物理实验指导书：透镜和透镜组参数的测量与研究

1、. 海量资料 超值下载透镜和透镜组参数的测量与研究一、实验目的1、掌握薄透镜的焦距测量方法；2、观察单透镜的像差；3、学会调节光学系统共轴。二、实验仪器光具座、会聚透镜、发散透镜、狭缝光源、光阑、读数小灯、米尺。三、实验原理透镜是光学仪器中最基本的元件，焦距是反映透镜特性的一个重要参数。透镜的厚度比两球面中任一曲面的曲率半径小得多，因此也比透镜的焦距小得多的那种透镜称为薄透镜。1、薄透镜成像公式在近轴光线条件下，薄透镜成像公式为 (1)式中，是透镜焦距，是物距，是像距物距取正值，像距的正负由像的虚实来确定，实像是为正，虚像为负。焦距对凸透镜为正(凸透镜也叫正透镜)；对凹透镜为负(凹透镜也叫负透

2、镜)。 2、用物距像距法测定透镜焦距1）凸透镜：光线由物发出，经凸透镜折射后成像在透镜另一测，如图1所示。把测出的物距和像距代入式(1)中即计算出焦距。图1 薄透镜成像2）凹透镜：物体AB由经凸透镜成像于。和之间放入待测凹透镜，调节与的距离，由于凹透镜的发散作用，虚物又成像，如图2所示。由于凹透镜和都是负值，式（1）改写成 (2)测出和，算出。图2 二次成像3、用位移法测凸透镜的焦距使物与像之间距离大于4倍焦距时，移动透镜，则在屏上有两次成像，如图3所示。当物距为1时，像屏上出现一个放大实像，像距1；当物距为2时，像屏上出现一缩小实像，像距2，两次透镜位移为.图3 成像法根据式（1）可以得出

3、(3) (4)由图得 且所以 （5） （6）将式（5）和式（6）代入式（3）得出 （7）测出和值即可算出焦距。4、自准直法测量薄透镜焦距1）凸透镜焦距的测量如图4所示.将狭缝光源置于透镜第一焦面上时,光线经透镜后成一束平行于主光轴的平行光。在透镜后面放一块与透镜主轴垂直的平面反射镜,将平行光束反射回去,根据光路可逆原理,必成像于透镜焦平面上.透镜光心至光源的距离则为透镜焦距。此办法是利用实验装置本身产生的平行光束调焦,所以称为自准直法。图42）测凹透镜焦距因凹透镜是发散透镜,如果用凹透镜获得一束平行光,则应会有聚光射在上面才能实现,因此需加会聚透镜产生会聚光。如图5所示。图5当2时,经成像于；

4、在和之间放入凹透镜，使它与共轴.当光心到的距离=时,则由射出的是一束平行光,此时若用一平面镜将这束光线反射回去,则光源处成一清晰的实像,确定了和的位置就可计算出了凹透镜的焦距.5、透镜的像差要得到一个完全与物相似的像，必须满足光是近轴单色光这一条件.实际上光学系统不能满足这个条件,所以实际像和理想预期的像存在着偏差,透镜这种性质称为像差.像差有许多种,下面介绍两种常见的像差.1）球面差.由透镜主轴上一点光源发出的近轴光线束通过透镜中心部分后相交于,其他张角较大的光线则分别会聚于与之间各点,如图6所示.投射到透镜的大孔径光束,经透镜后出射光束不相交于一点,这种像差为球面像差.2）色差.放在空气中

5、的薄透镜,其焦距由下式决定 （8）式中,为制造透镜的材料的折射率，和分别为透镜两球面的曲率半径.因为透镜材料对不同波长的光折射率不同.所以它们的焦距也不同,如果光源不是单色,那么,经透镜折射后,会在不同位置形成若干个带色的大小不同的像.如图7所示。光源不是单色,则从发光点的光线经透镜折射后就不会相交于一点。图6图7四、实验内容1、光具座上各元件共轴调节物距、像距、透镜移动的距离都是沿它的光轴计算长度的，其长度由光具座的刻度来读数.为准确测量,透镜主轴应与光具座导轨平行,如果用几个透镜做实验,应调节各透镜主光轴同轴且与导轨平行,这一步称为共轴调节,方法如下。1）粗调。把透镜、物屏、像屏等用光具夹

6、夹好后，先把它们靠拢，调节高低、左右、使光源、物屏中心、透镜中心、像屏中心大致平行在轨道直线上，使物屏、像屏、透镜的平面相互平行，且垂直于导轨。2）细调。利用透镜成像规律来判断。按图3放置物、透镜和像屏,使物与像屏距离,如果透镜中心偏离光轴,则移动透镜两次成像中,像的中心位置发生改变,调节透镜中心高低,使系统达到同轴高度。2、用物距-像距法测透镜焦距1）凸透镜焦距的测量；将待测凸透镜置于处,移动像屏,找到清晰像,记录像距和物距。把透镜放置在使处,重复上述测量。画出实验光路图；测量数据填入表1。表1 单位:2）凹透镜焦距测量。按图2使凸透镜成像于,在与之间放入待测凹透镜,调节的位置使虚物又成像于,与的距离为物距；与的距离为像距。按式(2)算出焦距,将数据填入表2画出光路图。表2 单位:3、位移法测凸透镜焦距按图3放置被测凸透镜、物和像屏。测出物像间距和两次成像时透镜的位移,按式(7)计算焦距。改变物和像屏之间距离,重复上述步骤,将数据填入表3。表3 单位:4、观察透镜成像像差1）球面差。在透镜前分别放置不同半径圆环形光环,使光束通过透镜不同部位,测出对应像距。实验中还观察到不同光阑观察成像清晰范围不同,光阑越小,成像清晰范围越大。在照相技术中,我们所获得清晰像的最远和最近物体之间轴向距离称为景深,即光阑越小,景深越大。2）色差。在透镜前放置一小孔光阑,再把光源附近加上红光或