透镜焦距参数的测定

Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,大学物理实验教学中心,College experiment&teaching center,实验,(,编号,)6,透镜焦距参数的测定,几何光学是光学的一大分支，它仅限于研究几何尺寸远远大于所用光波波长的对象，可借助几何学得出近似的结果。本实验就是利用这个原理，对一些透镜的参数进行测量。透镜是使用最广泛的一种光学元件，眼球也是一种透镜，人们正是通过这一对透镜来观察周围世界。透镜及各种透镜组合可形成放大的或缩小的实像及虚像。人类就是利用透镜及其组合观察到遥远宇宙中星体的运行情况以及肉眼看不见的微观世界。描述透镜特性的一个重要参数是焦距。由于使用目的和条件的不同，需要选择不同焦距的透镜或透镜组，因此必须理解透镜的成像规律，掌握光路调整技术以及透镜焦距的测量方法。各种光学仪器，例如望远镜、显微镜、照相机等都是由透镜或透镜组等主要元件所组成的。,实验简介,2,1.学会光学元件的共轴调节,2.掌握测量薄透镜焦距的根本方法,3.了解视差在光学实验中的应用,4.组合望远镜、显微镜了解根本光路的组成。,实验目的和意义,3,实验原理及设计,由两个共轴折射球面构成的光学系统称为透镜。当透镜的两个折射面在其光轴上的间隔即厚度与透镜的焦距相比可忽略时，称为薄透镜。在近轴光线条件下，薄透镜成像的规 律可用高斯公式为：,式中u为物距，为像距，f为透镜的焦距。u、v和f均从透点算起。,符号规定：距离自参考点透镜的光心量起，与光线进行方向一致为正，反之为负。运算时量须加符号，未知量那么根据求得的结果中的符号判断其物理意义。,4,实验仪器及设备,光学平台及附件,5,实验内容及步骤,一光学系统共轴等高调节,二测量会聚透镜焦距的方法,三测量发散透镜的方法,四显微镜、望远镜、投影仪组合,6,一光学系统共轴等高调节,薄透镜成像公式仅在近轴光线条件下才能成立，这就要求光具座上各光学元件必须共轴等高。对于一个透镜的光路，因物光处于该透镜的主光轴上，一般只要在光源前面加一光栏，挡住边缘光线，使入射光与主光轴的夹角很小就可以。对于由几个透镜组成的光路，除了上述条件外，还要求各元件主光轴重合，同时还应使主光轴与光具座的导轨平行，方能满足近轴光线的要求。习惯上把各光学元件的主光轴重合称为共轴等高，调节步骤是：,1粗调：,把凸透镜、物(带有光栏的网格屏)、像屏等元件安放在光具座上，并将它们全靠拢在一起，调节各元件的上下和前后位置，用眼睛判断，使各元件中心根本在平行于导轨的一条直线上，而且各元件平面又与导轨垂直。,实验操作过程,7,2细调：,利用透镜成像的共轭法进行细调。按图3-5-4光路摆好元件，物与像屏之间距离D固定在略大于4f的位置上,移动凸透镜，使两次成像的位置重合(即观察两次成像的网格屏直角交点重合)，说明各元件已共轴等高；如不重合，可先移动透镜在屏上成缩小像，调节像屏使屏上十字线交点对准小像的网格直角交点，然后移动透镜在屏上成放大像，此时调节透镜的上下和前后位置，使放大像的网格直角交点与屏上的十字线交点重合；再次移动透镜在屏上成缩小像，同样使屏上十字线交点与之对准，再次移动透镜在屏上得放大的像，同样调节透镜使之重合。如此反复，直至两次成像时的交点位置重合，说明各元件已经共轴等高。在以后的实验中，这些元件的上下、上下、左右位置不能再动，否那么破坏了共轴等高条件。,8,二测量会聚透镜焦距的方法,1利用物距、像距测焦距,利用光具座做凸透镜成实像的实验，测量并记录成像时的物距u和像距v，根据透镜成像公式,计算出透镜焦距f，屡次测量后取平均值。,9,2,利用共轭法测焦距,利用光具座固定好光源和光屏位置，测量出它们的间距,L,。将待测焦距的凸透镜放在其间，沿主轴移动凸透镜，使光屏上两次呈现出光源倒立的像。记录两次成像时透镜的位置，由此求出两次成像过程中透镜移动的距离,d,，根据公式可计算出凸透镜焦距,f,，这个方法叫共轭法。这是实验室中常用的测凸透镜焦距的方法之一,10,3利用自准直法测焦距,将一物体放置在透镜L的物方焦平面上时，由物体发出的光经透镜后将成为平行光；如果在透镜后面放一与透镜光轴垂直的平面反射镜M，那么平行光经M反射后将沿原来的路线反方向进行，并成像于物体的平面上，物与L的距离就是透镜L的焦距。这个方法是利用调节实验装置本身产生平行光到达调焦距的目的，所以称为自准直法。,11,三测量发散透镜的方法,1由辅助透镜成像测焦距,设物体P发出的光经辅助透镜L1后成实像于P，而加上待测透镜的发散透镜后成实像于P，那么P和P相对于L来说是虚像和实像，分别测出L到P和P的距离，根据公式1即可算出L的像方焦距L。,12,2由平面镜辅助确定虚像位置测焦距,物P经待测发散透镜L成正立的虚像于P，假设在L前放置指针Q和平面镜M，那么观察者在E处可同时看到P与Q在M镜中的反射像Q，移动Q调节Q，用视差法使P与Q重合，从而根据平面镜成像的对称性求出虚像的像距OP，由公式1计算像方焦距f.,四显微镜、望远镜、投影仪组合,通过显微镜、望远镜、投影仪的组合，了解根本光路的组合、调节和使用。,13,1.如会聚透镜的焦距大于光具座的长度，试设计一个实验，在光具座上能测定它的焦距。,2.在会会聚透镜的焦距中，如果光路调节的很好，用 三种方法测量的结果误差间有何关系？如果不是这样，是什么 原因造成的。,3.用共轭法测凸透镜焦距f时，为什么要取?如,果 ,，将会出现什么现象?实际测量时，为何不取?,4.在由辅助透镜成像测焦距测凹透镜焦距时，假设的长度恰好等于该凹透镜的焦距时，将会出现什么现象?由此可否想到另一种测凹透镜焦距的方法。,实验分析与思考,14,