物理实验培训所用光学

实验仪器光源,光具座,滑块，凸透镜,凹透镜,毛玻璃或成像屏，平面镜,物屏,针尖。测量薄透镜的焦距实验原理1.准备知识薄透镜:指透镜中心厚度比透镜焦距或曲率半径小很多的透镜。透镜分类：凸透镜---中间厚、边缘薄，对光线有会聚作用凹透镜---中间薄、边缘厚，对光线有发散作用主光轴：通过透镜两个折射球面的球心的直线光心：光线通过主光轴上某一特殊点，而不改变方向副光轴：除主光轴外通过光心的其他直线叫副光轴。近轴光线：物体在主光轴附近，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。焦平面焦平面FOＦＯff(a)凸透镜的焦点(b)凹透镜的焦点图 透镜的焦点及焦平面光路可逆原理：在反射和折射定律中，光线如果沿反射和

折射方向入射，则相应的反射和折射光将沿原来的入射方向。这就是说，如果物点Q发出的光经光学系统后在Q’点成像，则

Q’点发出的光线经同一光学系统后必然会在Q点成像，即物和像之间是共轭的。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。2.薄透镜成像公式在近轴光线的条件下,薄透镜成像的规律可表示为u

v

f1

1

1+

=u、v分别为物距和像距，实物与实像时取正，虚物与虚像时取负；f

为透镜焦距，凸透镜取正，凹透镜取负。3.

凸透镜焦距的测定A1)自准直法（平面镜法）将物AB放在凸透镜的前焦平面上,则物上任一点发出的光束经透镜后成为平行光,由平面镜反射后再经透镜会聚于透镜的前焦平面B'B上,得到一个大小与原物相同的倒立实像A′B′。此时,A'物屏到透镜之间的距离就等于透镜的焦距F。fF2）物像距法1uvf

=u

+

v式中物距、像距、焦距都以凸透镜光心为坐标原点而量取，顺光线方向取正，反之取负（如图所示）。(或实物、实象取正；虚物、虚像取负；凸透镜焦距取正，凹透镜焦距取负。)3）位移法物与像屏距离A大于4倍焦距，即A>4f

，固定物与像屏位置不变，移动凸透镜，将在屏上出现两次成像。fs'1

+

1

=

1

s

+

s'

=

AA2

-

l

2得到f

=4

A由

s◆优点：它可以准确测量L、l的值，从而避免了测量U、V的值时，难于找准凸透镜光心位置所造成的误差。4.物像距法测定凹透镜的焦距<

0ss's

+

s'f

=单独的凹透镜不能使实物成实像于屏幕上，像A'B'为凹透镜的虚物，所以s为凹透镜的虚物距，小于零，s'为实像距，大于零，焦距为负值实验内容1.同轴等高的调节薄透镜成像公式仅在近轴光线的条件下成立。对几个光学元件组成的光路,应使各光学元件的主光轴重合,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轴等高。（1）粗调：在光具座上使各光具尽量靠拢，用眼睛观察各光学器件是否与箭矢物AB的中间点等高共轴。等高调节：升降调节各光学器件与箭矢物AB的中间点等高。共轴调节：调节各光学器件支架底座位移调节螺钉，使各光学器件的中心及箭矢物AB位于光具座中心轴线上，再调节各光学器件表面与光具座中心轴线垂直。（2）细调：根据二次成像规律，首先取箭矢物AB到光屏P的距离为L>4f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，使光屏上看到放大和缩小像的中心点重合。（大像追小像）同理调节凹透镜共轴，同轴等高的调节完成。若物中心不在光轴上，则大、小像的中心都不会在光轴上，而是偏在光轴的同一侧，若发现大像中心偏高，说明透镜

偏高（或物偏低），应将透镜降低（或把物升高）。实验注意事项1、从理论上讲，自准法中平面镜与透镜的间距大小不影响实验结果，但为了减少光能的损失，保证像的亮度和清晰程度，间距的取值不宜太大，最好紧贴在一起。2、共轭法中，间距L不要取得太大，否则将使一个像缩得很小，难以确定凸透镜在哪一个位置上时成像最清晰3、清晰像的判断：边界清晰、不变形、亮度高。用左右逼近法读数。4、物距像距法测量时，由于透镜的光心不一定在底座刻线的平面内，所测得的结果可能偏大或偏小，要消除这一系统误差，可以将透镜反转，再测量一次，然后取其平均值。5、透镜不用时,应将其放在光具座的另一端。6、禁止用手或其他东西擦拭透镜表面，只能用镜头纸擦。附1：自准法测量凹透镜焦距如下图所示,L1为凸透镜,L2为凹透镜,M为平面反射镜。调节凹透镜的相对位置,直到物屏上出现和物大小相等的倒立实像,记下凹透镜的位置X1。再拿掉凹透镜和平面镜,则物经凸透镜后在某点处成实像(此时物和凸透镜不能动),记下这一点的位置X2。图

自准法测凹透镜焦距光路图L2AFL1O1O2x1x2Mf

=

-

x2

-

x1操作：先对光学系统进行共轴调节,然后把凸透镜放在稍大于两倍焦距处。移动凹透镜和平面反射镜,当物屏上出现与原物大小相同的实像时,记下凹透镜的位置读数。然后去掉凹透镜和平面反射镜,放上像屏,用左右逼近法找到F点的位置。重复测量三次,将数据填于表中,求出f。附2：视差法测量凹透镜的焦距视差是一种视觉差异现象。设有远近不同的两个物体Ａ和Ｂ,若观察者正对着AB连线方向看去,则A、B是重合的;若将眼睛摆动着看,则A、B间似乎有相对运动,远处物体的移动方向跟眼睛的移动方向相同,近处物体的移动方向则相反。A、B间距离越大,这种现象越明显(视差越大);A、B间距为零(重合),就看不到这种现象(没有视差)。因此,根据视差的情况可以判定A、B两物体谁远谁近及是否重合。视差法测量凹透镜焦距时,在物和凹透镜之间置一有刻痕的透明玻璃片,当透明玻璃片上的刻痕和虚像无视差时,透明玻璃片的位置就是虚像的位置。图

视差法测凹透镜焦距按上图放好物屏、带痕玻片和凹透镜。正对透镜看清凹透镜中物的虚像,调整物屏的位置和高低,使虚像的顶端正好处在凹透镜上沿。移动带痕玻片并仔细观察凹透镜内虚像的顶端和凹透镜外玻片刻痕间的相对位置有无变化。当相对位置不变,即无视差时,记录下此时玻片刻痕的位置。重复测量三次,将数据填于表中,求出f。图

凹透镜成像光路图望远镜和显微镜背景知识正常人眼睛在明视距离25cm处能分辨相距约

0.05mm的两个光点，当两光点间距小于0.05mm即无法分辨，我们把这个极限称为人眼的分辨本领，这时两光点对人眼球中心的张角约为1’，这张角称为视角。观察物体要想能分辨细节，最简单的方法是使视角扩大，显微镜和望远镜就是为扩大人眼视角的助视光学仪器。放大镜--观察微小物体或物体的细节--一个焦距f比明视距离小得多的凸透镜物体经透镜于明视距离（25cm）处成一放大虚像P′Q′，对眼的视角为y'

»

y

=

y-

s'

-

f f

'U

'

=不用透镜而物体置于y明视距离处，物对瞳孔的视角为U

=25cm放大本领

M

=

U

'

=

25U f

'若则：M=2.5x显微镜原理物镜焦距较长，目镜焦距很短。物体到物镜的距离略大于焦距，经物镜放大后形成一个倒立放大的实像A’B’，且此像在目镜焦点以内距焦点极近，再通过目镜在明视距离附近形成放大虚像。A'

B'

s=

V0

ME=M

=a

'

0

a

AB

fE望远镜（开普勒型）视角放大率理论值：f»

O

M

=a

'a

fE物镜焦距比目镜焦距大得多。远物AB经物镜在其焦点以外距离焦点极近处生成一缩小的实像A’B’,由于物镜焦点与目镜焦点几乎重合，目镜再将中间像A’B’放大为一虚像A’’B’’。望远镜视角放大率的测量方法1）比较法物和像的长度直接对比。远处标尺AB长度y，望远镜中像A’B’，投影到AB所在的平面上为A’’B’’，长度y’’。则视角放大率为a

'

tan

a

'

y''M

=

»

=a

tan

a

y实验内容设计实验方法测量所给凸透镜的焦距并加以记录。自组显微镜将光源、物屏、物镜和目镜按顺序装在光具座上进行共轴调节。物镜和目镜之间的加入毛玻璃屏，调节物镜及毛玻璃屏的位置，使屏上成一清晰放大的实像（此实像不能过大）。移动目镜，紧贴目镜观察，直到看清放大的须向为止（无严重色散）拿掉毛玻璃，仔细移动眼睛的位置到主光轴上，依然能看到这一虚像。3.自组望远镜在光具座上装上物镜和目镜，按共轴要求调好，就组成了开普勒望远镜。在物镜和目镜之间加入毛玻璃屏，并使目镜远离物镜，将物镜对准远方的景物，调节毛玻璃屏生成清晰的倒立实像。将屏固定，调节目镜与屏的距离