(U17301)
In the case of minimal deviation δ
the incidence
min,
angle α is equal to the angle of the outgoing ray ß. The
direction of the refracted light in the prism is parallel
to the edge the ray does not pass through. The refractive index of the prism obey formula (see E9b). The
deviation has an opposite direction as in the case of a
glass prism.
Acrylic
Air
E11b Reflection of light on two edges of glass
prism
(U17301)
The conditions for total reflections are fulfilled on both
edges of the prism. If the top ray of the incidence
light is eliminated, the bottom ray of the outgoing light
disappears. The picture is 180° rotated.
Acrylic
Acrylic
Air
Air
22
E11c Reflection of light on two glass prisms
(U17301)
Conditions for total reflection are fulfilled on every
edge.
Acrylic
Air
E11e Reflection of light on two glass prisms
(U17301)
Conditions necessary for total reflection are fulfilled
on every edge.
E11d Reflection of light on two glass prisms
(U17301)
Conditions necessary for total reflection are fulfilled
on every edge.
E12 Reflection of light on air prism
(U17301)
If the incidence angle of light to the edge of the prism
(25) is smaller than critical angle (42°), the rays are
reflected into the glass. If the angle is greater, a part of
the light passes through the air prism.
Acrylic
Air
23
E13a Light ray passing a convex air-glass boundary
(U17301)
When a ray impinges the air-glass boundary at point
A, it is directed toward the normal. The normal is defined as the line from point A to the centre of boundary curvature S.
E14a Light ray passing through concave air-glass
boundary
(U17301)
When a ray impinges the boundary at point A, refraction towards the normal is observed. The normal is
defined as the line from point A to the centre of boundary curvature S.
Acrylic
Air
E13b Light beam passing through convex air-glass
boundary
(U17301)
Using a boundary of convenient curvature radius and
an auxiliary glass element, where the rays are refracted,
one can observe that the rays are met at the point F' in
the optical axis – figure focus.
Air
Acrylic
E14b Light beam passing through concave air-glass
boundary
(U17301)
The beam after passing the boundary is divergent.
Elongating the refracted light to the other side one can
find a point on the optical axis where the line meets. It
is figure focus F'.
Acrylic
Acrylic
24
E15a Light ray passing through convex glass-air
boundary
(U17301)
When a ray impinges the boundary at point A, refraction away from the normal is observed. The normal
can be defined as the line from point A to the centre of
boundary curvature S.
E16a Light ray passing through concave glass-air
boundary
(U17301)
When a ray impinges the boundary at point A, refraction away from the normal is observed. The normal is
defined as the line from point A to the centre of boundary curvature S.
Acrylic
Air
E15b Light beam passing through convex glass-air
boundary
(U17301)
The beam after passing the boundary is divergent. Elongating the refracted light to the other side one can find
a point on the optical axis where the line meets. It is
figure focus F'.
Acrylic
Air
E16b Light beam passing through concave glass-air
boundary
(U17301)
The beam is convergent after passing the boundary.
Parallel rays meet in one point of the optical axis –
figure focus F'.
Acrylic
Acrylic
25
E17a Light beam passing through glass convex lens
– beam is parallel to the optical axis
(U17300/U17301)
A convex glass lens behaves as a convergent optical
system and the rays meet at figure focus F' after passing through the lens.
Acrylic
Air
E17c Light beam passing through thick glass
convex lens
(U17301)
By inserting planparallel plates into the space between
two elements (23), a model of a thick lens can be constructed. The thickness d of the lens can be changed.
If the thickness increases the focal length of the lens
decreases. For a critical thickness the lens changes from
convergent to divergent.
Acrylic
E17b Light beam passing through glass convex lens
– the rays are non-parallel to the optical axis
(U17300/U17301)
The plane ϕ' which is perpendicular to the optical axis,
combined with the figure focus F' is called a figure focus plane. If a beam of perpendicular rays impinges
the convex glass lens, the rays cross the plane ϕ' at
one point.
Acrylic
E18a Light beam passing through glass concave
lens – the rays are parallel to the optical axis
(U17300/U17301)
The rays are divergent after passing a concave glass
lens, they do not create a real figure. By elongating the
rays it is seen that the lines have a common intersection – figure focus F'.
Acrylic
26
E18b Light beam passing through glass concave
lens – the rays are non-parallel to the optical
axis
(U17300/U17301)
The plane ϕ' which is perpendicular to the optical axis,
combined with the figure focus F' is called a figure focus
plane. If a beam of perpendicular rays impinges the
concave glass lens, the elongated lines of the rays cross
the plane ϕ' at one point.
Acrylic
E19b Light beam passing through air convex lens –
the rays are non-parallel to the optical axis
(U17301)
The plane ϕ' which is perpendicular to the optical axis,
combined with the figure focus F' is called a figure focus
plane. If a beam of perpendicular rays impinges the
convex air lens, the elongated lines of the rays cross
the plane ϕ' at one point.
Acrylic
Air
Air
E19a Light beam passing through air convex lens –
the rays are parallel to the optical axis
(U17301)
The rays are divergent after passing a convex air lens,
they do not create a real figure. By elongating the rays
one can see the lines has a common intersection –
figure focus F'.
Acrylic
Air
Air
E20a Light beam passing through air concave lens
– the rays are parallel to the optical axis
(U17301)
A concave air lens behaves as a convergent optical system and the rays meet at figure focus F' after passing
through the lens.
Acrylic
Air
27
E20b Light beam passing through air concave lens
– the rays are non-parallel to the optical axis
(U17301)
The plane ϕ' which is perpendicular to the optical axis,
combined with figure focus F' is called a figure focus
plane. If a beam of perpendicular rays impinges the
concave air lens, the rays cross the plane ϕ' at one point.
Acrylic
E21b Parameters of thick lenses – focal length
(U17300/U17301)
In the case of a thick lens (a lens with not negligible
thickness) the definition of the focal length as a distance of the focus from the main planes (points – H
and H'), must be taken into account.
Air
E21a Parameters of thick lenses – determination
of radius of curvature
(U17300/U17301)
The lenses in the set have cylindrical refraction surfaces with circular bottoms with equal radia of curvature. You can measure these radii by using a milimetre
grid.
Air
Acrylic
E22a Model of a normal eye
(U17300, transparency A)
Display rays parallel to the optical axis intersect after
passing through uncorrected eye lens at one point of
the retina.
Place the eye lens (1) directly behind the line O2.
Retina
28
Eye lens
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