實(shí)驗(yàn)2.14 光路調(diào)整與薄透鏡焦距測定

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1、實(shí)驗(yàn)2.14光路調(diào)整與薄透鏡焦距測定【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?．學(xué)習(xí)光具座上各元件的共軸調(diào)節(jié)方法，研究透鏡成像的基本規(guī)律。2．掌握測定薄透鏡焦距的幾種基本方法。【實(shí)驗(yàn)儀器】光具座，凸透鏡，凹透鏡，平面反射鏡，物屏，像屏，光源?！緦?shí)驗(yàn)原理】透鏡分為兩類。一類是凸透鏡(或稱正透鏡或會聚透鏡)，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(或稱負(fù)透鏡或發(fā)散透鏡)，對光線起發(fā)散作用，焦距越短,發(fā)散本領(lǐng)越大。在近軸光線的條件下，透鏡置于空氣中，透鏡成像的高斯公式為(2.14-1)式中為像距，為物距，為第二焦距(或稱像方焦距)。對薄透鏡,因透鏡的厚度比球面半徑小得多，因此

2、透鏡的兩個(gè)主平面與透鏡的中心面可看做是重合的。、、皆可視為物、像、焦點(diǎn)與透鏡中心(即光心)的距離，如圖2.14-1所示。圖2.14-1凸透鏡成像光路圖對于公式(2.14-1)中的各物理量的符號，我們規(guī)定：光線自左向右傳播，以薄透鏡中心為原點(diǎn)量起，若其方向與光的傳播方向一致者為正，反之為負(fù)。運(yùn)算時(shí)，已知量需添加符號，未知量則根據(jù)求得結(jié)果中的符號判斷其物理意義。測定薄透鏡焦距的方法有多種，它們均可以由(2.14-1)式導(dǎo)出，至于選用什么方法和儀器，應(yīng)根據(jù)測量所要求的精度來確定。1．測凸透鏡的焦距(1)用物距一像距法求焦距當(dāng)實(shí)物經(jīng)凸透鏡成實(shí)像于像屏上時(shí)，通過測定、，

3、利用(5-1)式即可求出透鏡的焦距。若，則。也就是說，可把遠(yuǎn)處的物體作為物，經(jīng)透鏡成像后，透鏡光心到像平面的距離就等于焦距。此法多用于粗略估測，誤差較大。(2)用貝塞爾法(又稱透鏡二次成像法)求焦距如圖2.14-2所示，為物，為待測透鏡，為白屏，若物與屏之間的距離，且圖2.14-2凸透鏡二次成像光路圖當(dāng)保持不變時(shí)，移動(dòng)透鏡，則必然在屏上兩次成像，當(dāng)物距為時(shí)，得放大像，當(dāng)物距為時(shí)，得縮小像。透鏡在兩次成像之間的位移為△，根據(jù)光線可逆性原理可得將此結(jié)果代人公式(2.14-1)后整理得(2.14-2)上式表明，只要測出△和值，就可算出。由這種方法得到的焦距值較為準(zhǔn)確

4、，因?yàn)橛眠@種方法可以不考慮透鏡本身的厚度。(3)由自準(zhǔn)直法求焦距如圖5-3所示，為待測凸透鏡，平面反射鏡置于透鏡后方的一適當(dāng)距離處。若物體正好位于透鏡的前焦面處，那么物體上各點(diǎn)發(fā)出的光束經(jīng)透鏡折射后成為不同方向的平行光，然后被反射鏡反射回來，再經(jīng)透鏡折射后，成一與原物大小相同的、倒立的實(shí)像，且與原物在同一平面，即成像于該透鏡的前焦面上，此時(shí)物與透鏡間的距離就是透鏡的焦距，其數(shù)值可直接由光具座導(dǎo)軌標(biāo)尺讀出，故此法迅速。這種方法利用調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)裝置本身使之產(chǎn)生平行光以達(dá)到調(diào)焦的目的，故稱為自準(zhǔn)直法。它不僅用于測透鏡焦距，還常常用于光學(xué)儀器的調(diào)節(jié)，如平行光管的調(diào)節(jié)和分光

5、計(jì)中望遠(yuǎn)鏡的調(diào)節(jié)等。圖2.14-3凸透鏡自準(zhǔn)直法成像光路圖　　2．測凹透鏡的焦距(1)用物距一像距法測凹透鏡焦距如圖2.14-4所示，凸透鏡將實(shí)物成像于，把被測凹透鏡插入與像之間，然后調(diào)整與的距離，使光線的會聚點(diǎn)向右移至，即虛物(對而言)經(jīng)成一實(shí)像于，測定物距、像距，代入公式(2.14-1)即可求出凹透鏡的焦距。圖2.14-4凹透鏡輔助成像光路圖(2)自準(zhǔn)法測凹透鏡焦距　　如圖2.14-5所示，將物點(diǎn)放在凸透鏡的主光軸上，由物點(diǎn)發(fā)出的光線經(jīng)過后將成像于點(diǎn)，測出點(diǎn)的位置。固定凸透鏡，并在和點(diǎn)之間插入待測的凹透鏡和一平面反射鏡，不斷移動(dòng)，總可使由平面鏡反射回去的光

6、線經(jīng)、后，仍然成像于物點(diǎn)。此時(shí)，從凹透鏡射到平面鏡上的光將是一束平行光，點(diǎn)就是凹透鏡的焦點(diǎn)。測出的位置，則間距即為被測凹透鏡的焦距。圖2.14-5自準(zhǔn)法測凹透鏡焦距3．光學(xué)元件的共軸調(diào)節(jié)為了避免不必要的像差和讀數(shù)準(zhǔn)確，需要對光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行共軸調(diào)節(jié)，使各透鏡的光軸重合且與光具座的導(dǎo)軌嚴(yán)格平行，物面中心處在光軸上，且物面、屏面垂直于光軸。此外，照明光束也應(yīng)大體沿光軸方向。共軸調(diào)節(jié)的具體方法是：(1)粗調(diào)。把光源、物、透鏡、白屏等元件放置于光具座上，并使它們盡量靠攏，用眼睛觀察、調(diào)節(jié)各元件的上下、左右位置,使各元件的中心大致在與導(dǎo)軌平行的同一條直線上，并使物平面、透鏡

7、面和屏平面三者相互平行且垂直于光具座的導(dǎo)軌。(2)細(xì)調(diào)。點(diǎn)亮光源，利用透鏡二次成像法(見圖2.14-2)來判斷是否共軸，并進(jìn)一步調(diào)至共軸。若物的中心偏離透鏡的光軸，則移動(dòng)透鏡兩次成像所得的大像和小像的中心將不重合，如圖2.14-6所示。就垂直方向而言，如果大像的中心高于小像的中心，說明此時(shí)透鏡位置偏高(或物偏低)，這時(shí)應(yīng)將透鏡降低(或?qū)⑽锷?；反之，如果低于，便應(yīng)將透鏡升高(或?qū)⑽锝档?。調(diào)節(jié)時(shí)，以小像中心為目標(biāo)，調(diào)節(jié)透鏡(或物)的上下位置,逐漸使大像中心靠近小像中心，直至與完全重合。同理，調(diào)節(jié)透鏡的左右(即橫向)位置，使與兩者中心重合。圖2.14-6光學(xué)元

8、件的共軸調(diào)節(jié)如果系統(tǒng)中有兩個(gè)以上的透鏡