工学薄透镜焦距的测定PPT教案

1、会计学1工学薄透镜焦距的测定工学薄透镜焦距的测定 透镜是组成光学仪器的基本元件之一，透镜是组成光学仪器的基本元件之一，标志透镜性质的一个重要参数是标志透镜性质的一个重要参数是焦距焦距。了。了解透镜成像规律，掌握光路调整和焦距测解透镜成像规律，掌握光路调整和焦距测量方法，对于了解、使用和设计光学仪器量方法，对于了解、使用和设计光学仪器有很大的帮助。有很大的帮助。 透镜的厚度与其焦距相比甚小时称之透镜的厚度与其焦距相比甚小时称之为为薄透镜薄透镜。本实验就是要让学生掌握测量。本实验就是要让学生掌握测量薄透镜焦距的几种基本方法。薄透镜焦距的几种基本方法。第1页/共39页实验目的第2页/共39页实验仪器

2、 光具座，光源（汞灯），平面反射镜，凸透镜，凹透镜，（带箭矢孔）的物屏，像屏。第3页/共39页第4页/共39页第5页/共39页第6页/共39页 一、自准法 二、共扼法 三、组合法(凹透镜）第7页/共39页1.准备知识准备知识 薄透镜薄透镜：透镜中心厚度比透镜的焦距或曲率半径小很多的透镜。：透镜中心厚度比透镜的焦距或曲率半径小很多的透镜。透镜分为透镜分为凸透镜凸透镜和和凹透镜凹透镜两类：两类：凸透镜：中间厚、边缘薄，对光线有会聚作用，又称为会聚透镜；凸透镜：中间厚、边缘薄，对光线有会聚作用，又称为会聚透镜；凹透镜：中间薄、边缘厚，对光线有发散作用，又称为发散透镜。凹透镜：中间薄、边缘厚，对光线有

3、发散作用，又称为发散透镜。有关透镜的一些名词解释有关透镜的一些名词解释：主光轴主光轴：通过透镜两个折射球面的球心的直线，叫透镜的主光轴：通过透镜两个折射球面的球心的直线，叫透镜的主光轴光心光心： 光线通过主光轴上某一特殊点，而不改变方向，这个点叫光线通过主光轴上某一特殊点，而不改变方向，这个点叫 透镜的光心。透镜的光心。副光轴副光轴：除主光轴外通过光心的其他直线叫副光轴：除主光轴外通过光心的其他直线叫副光轴。第8页/共39页 近轴光线：一般使用透镜时，物体都在主光轴附近，入射光线的入射角很小，这样的光线叫近轴光线。焦点：平行于主光轴的近轴光线，通过透镜后会聚（或发散，这时其反向延长线会聚）于主

4、光轴上的点，叫主焦点F，如下图所示。每个透镜都有分居透镜两侧的两个主焦点。焦距：光心O到主焦点F间的距离叫焦距（用字母f表示）。每个透镜有两个焦距。薄透镜两侧的媒质相同时，两个焦距相等。第9页/共39页 (a) 凸透镜的焦点 (b) 凹透镜的焦点 图 透镜的焦点及焦平面 焦平面焦平面 f f 焦平面焦平面 第10页/共39页光路图：（1）平行于主光轴的光线经透镜折射后过透镜的焦点；（2）过透镜光心的光线经透镜时不改变方向。第11页/共39页2. 薄透镜成像公式薄透镜成像公式当透镜的厚度远比其焦距小得多时当透镜的厚度远比其焦距小得多时, ,这种透镜称为薄透镜。这种透镜称为薄透镜。 在近轴光线的条

5、件下在近轴光线的条件下, ,薄透镜成像的规律可表示为薄透镜成像的规律可表示为 fvu111u、v 分别为物距和像距，实物与实像时取正，虚物与虚像时取分别为物距和像距，实物与实像时取正，虚物与虚像时取负；负；f 为透镜焦距，凸透镜取正，凹透镜取负为透镜焦距，凸透镜取正，凹透镜取负 。实验原理第12页/共39页实验原理将物将物ABAB放在凸透镜的前焦平放在凸透镜的前焦平面上面上, ,这时物上任一点发出的这时物上任一点发出的光束经透镜后成为平行光光束经透镜后成为平行光, ,由由平面镜反射后再经透镜会聚平面镜反射后再经透镜会聚于透镜的前焦平面上于透镜的前焦平面上, , 得到得到一个大小与原物相同的倒立

6、一个大小与原物相同的倒立实像实像A AB B。此时。此时, , 物屏到物屏到透镜之间的距离就等于透镜透镜之间的距离就等于透镜的焦距的焦距f f。 3. 凸透镜焦距的测定1) 自准法 ABABfF第13页/共39页透镜成像位置是一一对应的，而且当物象位置互换时，其物象间距不变，仅像的大小变化，这就是物象共轭。物与像屏距离物与像屏距离L大于大于4倍焦距倍焦距，即，即L4f ，固定物，固定物与像屏位置不变，移动凸透镜，将在屏上出与像屏位置不变，移动凸透镜，将在屏上出现两次成像。现两次成像。第14页/共39页AB A)B( L像屏物屏AB1vf1xl1u2u2v224LlfL2x第15页/共39页优点

7、：它可以准确测量L、的值，从而避免了测量 U 的值时，难于找准凸透镜光心位置所造成的误差。、Vl第16页/共39页vuuvfAB1L物屏AB1f2f2L A BVU 为凹透镜的虚物，物距为负值BA实验原理4. 凹透镜焦距的测定凹透镜焦距的测定(组合法)第17页/共39页1. 1. 光学元件光学元件同轴等高同轴等高的调节的调节薄透镜成像公式仅在近轴光线的条件下成立。对几个光薄透镜成像公式仅在近轴光线的条件下成立。对几个光学元件组成的光路学元件组成的光路, ,应使各光学元件的主光轴重合应使各光学元件的主光轴重合, ,才能满足才能满足近轴光线的要求。习惯上把各光学元件主光轴的重合称为同近轴光线的要求

8、。习惯上把各光学元件主光轴的重合称为同轴等高。轴等高。 同轴等高同轴等高是指各元件的光心均位于同一光轴上，且光轴是指各元件的光心均位于同一光轴上，且光轴与光具座平行。为了获得准确测量，必须进行同轴等高的调与光具座平行。为了获得准确测量，必须进行同轴等高的调节。节。实验内容第18页/共39页1. 1. 光学元件光学元件同轴等高同轴等高的调节的调节（1 1）粗调：粗调： 把光源、物屏、透镜和像屏放置于光具座上，将它们靠把光源、物屏、透镜和像屏放置于光具座上，将它们靠拢，调节高低、左右方位，使各光学元件的中心大致在一条与拢，调节高低、左右方位，使各光学元件的中心大致在一条与导轨平行的直线上，同时使物

9、屏、透镜、像屏的平面互相平行，导轨平行的直线上，同时使物屏、透镜、像屏的平面互相平行，且垂直于导轨。且垂直于导轨。实验内容第19页/共39页第20页/共39页第21页/共39页1. 1. 光学元件光学元件同轴等高同轴等高的调节的调节（1 1）细调：细调： 根据二次成像规律，首先取箭矢物根据二次成像规律，首先取箭矢物AB到光屏到光屏P的距离为的距离为L4f后，两者固定。后，两者固定。 凸透镜放在物与光屏间，移动凸透镜使光屏上看到放大和凸透镜放在物与光屏间，移动凸透镜使光屏上看到放大和缩小的像，调节各光学器件支架底座位移调节螺钉及支架的高缩小的像，调节各光学器件支架底座位移调节螺钉及支架的高低位置

10、，使光屏上看到放大和缩小像的中心点重合。低位置，使光屏上看到放大和缩小像的中心点重合。（大像追（大像追小像）小像） 同理调节凹透镜共轴，同轴等高的调节完成。同理调节凹透镜共轴，同轴等高的调节完成。实验内容第22页/共39页光源物屏透镜像屏主光轴主光轴如大像中心偏上（下），透镜光心就偏上（下）。如大像中心偏上（下），透镜光心就偏上（下）。第23页/共39页2 2、自准直法测凸透镜焦距：、自准直法测凸透镜焦距：在物屏平面镜之间移动凸透镜，直到在物屏上找到等大倒立聚焦清晰的像，测五次五次。ABABfF0 x1x物屏第24页/共39页2 2、自准直法测凸透镜焦距：、自准直法测凸透镜焦距：在实际测量时，

11、由于对成像清晰程度的判断总有一定的误差，故采用左右逼近法左右逼近法读数。 先使透镜从左向右移动，当像刚清晰时，记下透镜位先使透镜从左向右移动，当像刚清晰时，记下透镜位置的读数。继续向右移动使像由清晰变模糊，再使透镜从置的读数。继续向右移动使像由清晰变模糊，再使透镜从右向左移动，当像刚清晰时再记下读数，取这两次读数的右向左移动，当像刚清晰时再记下读数，取这两次读数的平均值作为成像清晰时凸透镜的位置。平均值作为成像清晰时凸透镜的位置。第25页/共39页次次数数物体物体位置位置凸透镜位置凸透镜位置 左左 右右 平均平均1 12 23 34 45 5平均值平均值0 x1x10ifxxif(单位cm)第

12、26页/共39页niifnf1121 1.14 5(1)niiAfffUtttnn n0.08cm3BUc仪22CABUUU0.68100%CCrffUPUUf求凸透镜的焦距f及其不确定度合成不确定度100%CrUUf相对不确定度结果：第27页/共39页3 3、共轭法测凸透镜焦距：、共轭法测凸透镜焦距： 物与屏间距大于物与屏间距大于4 4倍焦距，并保持不变（多次测量倍焦距，并保持不变（多次测量时）。时）。 移动透镜，当白屏上出现清晰的放大和缩小的像时，移动透镜，当白屏上出现清晰的放大和缩小的像时，记录透镜位置。重复次。记录透镜位置。重复次。AB1x A)B( 2x像屏物屏AB0 x0 xLlL

13、f422第28页/共39页次次数数物体物体位置位置B B像屏位置像屏位置或或 凸大位置凸大位置凸小位置凸小位置左左右右平均平均左左右右平均平均1 12 23 34 45 5平均值平均值B12ilooil1o2o(单位cm)B第29页/共39页5115iill521, 1.14 5(1)iiAlllUttnn n,0.08cm3B lUc仪求凸透镜的焦距f及其不确定度数据处理共轭法224LlfL,0.08cm3C LUc仪22,C lA lB lUUU第30页/共39页间接测量不确定的估算数据处理共轭法222 444LlLlfLL22222222,224C LC LC fC lC lffLllU

14、UUUULlLL,0.68100%CfCfrffUPUuf结果：221 424flflLlLL 第31页/共39页4 4、组合法测凹透镜焦距：、组合法测凹透镜焦距： 物经过凸透镜成的小像位置物经过凸透镜成的小像位置 测测5 5次，放上次，放上凹透镜到合适的位置，移动像屏使像清晰，凹透凹透镜到合适的位置，移动像屏使像清晰，凹透镜的位置镜的位置 测测5 5次，大像的位置次，大像的位置 测测1 1次。次。0 x 0 x2xAB0 x A B 0 x1L物屏AB1f固定固定2f2L2x第32页/共39页物物体体位位置置凸凸透透镜镜位位置置L1L1凹凹像像位位置置BB凸像位置凸像位置B B凹透镜位凹透镜

15、位置置L2L2物距物距-u-u像距像距v vuiuivivi左左 右右平平均均 左左右右平平均均B-L2B-L2B-L2B-L21 12 23 34 45 5平均值平均值vuuvf(单位cm)第33页/共39页5115iiuu521, (1)iiAuuuUtn n,0.08cm3B uUc仪求凸透镜的焦距f及其不确定度数据处理组合法uvfuv,0.08cm3C Luc仪22,CuAuBuUUU注意： 为负u5115iivv521,(1)iiAvvvUtn n,0.08cm3B vUc仪22,CvAvBvUUU第34页/共39页间接测量不确定的估算数据处理组合法uvfuv224422,44C uC vC uC vC fffvuUUUUUuvuvuv,0.68100%CfCfrffUPUUf结果：2222 fvfuuvuvuv第35页/共39页第36页/共39页思考题：思考题： 1 1、分析测焦距时存在误差的主要原因。、分析测焦距时存在误差的主要原因。 2 2、在什么条件下，物点发出的光线通过、在什么条件下，物点发出的光线通过 由凸透镜和凹透镜组成的光学系统将得到一个由凸透镜和凹透镜组成的光学系