实验一薄透镜焦距的测量-物理学实验中心.PDF

实验一 薄透镜焦距的测量 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共轴调节的方法。 二、实验原理 1、 薄透镜成像原理及其成像公式 将玻璃等一些透明的物质磨成薄片，其表面都是球面或有一面为平面的就成 了透镜，有中央厚、边缘薄的凸透镜和边缘厚、中央薄的凹透镜两大类。称连接 透镜两球面曲率中心的直线叫做透镜的主光轴，透镜两表面在其主轴上的间距叫 透镜厚度。厚度与球面的曲率半径相比可以忽略不计的透镜称为薄透镜。薄透镜 两球面的曲率中心几乎重合为一点，这个点叫做透镜的光心。 实验中透镜两边媒质皆为空气。凸透镜亦称为会聚透镜，凹透镜亦称为发散透镜。 如图1所示，平行于凸透镜主光轴的一束光入射凸透镜，折射后会聚于主光轴上， 会聚的光线与主光轴的交点即为凸透镜的焦点 ，焦点 到光心的距离为焦距 。 如图2所示，平行于凹透镜主光轴的一束光入射凹透镜折射后成为发散光，发散 光线的反向延长线与主光轴的交点即为凹透镜的焦点 ， 与凹透镜光心的距 离为焦距 。 在近轴光线条件下，薄透镜的成像公式为： 式中 为物距， 为像距 为焦距，对于凸透镜、凹透镜而言， 恒为正值， 像为实像时 为正，像为虚像时 为负，对于凸透镜 恒为正，凹透镜 恒为负。 2、 测量凸透镜焦距的原理 （1） 自准法 位于凸透镜 焦平面上的物体 上 （实验中用一个圆内三个圆心角为 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 （如图3） 。 （2）共轭法 （位移法） 由图4可见，物屏和像屏距离为 （ ），凸透镜在 、 两个位置分别 在像屏上成放大和缩小的像，由凸透镜成像公式可得： 成放大的像时，有 成缩小的像时，有 又由于 可得 3、 测量凹透镜焦距的原理 （1）自准法 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5 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的自准法了。 来自物点 的光线经凸透镜成像于 点，在 和点 间置一凹透镜 和平 面镜 ，仅移动 使得由平面镜 反射回去的光线再经 、 后成像 于物 点 处。对于这时的 和 透镜组来说， 点则为其焦点，在 与 间的光线 也一定为平行光，对于 来说，从 反射回去的平行光线入射 成虚象于 点， 即凹透镜的焦点 ，它与光心 的距离就为该凹透镜的焦距 。 (2)物距-像距法 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6所示， 来自物点 的光线经过凸透镜 成像于 点 ，在 与 点之间放入待测凹透 镜 ，移动 可在像屏上找到经透镜组所成的像 ，此时由于 的发散作用， 所成的像从 处移至 处。对于 而言，假想将物放在 处，则物发出的光线 入射 发散后反向延长相交于 点 （即成像于此），这里 与 即分别为 物距 和像距 ，利用透镜成像公式即可求出凹透镜的焦距 。 三、实验装置 光具座，溴钨灯，凸透镜，凹透镜， 平面镜，物屏，白屏，二维架，三维调 节架，二维平移底座，三维平移底座， 通用底座，升降调节座。 四、实验内容 1、在光学平台上，调节实验中用到的 透镜，物的中心，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。 （1）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。 （2）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、用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3次。 3、用共轭法测凸透镜的焦距。固定物屏与像屏之间的距离A ，粗略估计凸透镜 焦距 ，使 满足 ，但不宜过大否则