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透镜焦距的测量(doc)

来源:未知 发布时间:2020-11-20 13:28 浏览次数:

  自组望远镜透镜是光学仪器中最基本的器件,常常被组合在其他光学仪器中。焦距是反 映透镜性质的一个重要参数。因此了解并掌握透镜焦距的测量方法,不仅有助于 加深理解几何光学中的成像规律,也有助于加强对光学仪器调节和使用的训练。 另外,光学平台是光学实验中的常用设备,通过本实验还可以了解光学平台的使 用方法。 一、实验目的 1、通过实验进一步理解透镜的成像规律; 2、掌握测量透镜焦距的几种方法; 3、掌握和理解光学系统光路调节的方法。 二、实验原理 薄透镜成像原理及其成像公式在近轴光线条件下,薄透镜的成像公式为 为像距f为焦距,对于凸透镜、凹透镜而言,u 恒为正值,像 为实像时v 为负,对于凸透镜f恒为正,凹透镜f 图14-1共轭法测凸透镜焦距原理图 图14-2 自准直法测凸透镜焦距原理图 (1)物距-像距法根据成像公式,直接测量物距和像距,并求得透镜的焦距。 共轭法(位移法)由图14-1 可见,物屏和像屏距离为L(L

  4f),凸透镜在O 两个位置分别在像屏上成放大和缩小的像,由凸透镜成像公式,成放大的像时,有 位于凸透镜L焦平面上的物体 AB 上(实验中用一个圆内三个圆心角为 60的扇形)各点发出的光线,经透镜折射后成为平行光束(包括不同方向的平行光), 由平面镜 反射回去仍为平行光束,经透镜会聚必成一个倒立等大的实像于原焦平面上,这时像的中心与透镜光心的距离就是焦距f(如图14-2)。 通常凹透镜所成的是虚像,像屏接收不到,只有与凸透镜组合起来才可能成实像。凹透镜的发散作用同凸透镜的会聚特性结合得好时,屏上才会出现清晰的 像(如图14-3 所示)。测凹透镜焦距的自准法就成为测凸、凹透镜组特定位置时 图14-3自准直法测凹透镜焦距原理图 来自物点S 的光线经凸透镜成像于P 和平面镜M,仅移动 使得由平面镜反射回去的光线再经L 透镜组来说,S点则为其焦点,在 间的光线也一定为平行光,对于 凹透镜的焦点P,它与光心O 的距离就为该凹透镜的焦距f。(2)物距-像距法 图14-4 物距-像距法测凹透镜焦距原理图 将凹透镜与凸透镜组成透镜组,这就可以用成像法测凹透镜的焦距。如图 14-4 所示,先用凸透镜L 使物AB成缩小倒立的实像A’B’,然后将待测凹透镜 为凹透镜焦距),则通过L ,代入成像公式(14-1)即能计算出凹透镜焦距f 三、实验仪器介绍光学平台、溴钨灯、薄凸透镜、平面镜、物屏、白屏、二维调节架、二维平 移底座、三位平移底座等。 1.白光光源 S(GY-6A) P(SZ-14)3.凸透镜 架(SZ-08)5.平面镜M 6.二维调节架(SZ-16) 二维平移底座(SZ-02)8.三维平 移底座(SZ-01) 9-10.通用底座(SZ-04) 四、实验任务 1、学平台上,调节实验中用到的透镜、物和像屏的中心使之位于平行于光学平 台的同一直线上,此即为共轴调节。 粗调:让所需调整仪器彼此靠近,通过眼睛观察和判断,将透镜、物、像屏的几何中心调至等高位置上,并使其所在平面彼此平行,这就达到了彼此平 行且中心等高。 细调:依靠仪器和光学成像规律来鉴别和调节。可以利用多次成像的方法,即只有当物的中心位于光轴上时,多次成像时像的中心才会重合在一起。 也可分别利用自准法测凸透镜和凹透镜焦距的原理,调节透镜高低使得所成像与 物互补即中心重合。 2、法测凸透镜的焦距。固定物屏与像屏之间的距离L,粗略估计凸透镜焦距f, 满足L

  4f,但不宜过大否则成像不清,略大一些即可。在物屏与像屏之间 移动透镜,记下成放大像与缩小像时透镜的位置,算出两位置之差 共轭成像关系可得出计算焦距f的公式。由D 可算出f,而不必测物距和像距,这样就避免了因凸透镜光心位置的不确定带来物距(u)和像距(v)的误差。 个不同的L,分别各测1次。将所测得的数据填入自己设计的表格,并计算 出焦距f。 3、自准法测凸透镜的焦距。自准法测凸透镜焦距就是用平面镜取代像屏,调整 物与透镜的距离,直到在物屏上成一个清晰、倒立且与物等大的像(即像与物互 补形成一个完整的圆),重复测量 次将所测得的数据填入自己设计的表格,并计算出焦距f。 五、数据记录与处理 仅以物距-像距法为例,给出数据处理方法,其他方法的数据处理参照表14-1 设计并分析计算。 表14-1物距-像距法测凸透镜焦距 凸透镜一: 次数 u/cm v/cm f/cm 平均值表14-2 物距-像距法测凸透镜焦距 凸透镜二 次数 u/cm v/cm f/cm 六、思考题1、共轭法测凸透镜焦距时,物屏像屏间的距离L 为什么要略大于四倍焦距? 2、采用自准法测量时,当物屏与透镜之间的间距小于 时,也可能成像,且将平面镜移去,像依然存在,这是什么原因造成的? 3、共轭法测量与物象法相比,有何优点? 4、日常生活中常用眼镜的度数值来表示该眼镜片的焦距,其换算方法:眼镜的 度数等于镜片焦距(以米为单位)的倒数乘以 100。例如焦距为 0.5m 的凹透镜 所对应的度数为-200 度,也就是通常的 200 度近片。你能否利用前面所 述实验原理,测出老花镜和近镜片的度数呢? 七、注意事项 1、共轴调节要认真细致。在粗调的基础上,还要根据放大像和缩小像中心位置 是否重合来进行细调。 2、爱护光学元件,不准用手或硬物直接接触光学元件的表面。 3、爱护光学平台的调节底座。 参考文献 1、李学慧.大学物理实验.北京:高等教育出版社,2005.141-146. 2、沈元华,陆申龙.基础物理实验.北京:高等教育出版社,2003.226-230. 3、孙晶华.操纵物理仪器,获取实验方法—物理实验教程.北京:国防工业出 版社,2009.139-145. 4、吕斯骅,段家怟.新编基础物理实验.北京:高等教育出版社,2006.45-50.

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