薄透镜焦距的测量

大学物理普通物理实验薄透镜焦距的测量实验报告内容包含：实验目的、实验仪器、实验原理，实验内容、实验步骤、实验数据整理与归纳（数据、图表、计算等）、实验结果分析、实验思考题、实验心得。【实验目的】1. 通过基本光学仪器，了解光学基本操作规程；2. 学习简单光学系统的共轴等高调节方法；3. 学习用自准法、共轭法、辅助透镜成像法等测量透镜焦距；4. 观察透镜成像，加深对薄透镜成像规律的理解。【实验仪器】光具座、凸透镜、物屏、像屏、平面镜、钠光灯和读数小灯（或手电筒）等。【实验原理】1. 薄透镜成像公式当透镜的厚度与其焦距相比甚小时，这种透镜称为薄透镜。在近轴光线（指通过透镜中心部分并与主光轴夹角很小的那一部分光线）的条件下，薄透镜成像公式为1f = 1u +1v （3-1）式（3-1）中1f为薄透镜的焦距，u为物距，v为像距，f、u、v均从透镜的光心算起，其正负号的规定如下表。参量fuV正号（+）凸透镜实物实像负号（-）凹透镜虚物虚像为方便计算，将透镜成像公式变形为f=uvu+v （3-2）2. 凸透镜焦距的测量原理及测量方法（1）物距像距法物体发出的光线经凸透镜会聚后将成实像与另一侧，测出此时的物距u和像距v，由透镜成像公式（3-2）算出凸透镜的焦距。（2）自准法（平面镜法）根据光的可逆性测定凸透镜的焦距，如图3-1所示。以狭缝光源s作为物，并置于凸透镜的焦平面时，由s发出的光通过凸透镜后将成为一束平行光束。若用与凸透镜主光轴垂直的平面镜，将此平行光沿原来的路线反射回去。反射光再次通过凸透镜后，仍会聚与凸透镜打的焦平面上。测出此时物s与凸透镜之间的距离so,这就是凸透镜的焦距f。此方法是利用调节实验装置本身，使之产生平行光，以达到调节目的，所以称为自准法。 图3-1 自准法测焦距 图3-2 共轭法测焦距（3）共轭法（二次成像法）如3-2所示，当物像间距D大于4倍焦距f,即D4f时，透镜在两个位置上均能对给定物成理想像于给定的像平面上。两次应用高斯公式并以几何关系和坐标代入，则得到（3-3）xo和xL取值不变(取整数)，xi取一组测量平均值。【实验内容】1. 简单光学系统的共轴等高调节（1）粗调：将光源透镜物屏、像屏靠近，调节高度使其中心线处于一条直线上。（2）细调：主要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，多次成像的中心才会重合。2. 凸透镜焦距的测定1）自准法（1）按光源、物屏、透镜、平面镜从左到右摆放仪器，调至共轴。（2）靠紧尺子移动L直至物屏上获得镂空图案倒立实像。（3）调平面镜与凸透镜，使像最清晰且与物等大，充满同一圆面积。（4）记下P、L位置a1、a2;（5）将PL反转180度后，重复前四步。（6）记下P、L新的位置b1、b2.重复测量5次，数据记入表中，求出平均值机器误差，正确表示测量结果。2)共轭法按照图3-2固定好物屏、像屏，使两者距离D应大于4f。根据式（3-3）计算焦距f，并与自准法结果相比较。3）物距像距法如图3-3布置光路，固定物和透镜的位置，使它们之间的距离约为焦距的2倍；移动像屏使成像清晰；调透镜的高度，使物和像的中点等高；左右调节透镜和物屏，使物与像中点连线与光具座的轴线平行；用左右逼近法确定成理想像时，读像屏的坐标。重复测量5次。图3-3 物距像距法测凸透镜焦距【实验数据整理与归纳】（1）自准法测凸透镜的焦距（左右迫近法）物屏所在位置：109 cm 单位：cm测量次数自左向右自右向左物屏与透镜距离平均值（即焦距f）焦距f的平均值刚清晰成像的读数物屏与透镜距离（SO）刚清晰成像的读数物屏与透镜距离（SO）199.49.699.39.79.659.65299.39.799.49.69.65399.29.899.59.59.65499.19.999.69.49.65599.01099.79.39.65（2）共轭法测凸透镜焦距物屏位置像屏位置物像距离L测量次数透镜位置透镜位置大小像距离C平均值C焦距（f）109.266.942.3194.780.614.114.210.56294.480.513.9394.880.114.7494.880.714.1594.480.214.2（3）物距、像距法测凸透镜焦距物屏的位置：114.7cm 像屏位置：74.1cm 单位：cm凸透镜位置测量次数物距（u）像距（v）焦距（f）平均值98.8115.924.79.679.699215.724.99.6399.1315.625.09.6199.3415.425.29.5699.4515.325.39.53【实验心得】通过薄透镜焦距的测量的实验，逐步了解了光学基本操作规程，学习了简单光学系统的共轴等高调节方法，学习实践了用自准法、共轭法、物距像距法测量凸透镜焦距。并且，通过观察透镜成像，加深了对薄透镜成像规律的理解。5