薄透鏡焦距的測定.ppt

薄透鏡焦距的測定 Determining the focal length of thin lens,透鏡是組成光學(xué)儀器的基本元件之一，標(biāo)志透鏡性質(zhì)的一個(gè)重要參數(shù)是焦距。了解透鏡成像規(guī)律，掌握光路調(diào)整和焦距測量方法，對于了解、使用和設(shè)計(jì)光學(xué)儀器有很大的幫助。本實(shí)驗(yàn)僅測量薄透鏡的焦距。,加深理解薄透鏡的成像規(guī)律； 學(xué)會(huì)光學(xué)元件的共軸調(diào)節(jié)技術(shù)； 掌握測量薄透鏡焦距的基本方法。,實(shí)驗(yàn)?zāi)康?實(shí)驗(yàn)儀器,光具座，凸透鏡、凹透鏡， 平面反射鏡，光源，帶箭矢孔的物屏，光屏。,實(shí)驗(yàn)原理,準(zhǔn)備知識 薄透鏡：透鏡中心厚度比透鏡的焦距或曲率半徑小很多的透鏡。 透鏡分為凸透鏡和凹透鏡兩類： 凸透鏡：中間厚、邊緣薄，對光線有會(huì)聚作用，又稱為會(huì)聚透鏡； 凹透鏡：中間薄、邊緣厚，對光線有發(fā)散作用，又稱為發(fā)散透鏡。 有關(guān)透鏡的一些名詞解釋： 主光軸：通過透鏡兩個(gè)折射球面的球心的直線，叫透鏡的主光軸 光心： 光線通過主光軸上某一特殊點(diǎn)，而不改變方向，這個(gè)點(diǎn)叫 透鏡的光心。 副光軸：除主光軸外通過光心的其他直線叫副光軸。,近軸光線：一般使用透鏡時(shí)，物體都在主光軸附近，入射光線的入射角很小，這樣的光線叫近軸光線。 焦點(diǎn)：平行于主光軸的近軸光線，通過透鏡后會(huì)聚（或發(fā)散，這時(shí)其反向延長線會(huì)聚）于主光軸上的點(diǎn)，叫主焦點(diǎn)F，如下圖所示。每個(gè)透鏡都有分居透鏡兩側(cè)的兩個(gè)主焦點(diǎn)。 焦距：光心O到主焦點(diǎn)F間的距離叫焦距（用字母f表示）。每個(gè)透鏡有兩個(gè)焦距。薄透鏡兩側(cè)的媒質(zhì)相同時(shí)，兩個(gè)焦距相等。,焦平面 焦平面 F O f f,(a) 凸透鏡的焦點(diǎn) (b) 凹透鏡的焦點(diǎn) 圖 透鏡的焦點(diǎn)及焦平面,光路可逆原理：在反射和折射定律中，光線如果沿反射和 折射方向入射，則相應(yīng)的反射和折射光將沿原來的入射方向。這就是說，如果物點(diǎn)Q發(fā)出的光經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)后在Q點(diǎn)成像，則Q點(diǎn)發(fā)出的光線經(jīng)同一光學(xué)系統(tǒng)后必然會(huì)在Q點(diǎn)成像，即物和像之間是共軛的。,光路圖： （1）平行于主光軸的光線經(jīng)透鏡折射后過透鏡的焦點(diǎn)； （2）過透鏡光心的光線經(jīng)透鏡時(shí)不改變方向。,2. 薄透鏡成像公式 當(dāng)透鏡的厚度遠(yuǎn)比其焦距小得多時(shí),這種透鏡稱為薄透鏡。 在近軸光線的條件下,薄透鏡成像的規(guī)律可表示為,u、v 分別為物距和像距，實(shí)物與實(shí)像時(shí)取正，虛物與虛像時(shí)取負(fù)；f 為透鏡焦距，凸透鏡取正，凹透鏡取負(fù) 。,實(shí)驗(yàn)原理,實(shí)驗(yàn)原理,將物AB放在凸透鏡的前焦平面上,這時(shí)物上任一點(diǎn)發(fā)出的光束經(jīng)透鏡后成為平行光,由平面鏡反射后再經(jīng)透鏡會(huì)聚于透鏡的前焦平面上, 得到一個(gè)大小與原物相同的倒立實(shí)像AB。此時(shí), 物屏到透鏡之間的距離就等于透鏡的焦距f。,3. 凸透鏡焦距的測定 1) 自準(zhǔn)法,2）共軛法,物與像屏距離L大于4倍焦距，即L4f ，固定物與像屏位置不變，移動(dòng)凸透鏡，將在屏上出現(xiàn)兩次成像。,共軛法又叫位移法、二次成像法或貝塞爾法,為凹透鏡的虛物，物距為負(fù)值,實(shí)驗(yàn)原理,4. 凹透鏡焦距的測定(組合法),1. 同軸等高的調(diào)節(jié) 薄透鏡成像公式僅在近軸光線的條件下成立。對幾個(gè)光學(xué)元件組成的光路,應(yīng)使各光學(xué)元件的主光軸重合,才能滿足近軸光線的要求。習(xí)慣上把各光學(xué)元件主光軸的重合稱為同軸等高。,實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,（1）粗調(diào)： 在光具座上使各光具盡量靠攏，用眼睛觀察各光學(xué)器件是否與箭矢物AB的中間點(diǎn)等高共軸。 等高調(diào)節(jié)：升降調(diào)節(jié)各光學(xué)器件與箭矢物AB的中間點(diǎn)等高。 共軸調(diào)節(jié)：調(diào)節(jié)各光學(xué)器件支架底座位移調(diào)節(jié)螺釘，使各光學(xué)器件的中心及箭矢物AB位于光具座中心軸線上，再調(diào)節(jié)各光學(xué)器件表面與光具座中心軸線垂直。,（2）細(xì)調(diào)：,根據(jù)二次成像規(guī)律，首先取箭矢物AB到光屏P的距離為L4f后，兩者固定。 凸透鏡放在物與光屏間，移動(dòng)凸透鏡使光屏上看到放大和縮小的像，調(diào)節(jié)各光學(xué)器件支架底座位移調(diào)節(jié)螺釘及支架的高低位置，使光屏上看到放大和縮小像的中心點(diǎn)重合。（大像追小像） 同理調(diào)節(jié)凹透鏡共軸，同軸等高的調(diào)節(jié)完成。,如大像中心偏上（下），透鏡光心就偏上（下）。,2、自準(zhǔn)直法測凸透鏡焦距：,在物屏平面鏡之間移動(dòng)凸透鏡，直到在物屏上找到等大倒立聚焦清晰的像，測五次。,2、自準(zhǔn)直法測凸透鏡焦距：,在實(shí)際測量時(shí)，由于對成像清晰程度的判斷總有一定的誤差，故采用左右逼近法讀數(shù)。 先使透鏡從左向右移動(dòng)，當(dāng)像剛清晰時(shí)，記下透鏡位置的讀數(shù)。繼續(xù)向右移動(dòng)使像由清晰變模糊，再使透鏡從右向左移動(dòng)，當(dāng)像剛清晰時(shí)再記下讀數(shù)，取這兩次讀數(shù)的平均值作為成像清晰時(shí)凸透鏡的位置。,數(shù)據(jù)記錄自準(zhǔn)法,(單位cm),數(shù)據(jù)處理自準(zhǔn)法,求凸透鏡的焦距f及其不確定度,合成不確定度,相對不確定度,結(jié)果：,3、共軛法測凸透鏡焦距： 物與屏間距大于4倍焦距，并保持不變（多次測量時(shí)）。 移動(dòng)透鏡，當(dāng)白屏上出現(xiàn)清晰的放大和縮小的像時(shí)，記錄透鏡位置。重復(fù)次。,數(shù)據(jù)記錄共軛法,(單位cm),求凸透鏡的焦距f及其不確定度,數(shù)據(jù)處理共軛法,間接測量不確定的估算,數(shù)據(jù)處理共軛法,結(jié)果：,4、組合法測凹透鏡焦距： 物經(jīng)過凸透鏡成的小像位置 測5次，放上凹透鏡到合適的位置，移動(dòng)像屏使像清晰，凹透鏡的位置 測5次，大像的位置 測1次。,數(shù)據(jù)記錄組合法,(單位cm),求凸透鏡的焦距f及其不確定度,數(shù)據(jù)處理組合法,注意： 為負(fù),間接測量不確定的估算,數(shù)據(jù)處理共軛法,結(jié)果：,實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng),1、自準(zhǔn)法中，平面鏡與透鏡的間距大小，從理論上講不影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果，但為了減少光能的損失，保證像的亮度和清晰程度，間距的取值不宜太大。 2、共軛法中，間距L不要取得太大，否則將使一個(gè)象縮得很小，以致難以確定凸透鏡在哪一個(gè)位置上時(shí)成象最清晰。 3、清晰像的判斷：邊界清晰、不變形、亮度高。用左右逼近法讀數(shù)。 4、透鏡不用時(shí),應(yīng)將其放在光具座的另一端。 5、愛護(hù)儀器，禁止用手或其他東西擦拭透鏡表面，只能用鏡頭紙擦。,思考題,1、分析測焦距時(shí)存在誤差的主要原因。 2、在什么條件下，物點(diǎn)發(fā)出的光線通過由凸透鏡