光学基础实验

1、光学基础【实验目的】1）掌握透镜成像的基本规律。2）学 会基本光路的调整和分析方法。3）学会测薄透镜焦距的几种方法。【实验原理】公式法测薄透镜的焦距薄透镜是指透镜中心厚度比透镜焦距小得多的透镜。透镜分为两大类：一类是凸透镜，对光线起会聚作用，所以也叫会聚透镜；另一类是凹透镜，对光线起发散作用，也叫发散透镜。在近轴（靠近光轴并且与光轴的夹角很小的光线）条件下，薄透镜成像规律用下面的公式表示：111fuv（）fuvuv式中f 焦距，凸透镜为正，凹透镜为负；u 物距，实物为正，虚物为负；v 像距，实像为正，虚像为负。薄透镜成像时的物像关系也可从作图法得出。作图时利用“三条光线” ： 平行于主光轴的光

2、线，经过透镜后通过透镜像方焦点；经过透镜光心的光线，方向不变；经过物方焦点的光线，经透镜后与主光轴平行。有时还应作辅助光线。利用这些法则，便可对实验中的简单光路和物像关系用作图法画出来。薄透镜（会聚透镜）成像规律如表3.10.1 所示。表 3.10.1薄透镜 （会聚透镜） 成像规律表物距成像范围像的性质u2f2f vf倒立、缩小、实像u2fv2f倒立、等大、实像2f ufv2f倒立、放大、实像u f成平行光uf v4f ，如图所示。固定物体和像屏的位置，则当凸透镜在物体与像屏之间移动时，在像屏上都能得到两次清晰的实像。当透镜在位置O1 时，像屏上出现清晰放大的实像，在位置 O2 时，为缩小的实

3、像，而且这两个位置是对称的或是共轭的，即透镜在O1 位置时的物距和共轭法测凸透镜焦距光路O2 时的像距和物距，所以称为像距，分别是透镜在图 3.10.2共轭法。运用物像的共轭对称性质，用式（3.10.1 ）推出L2e2f（ 3.10.2 ）4L3）自准直法如图所示，当物放在透镜的物方焦平面上时，由物发出的光A 经透镜后将成为平行光；如果在透镜后面放一与透镜光轴垂直的平面反射镜，则平行光经平面镜反射后将沿原来的路线反方向进行，并成像 A 于物平面上。调节透镜位置，使像清晰，此时透镜与物体之间的距离，就近似等于透镜的焦距f 。凹透镜焦距的测定1）由辅助透镜成像求焦距如图所示，设物 AB 置于凸透镜

4、的二倍焦距以外，自准直法测凸透镜焦距光路图成实像于A B ，而在凸透镜和A B之间加上待测焦距的凹透镜L2 后，像A B 成了凹透镜的虚物，经L2 后，成像于A B ，则 A B和 A B 相对于L2 来说是虚物体和实像。分别测出L2 到 A B 和 A B 的距离，根据式（）即可算出像方焦距f 2。辅助透镜成像测凹透镜焦距图u2(v1d)111f 2v2（ 3.10.3）u2f2u2v2u2v2式中v1 辅助凸透镜的像距；u2 凹透镜的物距，是一虚物，为负值；d 两透镜之间的距离；f 2 待测凹透镜的像方焦距。2）自准直法如图所示，物AB 发出的光经辅助透镜L1 后成实像于A B ，而加上待

5、测焦距的凹透镜 L2 后，若A B 恰好在凹透镜L2 的焦平面上，则从L2 出射的光成为平行光。在L2 后放一平面反射镜，该平行光经反射镜反射并再依次通过L2 和 L1 ，最后在物屏上成等大的实像A B 。这时分别测出L 2 的位置及A B 的位置，则二者之差就是凹透镜L2 的焦距。自准直法测凹透镜焦距图光学系统的共轴调节透镜成像公式只有在近轴光线的条件下才能成立，为了满足近轴条件，常选用较小的物体，并把它的中心点调到主光轴上， 使入射到透镜的光线与主光轴的夹角很小， 这一步骤称为共轴调节。1）粗调：利用目测判断，将光源和各光学元件的中心调成等高、光学元件的方位取向一致，达到使各光学元件的光轴

6、大致重合的目的。（ 2）细调：利用成像规律来判断。利用共轭法使物屏和像屏之间的距离大于4 倍焦距时，移动透镜，在屏上会分别出现一个放大实像和一个缩小实像，改变透镜（或物）的高度，让物的某一点（一般选上端点或下端点）在成大像和成小像时的像点在屏上处于同一位置，此时该物点必定在光轴上，而且光轴平行于导轨面。若开始该大、小像点不在同一位置，则改变透镜高度使成大像时的该像点逐渐向成小像时的该像点靠近，直到成大、 小像时该像点位置都不改变，这就是常说的“大像追小像”。调好第一步后，再依次放上其他光学元件，逐一调节这些元件的高度，使得选定的物点经每个光学元件后成的像点的位置在像屏上都不改变，这样可调好整个

7、系统的共轴调节。【实验内容】测凸透镜的焦距1）共轴调节。将光源、物屏、待测透镜和成像白屏依次放在光具座的导轨上，按照实验条件所述方法，调节各光学元件的光轴，使之共轴，并平行于导轨的基线（等高）。（ 2）物距像距法测凸透镜焦距。让物与像屏之间的距离适当（保证能在像屏上成实像），移动待测透镜，使像屏上呈现物体的清晰像。记录物、透镜、像的位置，将数据填入表，根据式（）即可算出f 。（ 3）用共轭法测凸透镜的焦距。将物与像屏固定在物像间距大于4f 的位置，读出它们的位置读数，两者之间的距离为L，如图所示，移动透镜，使屏上得到清晰的像，记录透镜的位置。移动透镜至另一位置，使屏上又得到清晰的像，再次记录透

8、镜的位置。两次透镜之间的距离为 e，将数据填入表中，由式（）可求出f 。（ 4）用自准直法测凸透镜焦距。按图所示移动透镜并适当调整平面镜的方位，沿光轴方向可看到在物与光轴对称的位置出现一倒立等大的实像（此时平面镜转动时其实像应跟随转动），调整透镜位置，用消视差法使物与像对齐（无视差），测出物与透镜的位置，二者之差即透镜焦距，将数据填入表中。【思考题】1）为什么要调节光学系统共轴？2）光学系统共轴调好的判断标准是什么？3）在用物距像距法测凸透镜焦距时，是选成放大的像还是选成缩小的像？依据何在？4）在用自准直法测凸透镜焦距时，移动透镜位置时会发现在物屏上先后两次成像（其中只有一个是透镜的自准直像） ，哪一个是透镜的自准直像