薄透镜焦距测量实验讨论

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1、薄透镜焦距测量实验讨论【摘要】本文从薄透镜焦距的测量实验光学系统共轴调节出发，探讨了"像中心”、“像清晰度”等对该实验测量结果产生影响的因素。从凸透镜的成像规律出发，在传统的“物距像距法”的基础上，提出了一种新的“两次成像作图法”测量凸透镜焦距。结果表明，“两次成像作图法”可以较直观的判断出测量结果是否准确。【关键词】薄透镜共辄法两次成像作图法【中图分类号】G642【文献标识码】A【文章编号】1006-9682(2012)11-0048-02一、引言在众多大学物理实验中，"薄透镜焦距的测量实验”是光学实验的基础组成部分。透镜是最基本的光学元件之一，透镜的成像规律，又是许多光学仪器的

2、理论基础和设计依据。我们知道，透镜分为凸透镜和凹透镜两种，望远镜和显微镜就是由两面不同焦距的凸透镜排列组合而成。更多的透镜、更多的排列组合还能构成多种多样的光路系统，只有掌握了基础的透镜成像规律，才能设计出符合实际需要的光学器件。二、共辄法调共轴本实验研究的透镜都是薄透镜，薄透镜是指其厚度比焦距或两折射球面的曲率半径小得多的透镜。在研究透镜焦距时，可以忽略透镜实际厚度对其成像的影响。［1］对凸透镜和凹透镜来说，其焦距可以用一个统一的公式来表示。即：（1）其中，U表示物距（实物为正、虚物为负）；V表示像距（实像为正、虚像为负）；f表示焦距（凸透镜为正、凹透镜为负）。此公式为薄透镜成像

3、的基本公式，它的成立条件是入射光必须为近光轴光线。即入射光与薄透镜的主光轴（通过薄透镜中心并且垂直于镜面的直线）平行或成一个很小的夹角。实验中通过调节光学系统各个元件的同轴等高，使近光轴光线条件得以实现。以一个凸透镜的光学系统为例，一般,光学系统的同轴等高调节分为粗调和细调两个部分。粗调，就是通过调节各元件的高低和左右位置，使光源、物屏上“物”的中心、透镜中心、像屏中心大致在一条和光具座滑轨平行的直线上。细调，则是利用透镜成像的共辄原理进行调节。如果物的中心偏离透镜的光轴，那么移动透镜使两次成像，像的中心位置会不同，即大像和小像中心不重合。这时用"大像追小像，中心相重合”的办法调节

4、透镜，使两次成像的像中心重合。此时凸透镜的主光轴与光具座平行，而且物的中心在凸透镜的主光轴上。这里，不管是粗调还是细调，都涉及到“中心”。尤其是细调时，应观察“大像中心”与“小像中心”是否重合。因为只有在“大像中心”与“小像中心”重合于像屏上的同一位置时，光学系统才满足'‘入射光为近光轴光线”这个成立条件。因此，本文提出几个注意点，供大家参考：①物屏上的“物”必须是规则的“物”，能够方便找出"物”的中心，如X字形、Y字形等具有交叉、汇聚中心的图案；②像屏必须带刻度线，能够准确读出"像”的中心位置；③最重要的是，使用共馳法时不要让物屏与像屏间隔太远，即大像与小像不要相差太多。如果大像

5、太大，其中心位置所占区域就很大，此时很难准确读出大像中心的位置。只有在大像和小像相差不大的情况下，两个像的中心位置才能较准确的读出。三、两次成像作图法由实际光线汇聚成的像，称为实像，能用光屏承接；反之，则称为虚像，只能由眼睛感觉。［2］凸透镜成像规律为:物体放在焦点之外，在凸透镜另一侧成倒立的实像，实像有缩小、等大、放大三种，物距越小，像距越大，实像越大。物体放在焦点之内，在凸透镜同一侧成正立放大的虚像，物距越大，像距越大，虚像越大。大学物理实验中，研究凸透镜的成像规律，普遍使用的一种方法是“物距像距法”。即通过选取某个合适的物距值u,然后调节像屏位置，使凸透镜成清晰实像，读出此时

6、的像距值V,并在2f

7、实像进行测量，结果比较准确。使用缩小实像进行测量，像的清晰范围较小，在这个范围里，采用“左右逼近”的方法，能更加准确地读出像的准确位置。即通过移动像屏位置，找出清晰像的左右极限位置,准确成像位置为这段左右极限位置的中点O使用"物距像距法”测凸透镜焦距时，还有一种更加简便的方法，无需通过计算，可以直接作图读出凸透镜焦距。如下图所示，使用两次成像的方法（不是前文提到的共辄法），分别测出两次成像的物距值ul、u2和两次成像相对应的像距值vl.v2,通过两条直线的交点坐标，就