實驗二光具組基點測定

1、實驗二 光具組基點的測定 v目的目的v1加深對光具組基點的理性認(rèn)識與感性認(rèn)識；v2學(xué)會測定光具組基點與焦距的方法v儀器和用具儀器和用具v光具座、測節(jié)器、光源、物屏、像屏、平面鏡、薄透鏡2片、準(zhǔn)直透鏡 原理原理 在實驗使用的透鏡中，有些是不可忽略厚度的；另外，為了糾正像差，光學(xué)儀器中常用多個透鏡組合成共軸的透鏡組(也稱光具組)此時最后成像的位置及像的大小可以利用作圖法逐步求出，也可用單球面及薄透鏡成像的高斯公式逐步計算出，更為簡捷的做法是把透鏡組等效為一個整體的光學(xué)元件，只要經(jīng)一次作圖或一次計算即可得到最后的像這樣的光學(xué)元件共有六個特征點，分為主點主點、節(jié)點節(jié)點和焦點焦點三種，各有物方與像方之別

2、，總稱為基點基點v(1)焦點焦點 v由位于光具組主軸某點發(fā)出的同心光束經(jīng)過光具組折射后成為平行于主軸出射的平行光束，則該點稱為物方焦點物方焦點(F)；而平行于主軸入射的平行光束經(jīng)過光具組折射后會聚于主軸上某點，此點稱為像方焦點像方焦點(F)以上是對具有會聚功能的光具組而言，對于起發(fā)散作用的光具組，可類似地定義虛焦點F與F v(2)主點主點 v把垂直于主軸的平面物體(實物或虛物)立在主軸某點上，經(jīng)過光具組折射在另一處成為等大的正立像(實像或虛像)，即橫向放大率等于1，主軸上這兩點分別稱為物方主點物方主點(H)與像方主點像方主點(H)v(3)節(jié)點節(jié)點 v讓光線斜入射向主軸上某點N，如經(jīng)過光具組折射

3、后以原方向出射，也就是說出射光線平行于入射光線，出射光(或延長線)和主軸的交點為N，即角向放大率等于1，這兩點分別稱為物方節(jié)點物方節(jié)點(N)與像方節(jié)點像方節(jié)點(N) v 物方主點H到物方焦點F的距離為物方焦距物方焦距(f)，像方主點H到像方焦點F的距離為像方焦距像方焦距(f)如出射光線與入射光線所處的介質(zhì)折射率相同，則物方主點與節(jié)點重合，像方主點與節(jié)點也重合，且-f=f通過主點、焦點與節(jié)點作與主軸垂直的平面，分別稱為主面主面、焦焦面面與節(jié)面節(jié)面，且各有物方、像方之分v光具組的基點可以通過作圖法求出，也可由各透鏡的焦距和透鏡間隔計算出這里給出真空中兩個共軸薄透鏡組成光具組的計算結(jié)果設(shè)透鏡像方焦距

4、分別為f1與f2，透鏡間隔為d，則光具組焦距為v (2-1)v第一透鏡光心到物方主點及第二透鏡光心到像方主點的距離分別為v (2-2)v以上等式中 ，也就是第一透鏡像方焦點到第二透鏡物方焦點的距離，通常稱為光學(xué)距離對于薄透鏡而言，物方、像方的主點、節(jié)點都在其光心上，主面即為透鏡所在平面 v光學(xué)系統(tǒng)的基點確定之后，就可用作圖法求出所成的像，見圖2一1v從物點處P發(fā)出的光線中有三條特殊光線：平行于主軸的a，經(jīng)過折射后為通過F的a；通過F的b，折射后為平行于主軸的b；射向N的c在出射后保持平行.a、b與物方主面的交點A、B與像方主面上的出射點A、B分別等高在aa、bb、cc三條光線中任取兩條就可求得

5、像點P如用計算方法，物、像關(guān)系仍可由高斯公式或牛頓公式確定： v (23)v (24)v物距p、像距p分別從H、H起算，x、x分別從F、F起算，各線段與光線方向相同時為正，相反時為負(fù)練習(xí)一 用測節(jié)器測定光具組的基點v 測節(jié)器原理：測節(jié)器R是可繞鉛直軸OQ轉(zhuǎn)動的水平V形槽，透鏡組Ls可在槽中左右移動，見圖22、圖23v當(dāng)用平行光束入射到透鏡組上時，如出射光束會聚于像屏上一點P0，此點即為像方焦點F這時讓測節(jié)器R繞OQ軸做少許轉(zhuǎn)動，會有以下兩種情況出現(xiàn)：v(1)回轉(zhuǎn)軸恰好通過光具組像方節(jié)點，這時射在N上的光線不是原來的c0，而是平行光束中另一根光線c1，但出射光線c1通過N，保持原方向，因此仍通過

6、P0，其他入射平行光線在出射后都會聚在此點上，因此這時會聚點P1(副焦點)與正入射時在像屏上的會聚點P0重合此時像方主焦點已移開，但在現(xiàn)象上看到的是光束會聚點保持在像屏上原處不動，見圖24(a)嚴(yán)格地說，焦面總是垂直于光具組主軸，在轉(zhuǎn)動后，焦面與像屏不再重合，像清晰度略為降低v(2)回轉(zhuǎn)軸未通過光具組像方節(jié)點，軸OQ在N之后，N隨R端同向移動，入射平行光束中另一根光線c2正好入射在N上，其出射光線c2由N發(fā)出，保持原方向，落在像屏上P2處，與像屏中心P0相比，P2隨R端做了同向移動而軸OQ在N之左，N實際上與R端做了相反的移動，這時落在N上的是光線c3，其出射光線c3移向像屏上P3， P3與P

7、0相比做了與R端相反的移動總起來講，會聚點離開P0的距離就是N點離開正入射時主軸的距離，見圖24(b)、(c) v在測定光具組像方節(jié)點時，物屏P處在準(zhǔn)直透鏡L的前焦面上，射向光具組Ls的是平行光束左右移動P可獲得清晰的聚焦像，P所處的即為像方焦面輕輕地向前推動測節(jié)器R端，使Ls繞OQ軸做少許轉(zhuǎn)動，如像點做同向移動，說明OQ在N之右，相當(dāng)于圖24(b)就應(yīng)把Ls向像屏做移動；再推動R端觀察P移動情況如會聚點與R端做反向移動，說明軸OQ已落在N之左，相當(dāng)于圖24(c)，這時應(yīng)把Ls做離開像屏的移動如此反復(fù)移動Ls，不斷觀察像屏上移動情況，直到轉(zhuǎn)動測節(jié)器時像保持不動為止，此時OQ恰在Ls的像方節(jié)點上

8、v在實驗中，移動Ls的同時，P要隨之移動，以保持與Ls的相對距離，就一直可得到清晰的像另外圖24中N與F的相對位置只是可能情況之一，不同的透鏡組合中基點的排列還有別的可能，在實驗中均須考慮到見圖25 圖25是對光具組作了抽象化以后的作圖法，實際的光線路程須對具體的透鏡組作具體分析，讀者可自行試畫實際光路，以建立清楚的物理圖像本實驗測定的光具組處在空氣中，節(jié)點與主點重合，測得N，也就是H所在位置至于物方節(jié)點N與焦點F，均可按光路可逆原理，把光具組轉(zhuǎn)向180。，此時平行光束由像方入射，得到焦點即為物方焦點F，測得節(jié)點就是物方節(jié)點N、主點H 實驗內(nèi)容實驗內(nèi)容v 1參照實驗一的方法，測量用來組成光具組的薄透鏡L1與L2的焦距v 2把L1、L2裝入測節(jié)器的兩端，此時df1+f2v 3按圖22，把光源s、物屏P、準(zhǔn)直透鏡L、測節(jié)器R及像屏P置于光具座上，調(diào)節(jié)共軸v4用自準(zhǔn)直法調(diào)節(jié)物屏P，使位于準(zhǔn)直透鏡L的物方焦面上，調(diào)好后P、L均不得移動v5把裝配好的透鏡組放在R上，移動像屏，以獲得清晰的像輕輕地少許轉(zhuǎn)動測節(jié)器，從像的移動情況判斷N的位置，逐漸移動光具組Ls，并讓像屏P隨之前后移動，再轉(zhuǎn)