8.1. Párhuzamos fénynyaláb előállítása

a) Gyűjtőlencsés előállítási mód

A kísérlet célja

Párhuzamos fénynyaláb előállítása a diákok számára is a könnyen érthető és alkalmazható módon, egyetlen gyűjtőlencse segítségével. Az optika kísérletek alapbeállításainak bemutatása.

Szükséges anyagok, eszközök

• lámpa (12 V, 100 W, transzformátorra kötve)
• gyűjtőlencse (f = 20 cm)
• optikai sín
• lovasok (tartók az optikai sínen)
• ernyő (állványon) vagy papírlap

Leírás

A pontszerűnek tekinthető izzó fényforrást helyezzük az ismert fókusztávolságú lencsétől fókusztávolságnyira. Figyeljünk arra, hogy az izzó és a lencse azonos magasságban legyen, és a fénynyaláb párhuzamos legyen az optikai sínnel. (Praktikusan ez azt jelenti, hogy ha az izzó az asztal lapjától kb. 20 cm magasan van, akkor az ernyőn keletkezett kép is az asztal lapjától kb. 20 cm-re legyen.) Az így kapott „képzeletbeli” egyenest nevezzük optikai tengelynek. A lencse által összegyűjtött fénynyaláb párhuzamosságáról egy papírlap segítségével is meggyőződhetünk. Az így kapott nyaláb a lencsehibák miatt csak rövid szakaszon tekinthető párhuzamosnak.

Kísérlethez kapcsolódó kérdések

• A lencsétől távolodva milyen lesz a papírlapra merőlegesen beeső fénynyaláb átmérője? Miért?
• Milyen egyéb (optikai) jelenségeket lehet a papírlapon megfigyelni? (Lencsehibák)

b) Lencserendszerrel történő előállítási mód

A kísérlet célja

Az egylencsés módszernél jobban párhuzamosított fénynyaláb előállítása.

Szükséges anyagok, eszközök

• lámpa (12 V, 100 W, transzformátorra kötve)
• kettős kondenzor (két, azonos méretű egyszerű kondenzor (síkdomború lencse), amelyek a domború felükkel egymás felé vannak összeillesztve) f ~ 5 cm
• szűk környílás (diafragma, lyukblende)
• gyűjtőlencse (kétszerdomború vagy síkdomború) f ~ 12 cm
• ernyő

Leírás

A kondenzorlencsét közvetlenül a lámpaház nyílása elé helyezzük, csupán néhány milliméteres szellőzést biztosítva. A diafragmánkat 2-3 mm-esre szűkítjük, és kondenzortól kb 10 cm távolságra állítjuk. A pontszerű fényforrás fényét a kettős kondenzorral a környílásra úgy koncentráljuk, hogy a nyílást még teljesen átfedje, s a kép kevéssel a diafragma után jöjjön létre (vagyis ott látszódjanak az izzószál kontúrjai). Ezt a fényforrás-kondenzor távolság változtatásával állíthatjuk be, de nem a lencsét mozgatjuk, hanem érdemes a fényforrásunk helyzetét eltolni a lámpatesten belül. (Ha nagyon szűk diafragmával szeretnénk kísérletezni (d < 1 mm), a képet magán a diafragmán is létrehozhatjuk). A diafragma után egy f ~ 12 cm-es fókusztávolságú gyűjtőlencsét helyezzünk el úgy, hogy a nyílás a lencse fókuszpontjába essék. Ez esetben a távoli falon/ernyőn kissé elmosódott szélű, kör alakú foltot kapunk. A legjobb fényintenzitás eléréséhez a kondenzorból érkező fénynyaláb a lehető legjobban fedje a diafragmát!

Feladatok

• A lencsétől távolodva vizsgáljuk meg a papírlapra merőlegesen beeső fénynyaláb átmérőjét. Mit tapasztalunk?
• Kissé változtassa a gyűjtőlencse helyzetét! Hogyan változik a nyaláb alakja?
• Milyen változásokat tapasztalunk a diafragma méretének változtatásával? (A diafragma méretének megfelelően természetesen a fényforrás-kondenzor távolságot is változtatni kell.)

Kísérlethez kapcsolódó kérdések

• Milyen egyéb (optikai) jelenségeket lehet az ernyőn megfigyelni?

Módszertani kiegészítések

• Az optikai kísérletek összeállításakor fontos, hogy az egyes optikai elemeket az optikai sínnel párhuzamos optikai tengelyre fűzzük fel. Ezáltal, ha valamelyik optikai elemet más helyre szeretnénk tenni, vagy ki szeretnénk venni, nem kell minden egyes elem magasságát újra beállítani. A kondenzor magasságát például a következőképpen állíthatjuk be. A lámpaházon belül változtatva a lámpa helyzetét, az izzószál éles képe a kondenzor segítségével kivetíthető az ernyőre. A kondenzor magassága akkor van jól beállítva, ha az izzószál képe az ernyőn körülbelül az asztaltól ugyanolyan magasan van, mint az izzó. Figyeljünk arra is, hogy az izzó a lámpaházon belül el is forgatható. Állítsuk be az izzót úgy, hogy a képe éppen a sín fölé essen. Ha ezeket már beállítottuk, akkor a következő optikai elem magasságát, a diafragma magasságát kell beállítani: a diafragmának a fénysugár közepébe kell esnie. Végül a lencsét is az optikai tengelyre helyezzük; a lencse helyét úgy állítjuk be, hogy a fényfolt a sín egyenese fölé olyan magasságban essen az ernyőre, amilyen magasan található az izzó.
• Ha nem tudjuk a gyűjtőlencse fókusztávolságát, akkor is egyszerűen meg tudjuk mondani a gyűjtőlencse helyét: állítsuk be úgy a lencsét, hogy egy távoli ernyőn a diafragma éles képét adja, majd a lencsét kicsit húzzuk az izzó felé. Ekkor a lencsetörvény alapján a diafragma körülbelül a lencse fókuszpontjában van.