光學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)

1、光學(xué)基礎(chǔ)【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?）掌握透鏡成像的基本規(guī)律。2）學(xué) 會(huì)基本光路的調(diào)整和分析方法。3）學(xué)會(huì)測薄透鏡焦距的幾種方法?！緦?shí)驗(yàn)原理】公式法測薄透鏡的焦距薄透鏡是指透鏡中心厚度比透鏡焦距小得多的透鏡。透鏡分為兩大類：一類是凸透鏡，對(duì)光線起會(huì)聚作用，所以也叫會(huì)聚透鏡；另一類是凹透鏡，對(duì)光線起發(fā)散作用，也叫發(fā)散透鏡。在近軸（靠近光軸并且與光軸的夾角很小的光線）條件下，薄透鏡成像規(guī)律用下面的公式表示：111fuv（）fuvuv式中f 焦距，凸透鏡為正，凹透鏡為負(fù)；u 物距，實(shí)物為正，虛物為負(fù)；v 像距，實(shí)像為正，虛像為負(fù)。薄透鏡成像時(shí)的物像關(guān)系也可從作圖法得出。作圖時(shí)利用“三條光線” ： 平行于主光軸的光

2、線，經(jīng)過透鏡后通過透鏡像方焦點(diǎn)；經(jīng)過透鏡光心的光線，方向不變；經(jīng)過物方焦點(diǎn)的光線，經(jīng)透鏡后與主光軸平行。有時(shí)還應(yīng)作輔助光線。利用這些法則，便可對(duì)實(shí)驗(yàn)中的簡單光路和物像關(guān)系用作圖法畫出來。薄透鏡（會(huì)聚透鏡）成像規(guī)律如表3.10.1 所示。表 3.10.1薄透鏡 （會(huì)聚透鏡） 成像規(guī)律表物距成像范圍像的性質(zhì)u2f2f vf倒立、縮小、實(shí)像u2fv2f倒立、等大、實(shí)像2f ufv2f倒立、放大、實(shí)像u f成平行光uf v4f ，如圖所示。固定物體和像屏的位置，則當(dāng)凸透鏡在物體與像屏之間移動(dòng)時(shí)，在像屏上都能得到兩次清晰的實(shí)像。當(dāng)透鏡在位置O1 時(shí)，像屏上出現(xiàn)清晰放大的實(shí)像，在位置 O2 時(shí)，為縮小的實(shí)

3、像，而且這兩個(gè)位置是對(duì)稱的或是共軛的，即透鏡在O1 位置時(shí)的物距和共軛法測凸透鏡焦距光路O2 時(shí)的像距和物距，所以稱為像距，分別是透鏡在圖 3.10.2共軛法。運(yùn)用物像的共軛對(duì)稱性質(zhì)，用式（3.10.1 ）推出L2e2f（ 3.10.2 ）4L3）自準(zhǔn)直法如圖所示，當(dāng)物放在透鏡的物方焦平面上時(shí)，由物發(fā)出的光A 經(jīng)透鏡后將成為平行光；如果在透鏡后面放一與透鏡光軸垂直的平面反射鏡，則平行光經(jīng)平面鏡反射后將沿原來的路線反方向進(jìn)行，并成像 A 于物平面上。調(diào)節(jié)透鏡位置，使像清晰，此時(shí)透鏡與物體之間的距離，就近似等于透鏡的焦距f 。凹透鏡焦距的測定1）由輔助透鏡成像求焦距如圖所示，設(shè)物 AB 置于凸透鏡

4、的二倍焦距以外，自準(zhǔn)直法測凸透鏡焦距光路圖成實(shí)像于A B ，而在凸透鏡和A B之間加上待測焦距的凹透鏡L2 后，像A B 成了凹透鏡的虛物，經(jīng)L2 后，成像于A B ，則 A B和 A B 相對(duì)于L2 來說是虛物體和實(shí)像。分別測出L2 到 A B 和 A B 的距離，根據(jù)式（）即可算出像方焦距f 2。輔助透鏡成像測凹透鏡焦距圖u2(v1d)111f 2v2（ 3.10.3）u2f2u2v2u2v2式中v1 輔助凸透鏡的像距；u2 凹透鏡的物距，是一虛物，為負(fù)值；d 兩透鏡之間的距離；f 2 待測凹透鏡的像方焦距。2）自準(zhǔn)直法如圖所示，物AB 發(fā)出的光經(jīng)輔助透鏡L1 后成實(shí)像于A B ，而加上待

5、測焦距的凹透鏡 L2 后，若A B 恰好在凹透鏡L2 的焦平面上，則從L2 出射的光成為平行光。在L2 后放一平面反射鏡，該平行光經(jīng)反射鏡反射并再依次通過L2 和 L1 ，最后在物屏上成等大的實(shí)像A B 。這時(shí)分別測出L 2 的位置及A B 的位置，則二者之差就是凹透鏡L2 的焦距。自準(zhǔn)直法測凹透鏡焦距圖光學(xué)系統(tǒng)的共軸調(diào)節(jié)透鏡成像公式只有在近軸光線的條件下才能成立，為了滿足近軸條件，常選用較小的物體，并把它的中心點(diǎn)調(diào)到主光軸上， 使入射到透鏡的光線與主光軸的夾角很小， 這一步驟稱為共軸調(diào)節(jié)。1）粗調(diào)：利用目測判斷，將光源和各光學(xué)元件的中心調(diào)成等高、光學(xué)元件的方位取向一致，達(dá)到使各光學(xué)元件的光軸

6、大致重合的目的。（ 2）細(xì)調(diào)：利用成像規(guī)律來判斷。利用共軛法使物屏和像屏之間的距離大于4 倍焦距時(shí)，移動(dòng)透鏡，在屏上會(huì)分別出現(xiàn)一個(gè)放大實(shí)像和一個(gè)縮小實(shí)像，改變透鏡（或物）的高度，讓物的某一點(diǎn)（一般選上端點(diǎn)或下端點(diǎn)）在成大像和成小像時(shí)的像點(diǎn)在屏上處于同一位置，此時(shí)該物點(diǎn)必定在光軸上，而且光軸平行于導(dǎo)軌面。若開始該大、小像點(diǎn)不在同一位置，則改變透鏡高度使成大像時(shí)的該像點(diǎn)逐漸向成小像時(shí)的該像點(diǎn)靠近，直到成大、 小像時(shí)該像點(diǎn)位置都不改變，這就是常說的“大像追小像”。調(diào)好第一步后，再依次放上其他光學(xué)元件，逐一調(diào)節(jié)這些元件的高度，使得選定的物點(diǎn)經(jīng)每個(gè)光學(xué)元件后成的像點(diǎn)的位置在像屏上都不改變，這樣可調(diào)好整個(gè)

7、系統(tǒng)的共軸調(diào)節(jié)?！緦?shí)驗(yàn)內(nèi)容】測凸透鏡的焦距1）共軸調(diào)節(jié)。將光源、物屏、待測透鏡和成像白屏依次放在光具座的導(dǎo)軌上，按照實(shí)驗(yàn)條件所述方法，調(diào)節(jié)各光學(xué)元件的光軸，使之共軸，并平行于導(dǎo)軌的基線（等高）。（ 2）物距像距法測凸透鏡焦距。讓物與像屏之間的距離適當(dāng)（保證能在像屏上成實(shí)像），移動(dòng)待測透鏡，使像屏上呈現(xiàn)物體的清晰像。記錄物、透鏡、像的位置，將數(shù)據(jù)填入表，根據(jù)式（）即可算出f 。（ 3）用共軛法測凸透鏡的焦距。將物與像屏固定在物像間距大于4f 的位置，讀出它們的位置讀數(shù)，兩者之間的距離為L，如圖所示，移動(dòng)透鏡，使屏上得到清晰的像，記錄透鏡的位置。移動(dòng)透鏡至另一位置，使屏上又得到清晰的像，再次記錄透

8、鏡的位置。兩次透鏡之間的距離為 e，將數(shù)據(jù)填入表中，由式（）可求出f 。（ 4）用自準(zhǔn)直法測凸透鏡焦距。按圖所示移動(dòng)透鏡并適當(dāng)調(diào)整平面鏡的方位，沿光軸方向可看到在物與光軸對(duì)稱的位置出現(xiàn)一倒立等大的實(shí)像（此時(shí)平面鏡轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)其實(shí)像應(yīng)跟隨轉(zhuǎn)動(dòng)），調(diào)整透鏡位置，用消視差法使物與像對(duì)齊（無視差），測出物與透鏡的位置，二者之差即透鏡焦距，將數(shù)據(jù)填入表中?！舅伎碱}】1）為什么要調(diào)節(jié)光學(xué)系統(tǒng)共軸？2）光學(xué)系統(tǒng)共軸調(diào)好的判斷標(biāo)準(zhǔn)是什么？3）在用物距像距法測凸透鏡焦距時(shí)，是選成放大的像還是選成縮小的像？依據(jù)何在？4）在用自準(zhǔn)直法測凸透鏡焦距時(shí)，移動(dòng)透鏡位置時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)在物屏上先后兩次成像（其中只有一個(gè)是透鏡的自準(zhǔn)直像） ，哪一個(gè)是透鏡的自準(zhǔn)直像