光学实验讲义

实验一薄镜头参数的测定引言镜头是光学仪器中最基本的因素，反映镜头特性的主要参数是焦距，确定镜头成像的位置和性质(大小、虚实、倒立)，了解镜头成像规律，掌握光路调节技术，比较各种测量方法的优缺点，为今后光学仪器的正确使用奠定良好的基础实验目的1 .学习测量镜头焦距的几种方法。2 .掌握简单光路的分析和光学元件同轴等的调节方法。3 .精通光学实验的操作规则实验原理：薄镜头是指镜头的中心厚度d比镜头的焦距f小很多的镜头。 透镜有凸透镜(也称为正透镜或聚光透镜)，对光线有聚光作用，焦距越短，聚光能力越大的另一个是凹透镜(也称为负透镜或发散透镜)，对光线有发散作用，焦距越短，发散能力越大。用于透镜焦距测量的成像式是高斯式另一方面，凸透镜焦距的测定：镜头的焦距测量主要用高斯公式计算焦距1 .概算法：以太阳光或远处的光为光源，将凸透镜发出的光聚集到一点(或像)时，p，sf即认为该点(或像)是焦点，但是从光斑到透镜中心(光中心)的距离是凸透镜的焦距，该方法的测定误差约为10%左右因为这个方法误差很大，所以在实验前大多会做粗略的估计，如选择镜头等。2 .使用物体像公式获得焦距根据式(1)，薄透镜的焦距(2)如图1所示，如果在实验中测定物镜距离s和像距离s，则该透镜的焦距f可以通过式(2)求出。 注意，在：处测得的量必须附加符号，确定的量根据获得结果的符号确定物理意义。3 .自我标准法：如图2所示，在被检测透镜l的一侧设置被光源照明的“1”字形的屏幕AB，在相反侧设置与主光轴垂直的平面镜m，移动透镜(或屏幕)，当屏幕AB位于凸透镜之前的焦点面时，来自屏幕AB的任意点的光线并且在透镜折射后，也聚集在其焦点面，即原物屏幕面上，形成与原物大小相反的倒立实像ab。 此时从屏幕到透镜的距离是测定的透镜的焦距，即(3)这种方法是通过调整实验装置自身产生平行光来对焦的方法，因此称为自对准法，该方法在1%5%之间测量误差。4 .位移法(也称为共轭法、二次成像法或贝塞尔图像交换法):物体像式法、粗略的推定法、自对准法因为难以确定透镜的中心位置而在测量中导入误差，为了避免该缺点，物体屏幕和图像屏幕之间的距离d大于4倍焦距(4f )，不变，在光轴方向上移动透镜时，一定会在图像屏幕上观察到二次成像如图3所示，设物体距离为s1，设得到放大后的倒立实像的物体距离为s2时，设缩小后的倒立实像和透镜的两次成像间的位移为d，根据透镜成像式(2)。代入式(2)即得(4)这样，当在光学片上二维地成像物理屏幕、图像屏幕、透镜时，如果该滑动的边缘位于位置处，则能更正确地获得焦距f。 此方法不需要考虑透镜自身的厚度，测量误差达到1%。二、凹透镜焦距的测定凹透镜是发散透镜，不能直接成像。 为了测量凹透镜的焦距，必须使用凸透镜。 具体方法有以下两种。1 .成像法(也称为被摄体距离-距离法):如图4所示，先通过凸透镜L1使来自物体AB的光线倒立，形成实像ab，在L1和ab之间插入要测量的凹透镜L2，设为s24f(f是透镜的焦距)，固定屏幕和屏幕。 当沿着光轴移动凸透镜到位置O1或O2时，透镜成像在屏幕上，并且一次成为大图像A1B1，一次成为小图像A2B2。 当物点a在光轴上时，二次图像的A1和A2的点都在光轴上重叠。 若物体点a不在透镜的主光轴上，则二维图像的a-1和a-2不重叠，若观察到图像的a-1点在图像的a-2下，则如图6 b所示可知，物体点a在光轴上，在这种情况下应增加透镜，相反应增加透镜。 以此方式调整镜头的高度，使像的中心朝向像的中心(像追上像的中心)，直到A1和A2重叠为止，点a在镜头的主光轴上偏移。2 .凸透镜焦距的测量(1)通过自对准法测量凸透镜的焦距1 )如图2所示，设置光源、屏幕、凸透镜、平面镜。 固定物屏幕、记录物屏幕的位置读取值XAB。2 )移动凸透镜l时，成像清晰度的判定存在一定的误差，因此，为了减少该误差，可以通过左右方法读取读取方法来测量凸透镜位置。 即，使凸透镜从左向右移动，刚在物屏幕上看到与物相同大小鲜明的逆像，并记录此时的凸透镜的位置XL，进而，使凸透镜从右向左移动，刚在物屏幕上看到与物相同大小的清晰的逆像，此时3 )取两次读取值的平均值，求出该镜头的焦点距离。 重复3次，求出其不确定度。(2)物体距离法测量凸透镜的焦距1 )如图1所示，布置光源、物体屏幕、凸透镜和图像屏幕。 采访距离约为2f凸，记录了屏幕位置和凸透镜位置的读取值XAB和XL。2 )移动屏幕，在屏幕上出现清晰的(接近大小和物体)实像，同样采用左右近似法，记录屏幕位置的读取值xab和xab。3 )将第二次读取值的平均值设定为屏幕位置，计算被摄体距离和图像距离，并且将值代入等式2以获得f。 重复测定3次，求出其不确定度。(3)利用位移法测量凸透镜的焦距(可选)1 )如图3所示，布置光源、物体屏幕、凸透镜和图像屏幕。 使屏幕和屏幕之间的距离稍大于4 f，并记录屏幕和屏幕之间的距离d。2 )移动凸透镜。 在屏幕上观测两次清晰放大(或缩小)的实像，分别记录两次成像时的透镜的位置XI和XII来计算d，从(4)式求出。3 )改变屏幕的位置，反复测量3次，求出其不确定度。3 .凹透镜焦距的测量为了测量凹透镜的焦距，两个透镜必须同轴，首先，通过追踪像小的像的方法，将物体点a对准凸透镜的主光轴上。 然后，增加凹透镜(凹透镜支撑台为了左右调整，需要采用可进行二维调整的支撑台)，同样，由于轴上的物点的像在轴上，所以采用了对像进行大幅度追踪的方法，直到凹透镜中心到达凸透镜的主光轴上。(1)基于成像法的凹透镜焦距测量(选定)1 )如图4所示，在调节各元件的同轴度之后，不放入凹透镜，而使屏幕和屏幕的距离比4 f稍大。 移动凸透镜L1将位置X AB记录到屏幕上，使得出现清晰的、倒立的、适当大小的实像。2 )不改变凸透镜L1的位置，将凹透镜L2放入L1和屏幕之间，移动屏幕，在屏幕上重新得到清晰地放大、倒立实像，并记录的位置xa“b”。3 )用左右近似法记录凹透镜L2的位置XL2和xl2，计算物体距离s和像距离，代入(2)式来求出。4 )改变凹透镜的位置，重复3次测定，求出其不确定度。(2)利用自对准法测量凹透镜的焦距1 )如图5所示，在调节了各元件的共轴之后，不插入凹透镜，屏幕与凸透镜的距离约等于2 f凸。2 )移动屏幕，在屏幕上出现清晰的、倒立的、缩小的实像，用左右的方法测量屏幕的位置，记录屏幕的位置XAB和xab。3 )不改变凸透镜L1的位置，而将凹透镜L2放在屏幕上，使平面镜与凹透镜贴紧，使凹透镜L2和平面镜向凸透镜方向移动，在物屏幕上获得与物体的大小相等的倒立实像，通过左右的方法测量凹透镜L2 的位置，凹透镜L2 的位置4 )改变凸透镜的位置，重复3次，求出其不确定度。6 .注意事项(1)使用光学零件时要注意问题。 例如，请勿用手触摸光学部件的镜面。 光学零件容易坏。 轻轻拿着放。 使用完毕后，光学零件要好好，把代码复原等。(2)以“1”字屏幕中的叉子为物体中心，用其鲜明的图像来确定光学元件的位置。 建议倒立“1”字，只观察叉子出现在“1”字上的像。(3)在多次进行测定的情况下，能够采用接近左右的读取方法。(4)凹透镜支撑台采用二维可调整的支撑台，以促进左右调整，确保透镜中心位于由物体和凸透镜所确定的光轴上。7 .数据和数据处理(1)利用自对准法测量凸透镜的焦距XAB=mm毫米序列号。123(毫米)凸透镜位置(mm )PSXLPSXLPSXLPS(2)物体距离法测量凸透镜的焦距XAB=mm XL=mm序列号。123(毫米)屏幕的位置PPPxabPPPxabPPP我叫xabsf.f(3)利用位移法测量凸透镜的焦距(可选)序列号。PSPS (毫米)PSPSPS(毫米)1233 .凹透镜焦距的测量(1)基于成像法的凹透镜焦距测量(选定)序列号。PS号航空母舰XL 2毫米xab(毫米)毫米毫米f 2(毫米)(毫米)123(2)利用自对准法测量凹透镜的焦距序列号。PS号航空母舰xab (毫米)XL 2毫米xl2 (毫米)f 2(毫米)(毫米)123【注意事项】镜头和光学元件的镜面不要用手擦拭。 用擦镜头的纸轻轻地擦灰尘。请用光学器具支架高同轴调整各光学元件后再进行测量。【思考问题】1 .如何用光器具支架高同轴调整各光学元件？2 .为什么用二次成像法测量透镜焦距可以避免由于难以确定透镜的光中心位置而引起的测量误差？屏幕和屏幕之间的距离l必须大于或等于焦距的4倍？3 .用自对准法测量凸透镜的焦距时，如果透镜的光心与透镜支架的基础读取线不在同一面，会产生什么性质的误差？ 在实验中如何消除这个误差？【应用提示】在日常生活中，用眼镜矫正人眼的镜片缺陷，用眼镜和镜片使来自物体的光线折射，在视网膜上形成鲜明的图像。 为了组合适当的远视眼镜(凸透镜)和近视眼镜(凹透镜)，需要正确地测量眼镜镜片(镜片)的焦距。 显微镜和望远镜由透镜组合而成，是用途极其广泛的辅助光学设备。 显微镜主要是用来帮助人眼观察附近的小物体，望远镜主要是用来帮助人眼观察远处的物体。 这些角色是增大观察对象相对于人眼的打开角度，并且发挥扩大视角的作用。 显微镜和望远镜的光学系统很相似，由物镜和目镜两部分组成。 例如，显微镜一般包括两个聚光透镜的同轴。 在望远镜中，两透镜的光学间隔几乎为零，即物镜的像侧焦点和目镜的物体侧焦点几乎一致。 望远镜分为两种：如果物镜和目镜的像侧焦距都为正(即两个都是会聚透镜)，则作为开普勒望远镜的物镜的像侧焦距为正(会聚透镜)，当目镜的像侧焦距为负(发散透镜)时，伽利略望远镜。 在生产、科学研究、防卫等方面，光学仪器的使用已经广泛。 不仅可以放大、缩小、记录图像，还可以进行不接触的高精度测量，可以研究原子、分子、固体的结构等。试验2光的等厚干涉牛顿环等厚干涉是胶卷干涉的一种。 如果薄膜层的上下表面有小的倾斜角，来自光源的光在上下表面反射，在上表面附近相遇时会产生干涉，在相同厚度处形成相同的干涉条纹，这种干涉称为等厚干涉。 其中牛顿环是等厚干涉最典型的例子，牛顿最早发现，但他主张的微粒说无法正确说明。 光的等厚干涉原理广泛应用于生产实践，检测透镜的曲率，测量光波的波长，准确测量微小的长度、厚度和角度，检查物体表面的粗糙度、平坦度等。【实验目的】1 .观察光的等厚干涉现象，了解等厚干涉的特征。2 .学习用干涉法测量平凸透镜的曲率半径。3 .掌握读取显微镜的使用方法。4 .学习按顺序法处理数据。【实验原理】牛顿环是曲率半径大的平凸玻璃，其凸面被放置在光学平板玻璃上