《《大學(xué)物理實驗》20實驗二十薄透鏡焦距的測定》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《《大學(xué)物理實驗》20實驗二十薄透鏡焦距的測定（7頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

1、實驗二十薄透鏡焦距的測量 焦距是指透鏡的主點到焦點的距離，是透鏡的重要參數(shù)之一，透鏡的成像位置及性質(zhì) （大小、虛實）均與其有關(guān)。焦距測量的準(zhǔn)確性取決于主點及焦點 （或像點）的定位是否準(zhǔn)確。 本實驗介紹了測量透鏡焦距的多種方法，并比較各種方法的優(yōu)缺點。 、實驗?zāi)康? 1 ?學(xué)習(xí)透鏡方面的基本知識。 2 ?掌握薄透鏡的焦距的幾種測量方法。 二、實驗原理 （一）薄透鏡成像規(guī)律 薄透鏡是指透鏡中心厚度 d比透鏡焦距f小很多的透鏡。透鏡分為兩大類：一類是凸 透鏡（也稱為正透鏡或會聚透鏡），對光線起會聚作用，焦距越短，會聚本領(lǐng)越大；另一 類是凹透鏡（也稱負(fù)透鏡或發(fā)散透鏡） ，對光線起發(fā)散作用

2、，焦距越短，發(fā)散本領(lǐng)越大。 在近軸光線（指通過透鏡中心并與主光軸成很小夾角的光束）的條件下，薄透鏡的成 像可表示為： 1 1 1 + =— P' P f 式中P'為像距，P為物距，f為（像方）焦距。各線距均從透鏡中心 （光心）量起，與光線 進(jìn)行方向一致為正，反之為負(fù)。 （二）薄透鏡焦距的測量原理 1. 凸透鏡的焦距測量 （1 ）粗測法： 當(dāng)物距p趨向無窮大時，由（1）式可得：f = P',即無窮遠(yuǎn)處的物體成像在透鏡的焦 平面上。用這種方法測得的結(jié)果一般只有 1?2位有效數(shù)字。由于這種方法誤差較大，大 都用在實驗前作粗略估計，如挑選透鏡等。 （2）公式法 根據(jù)（1）式，則薄

3、透鏡焦距為 f亠 P + P' 若在實驗中分別測出物距 P和像距P',即可用式（2）求出該透鏡的焦距f。 （3）自準(zhǔn)法 如圖1所示，在透鏡 L的一側(cè)放置被光源照亮的物屏 AB，在另一側(cè)放置一塊平面鏡 175 L1 L2 縮小像 放大像 AB上任一點 M。移動透鏡的位置即可改變物距的大小。當(dāng)物距等于透鏡的焦距時，物屏 177 L1 L2 發(fā)出的光，經(jīng)透鏡折射后成為平行光；再經(jīng)平面鏡反射，反射光經(jīng)透鏡折射后重新會聚。 由透鏡成像公式可知，會聚光線必在透鏡的焦平面上成一個與原物大小相等的倒立的實 像。此時，只需測出透鏡到物屏的距離，便可得到透鏡的焦距。該

4、方法的測量主要是透鏡 與物屏之間距離的測量，其結(jié)果可以有三位有效數(shù)字。 (4) 二次成像法(共軛法) 若保持物屏與像屏之間的距離 D不變且D>4 f ,沿光軸方向移動透鏡，可以在像屏上觀 察到二次成像：一次成放大的倒立實像，一次成縮小的倒立實像。如圖 2所示。在這種情 況下，透鏡的兩個位置對于物與像屏連線中點來說是對稱的。 物距為Pi時，得到放大的像; 物距為P2時，得到縮小的像，在二次成像時透鏡移動的距離為 L。貝U P = P2'和 P2 = R' D - L 二 P + P2‘= 2P R'= D- P1 = 再結(jié)合式(1) 不難得到透鏡的焦距為 2 2 ￡ D2

5、- L2 f = 4D 2?凹透鏡焦距的測量 上述四種方法要求物體經(jīng)透鏡后成實像，適于測量凸透鏡的焦距，而不適于測量凹透 鏡的焦距。為了測量凹透鏡的焦距，常用一個已知焦距的凸透鏡與之組合成為透鏡組，物 體發(fā)出的光線通過凸透鏡后會聚，再經(jīng)凹透鏡后成實像。如圖 3所示。若令S2(>0)為虛物 的物距，s2為像距，則凹透鏡的焦距為: f2'=- S2S2 S2 - S2 三、實驗儀器 光具座1個，滑塊4塊，光屏1個，光 源盒1個，遮光屏1個，透鏡座2個（凹透鏡 1塊，凸透鏡1塊），3V電源1個，手電筒1 個。 四、實驗內(nèi)容和步驟 1. 光具座上各光學(xué)元件同軸等高的調(diào)節(jié) 先

6、利用水平尺將光具座導(dǎo)軌在實驗桌上調(diào)節(jié)成水平， 然后進(jìn)行各光學(xué)元件同軸等高的 粗調(diào)和細(xì)調(diào)，直到各光學(xué)元件的光軸共軸，并與光具座導(dǎo)軌平行為止。光學(xué)系統(tǒng)的共軸 調(diào)節(jié)方法分為粗調(diào)和細(xì)調(diào)兩步。 （1）粗調(diào)：按圖4將光源、物屏、透鏡、像屏等光具夾固定好， 先將它們靠攏，調(diào)節(jié)各自的的高低、左右位置和取向，憑眼睛觀察，使 它們的中心處在一條和導(dǎo)軌平行的直線上，使透 鏡的主光軸與導(dǎo)軌平行，并且使物（或物屏）和 成像平面（或像屏）與導(dǎo)軌垂直。 （2）細(xì)調(diào)：如圖4（ a）所示，使D>4f（f為 透鏡的焦距），然后固定物屏和像屏。將凸透鏡沿 光軸移到。1或02位置都能在屏上成像，一次成大 像A1B1，一次成小像

7、A2B2。物點A位于光軸上，則 兩次像的A1和 A?點都在光軸上而且重合。如果物 點A不在透鏡的主光軸上，則兩次像的 A1和 A 2點 不重合，若觀察到大像的 A1點在小像A2的下面， 如圖4 （b）所示，可以看出物點 A在光軸之上， 這時應(yīng)升高透鏡，反之則應(yīng)升高降低透鏡。如此 反復(fù)調(diào)節(jié)透鏡高度，使大像的中心趨向小像中心 （大像追小像），直至 A2重合，即說明點A 已調(diào)到透鏡的主光軸上了。 2測凸透鏡的焦距（必做內(nèi)容） (a) （1）用自準(zhǔn)直測法測量凸透鏡的焦距。 將被光源照明的1字矢屏、凸透鏡和平面鏡 圖4共軸調(diào)節(jié) ，直至物旁出現(xiàn)清晰的像為止。 一次裝在光具座的支架上（平

8、面鏡要盡量的靠近凸透鏡） 測出此時的物距，即為透鏡的焦距。在實際測量時，由于眼睛對成像的清晰度的判斷不免 有些誤差，故常常采用左右逼近法讀數(shù)：使凸透鏡由坐向右移動，當(dāng)像剛清晰時停止，記 下透鏡的讀數(shù)，再使透鏡自右向左移動，在像剛清晰時又可讀一次讀數(shù)，取兩次讀數(shù)的平 均值作為成像清晰時凸透鏡的位置。重復(fù)測量三次。 ⑶通過測量物距、像距求凸透鏡的焦距。 將1字矢屏置于大于焦距處，固定物距 P不變，調(diào)整觀察屏的位置，用左右逼近讀數(shù) 法記錄成清晰像的位置。重復(fù)測量三次 （4）用二次成像法測量凸透鏡的焦距。 a.取1字矢屏到觀察屏之間的距離 D>4f，并測出D。 b ?固定D，移動透鏡的位置

9、，用左右逼近讀數(shù)法記錄呈清晰大像和小像時透鏡的位 置，即可出L。從而計算出f c.改變屏的位置，重復(fù)測 3次，求出f及其不確定度。 3.凹透鏡焦距的測量（選做內(nèi)容） 在凹透鏡焦距測量中，需要兩個透鏡共軸，首先采用大像追小像的方法，將物點 A 調(diào)到凸透鏡的主光軸上。然后增加凹透鏡（凹透鏡支座需采用二維可調(diào)節(jié)支座，以便于 左右調(diào)節(jié)），同樣根據(jù)軸上物點的像總在軸上的道理，采用大像追小像的方法，直至凹透 鏡中心在凸透鏡主光軸上。 a） 如圖3所示，調(diào)節(jié)各元件共軸后，暫不放入凹透鏡，并使物屏和像屏距離略大于 4 f。移動凸透鏡Li,使像屏上出現(xiàn)清晰的、倒立的、大小適中的實像 A'B',記下A

10、'B '的 位置。 b） 保持凸透鏡Li的位置不變，將凹透鏡 L2放入Li與像屏之間，移動像屏，使屏上重 新得到清晰、放大、倒立實像 A〃B〃，記錄A〃B〃的位置。 C）采用左右逼近法記錄凹透鏡 L2的位置Xl2和Xl2 '算出物距P和像距P；代入（2） 式求出f。 d）改變凹透鏡位置，重復(fù)測 3次，求f及其不確定度。 利用測得的凸透鏡的焦距值，測量凹透鏡的焦距。 五、實驗數(shù)據(jù)記錄及處理 1、 自準(zhǔn)直法： 物（像）屏位置讀數(shù) P= ，凸透鏡位置讀數(shù) F= , （透鏡轉(zhuǎn)180°讀數(shù)）凸透鏡位置讀數(shù) F = 。 則凸透鏡焦距f =匕^匸-P = 。 2 2、 二次成像法

11、（共軛法） 物屏位置讀數(shù)So= cm,像屏位置讀數(shù) P= cm, 則物屏與像屏距離D=|P-So|= cm 179 次 數(shù) 成大像時透鏡位置 d〃cm 成小像時透鏡位置 d2/cm 透鏡移動距離 L=|d1-d2|/cm 透鏡焦距f/cm 2 2 f1 = (D2-L2)/4D 1 2 3 4 5 凸透鏡焦距： h = 比 = fi=( ± ) cm 3、凹透鏡焦距的測量 光路圖見圖3。物屏位置讀數(shù)So= cm,凸透鏡Li位置讀數(shù) cm,成像A’B 位

12、置讀數(shù) cm。插入凹透鏡后(每次略改變位置)，凹透鏡位置讀數(shù)及成像 AB '處位 置讀數(shù)列于下表: 次數(shù) 凹透鏡位置讀數(shù) d〃cm AB '位置讀數(shù) d2/cm 虛物物距 S2=d1-So 像距/cm S2 =d1-d2 凹透鏡焦距 , S2S2 f2 =- /cm S2 - S2 1 2 3 4 5 凹透鏡焦距： f2 = , sf 2 = , f2=-( ± )cm 六、 注意事項 1、 安裝光具座時，應(yīng)輕拿輕放，不要相互碰撞，以免影響測量的準(zhǔn)確度。 2、 用戶長期不用時應(yīng)將儀器放在儀器箱內(nèi)保管。 3、 透鏡不使用時應(yīng)將其放在有干燥劑的箱子里存放，防止透鏡發(fā)霉，去除透鏡污垢 時要用專用紙或?qū)Ｓ苗R頭擦濕布以免損壞透鏡表面 七、 思考題 1、 能否用上述方法測量厚透鏡的焦距或透鏡組的焦距？ 2、 在自準(zhǔn)直法測量凸透鏡焦距時，如何判斷物屏上所成的像是透鏡的自準(zhǔn)直像？ 3、 在實驗中應(yīng)如何調(diào)節(jié)透鏡，使主光軸與光具座刻度尺平行，并使物平面與主光軸 垂直？ 4、 設(shè)計一個利用自準(zhǔn)直法測量凹透鏡焦距的實驗。 181