清華大學(xué)物理實驗A1透鏡焦距的測量實驗報告

1、透鏡焦距的測量實驗物理實驗報告清華大學(xué)透鏡焦距的測量實驗物理實驗完整報告班級姓名學(xué)號結(jié)稿日期： 透鏡焦距的測量實驗報告一、實驗?zāi)康?. 加深理解薄透鏡的成像規(guī)律；2. 學(xué)習(xí)簡單光路的分析和調(diào)節(jié)技術(shù)（主要是共軸調(diào)節(jié)和消視差）；3. 學(xué)習(xí)幾種測量透鏡焦距的方法。二、實驗原理1.薄透鏡成像規(guī)律：薄透鏡是指中央厚度d比透鏡焦距f小很多的透鏡。分為凹透鏡和凸透鏡。在近軸光線條件下，薄透鏡的成像規(guī)律為：式中，為線放大率，其余各個物理量正負(fù)作如下規(guī)定：物理量符號正負(fù)物距實物虛物像距實物虛物焦距凸透鏡凹透鏡物的大小光軸之上光軸之下像的大小光軸之上光軸之下本實驗中采用薄透鏡，因此都是從光心算起。在本實驗中，為了

2、盡可能滿足近軸條件，常采取兩個措施：(1)在透鏡前加一光闌以擋住邊緣光線；(2)調(diào)節(jié)各元器件使之共軸。以凸透鏡為例，薄透鏡成像規(guī)律如圖1所示。圖1 凸透鏡成像規(guī)律2.共軛法測凸透鏡的焦距原理：如圖2，使得物與屏距離并保持不變，令間的距離為,物到像的距離為，則根據(jù)共軛關(guān)系，有和。進(jìn)而推得：測量出和即可求得焦距。圖2 共軛法測量凸透鏡焦距3.焦距儀測凸透鏡焦距原理：如下圖3，由幾何關(guān)系，知：，且，所以，。式中為平行光管武警的焦距，為給出值。為用測微目鏡測得的同一對平行線的像的距離，為待測凸透鏡的焦距。圖3 焦距儀光路圖4.自準(zhǔn)法測凹透鏡焦距原理：如圖4，物屏上的箭矢經(jīng)過凸透鏡后成實像，圖中為的焦距

3、?，F(xiàn)將待測凹透鏡置于與之間，此時成為的虛物。若虛物正好在的焦平面上，則從出射的光將是平行光。若在后面垂直于光軸放置一個平面鏡，則該平行光經(jīng)反射并依次通過和，最后必然在物屏上成實像。這時，分別測出的位置及虛物的位置，則就是待測凹透鏡的焦距。圖4 自準(zhǔn)法測量凹透鏡焦距光路圖5.薄凹透鏡成像規(guī)律的研究為了使得從凹透鏡出射的光線匯聚并成實像，應(yīng)當(dāng)使用虛物。因此，如下圖5，先用凸透鏡成實像，再在實像和凸透鏡之間插入凹透鏡，左右移動光屏，找到清晰的實像。圖5薄凹透鏡成像規(guī)律（0pf）光路圖三、實驗儀器本實驗的實驗儀器有：導(dǎo)軌，滑塊，焦距儀（平行光管，測微目鏡），物屏，像屏，凸透鏡，凹透鏡，平面鏡等。四、數(shù)

4、據(jù)記錄和處理從待測凸透鏡處通過同時等速地移動物屏和像屏直至成清晰的和物體等大的實像為止，粗測得，所以粗略估計待測凸透鏡的焦距為。1.共軛法測凸透鏡焦距物屏位置； 像屏位置 測量序號123456凸透鏡位置72.7972.6072.7572.8572.8972.70凸透鏡位置64.7964.9564.8164.7064.8164.758.007.657.948.158.087.95計算得：,； 。實驗室給出的不確定度：，則，2.焦距儀法測凸透鏡焦距參看平行管上注明的參數(shù)得，平行管物鏡距離；玻羅板上所選的某一對平行線的線距。測量序號1234563.3493.3673.3393.3823.3323.3

5、698.9808.9918.9708.9858.9498.9855.6315.6245.6315.6035.6175.616計算得：； 。已知測微目鏡儀器誤差為,因而測一對平行線的距離的，則，3.自準(zhǔn)法測凹透鏡焦距物屏位置（即箭矢位置）； 凸透鏡位置;測量序號123456凹透鏡位置61.0261.1061.1661.0561.2061.30凹透鏡位置61.3061.5061.4661.6061.6061.9061.1661.3061.3161.32561.4061.60虛物位置39.2939.3639.3039.2639.2439.20計算得： 。已知光具座讀數(shù)誤差為0.05cm，則，4.薄凹

6、透鏡成像規(guī)律研究本次試驗研究的是時的.薄凹透鏡成像規(guī)律。箭矢屏的位置106.20cm；的位置，焦距為；的位置，焦距為；的位置，的位置；物距，（為虛物）；像距，（為實像）。由觀察得到結(jié)論：當(dāng)時凹透鏡成正立放大的實像。六、思考題1.為什么要調(diào)節(jié)共軸？調(diào)節(jié)共軸的主要步驟如何？怎么判斷物上的某一點已經(jīng)調(diào)至透鏡的光軸上了？依據(jù)的原理是什么？答：因為如果不共軸，（1）實驗中做的近軸光線假設(shè)不滿足；（2）有可能導(dǎo)致像不成在像屏上或者無法成在像屏上，不方便于像的大小比較；（3）不能用坐標(biāo)計算直接得到物距，像距，計算過程變得復(fù)雜；（4）成像質(zhì)量不是最好。調(diào)節(jié)共軸的主要步驟：（1）目測粗調(diào)使得幾個器件的中心大致重

7、合；（2）借助其他儀器或者成像規(guī)律細(xì)調(diào)。如果固定凸透鏡位置，水平移動凸透鏡，成兩個像，該點的兩個像都在主光軸上且重合，則該點已經(jīng)調(diào)至透鏡光軸上。依據(jù)的原理是凸透鏡成像原理。2.共軛法測量凸透鏡焦距時，為什么b應(yīng)略大于4f？答：因為只有時，可以成兩個倒立實像，一個放大，一個縮小。如果，則可能導(dǎo)致放大的實像位置超出導(dǎo)軌，無法測量，或者縮小的像太小，無法精確定位。從操作簡單和合理性，精確性角度來看，應(yīng)當(dāng)使得b略大于4f。3.能否用自準(zhǔn)法測量凸透鏡焦距？若可用，請畫出原理光路圖。答：可以。光路圖如下圖6,用一個已知焦距的凸透鏡L1和待測透鏡L2組合，如下圖，固定物AB和L1的位置，使得成實像A1B1，

8、在L2右側(cè)放置平面鏡L3，然后左右移動L2，使得AB所在原物屏上成倒立和AB等大的清晰實像，記錄L2和L1的距離，減去L1的焦距即得L2的焦距。圖6 自準(zhǔn)法測凸透鏡焦距原理光路圖4.試證明，自準(zhǔn)法測凹透鏡焦距時，凹透鏡轉(zhuǎn)180°后重復(fù)測量，取正反兩次的平均值能夠消除透鏡光心裝配不準(zhǔn)而造成的系統(tǒng)誤差。答：將原物AB和凸透鏡看成一個能為凹透鏡提供虛物的整體，記為虛物AB,則，如下圖，AB和透鏡光心存在水平方向偏差。由于原題中平面鏡只起到了把光路鏡像過去的作用，我們可以對稱放置一個一樣的凹透鏡和凸透鏡便于研究。假設(shè)原題中透鏡光心高度已經(jīng)和主光軸高度一致，我們只要考慮物與像各自位置的水平分量即可。即：透鏡光心在水平方向裝配不準(zhǔn)。具體證明思路如下（簡單的幾何關(guān)系不作詳細(xì)證明）：5.試分析焦距儀測焦距時可能存在的誤差來源。答：誤差主要可能來源于以下幾個方面:景深、焦深、像差和色差會導(dǎo)致成像不清楚,會造成讀數(shù)誤差；人眼分辨力的限制，調(diào)整后的平行光管輸出的不是嚴(yán)格的平行光，而是有一定的會聚或發(fā)散。這會使經(jīng)待測透鏡后光線的會聚點不在該透鏡的焦面上而產(chǎn)生公式誤差 (或調(diào)焦誤差)；自準(zhǔn)直調(diào)整平行光管時，由于人眼分辨力的限制，調(diào)用讀數(shù)顯微鏡或測微目鏡測珀羅板的像上線對間距時的偶然誤差；顯微鏡儀