透鏡是光學(xué)儀器中最基本的元件，反映透鏡特性的一個主要參量是焦距，它決定了透鏡成像的位置和性質(zhì)(大小、虛實、倒立)。對于薄透鏡焦距測量的準(zhǔn)確度，主要取決于透鏡光心及焦點(像點) 定位的準(zhǔn)確度。本實驗在光具座上采用幾種不同方法分別測定凸、凹兩種薄透鏡的焦距，以便了解透鏡成像的規(guī)律，掌握光路調(diào)節(jié)技術(shù)，比較各種測量方法的優(yōu)缺點，為今后正確使用光學(xué)儀器打下良好的基礎(chǔ)。

一、實驗?zāi)康?/p>

(1) 學(xué)會用多種方法測量薄凸透鏡的焦距，并比較各種方法的優(yōu)缺點。

(2) 學(xué)會測量薄凹透鏡焦距的方法。

(3) 掌握簡單光路的分析和調(diào)整方法，掌握透鏡成像的規(guī)律。

二、主要實驗儀器

光源，光具座，凸透鏡，凹透鏡，平面鏡，像屏。

三、實驗原理

1． 自準(zhǔn)直法測薄凸透鏡焦距

如圖3-1所示，物在凸透鏡的焦平面上，物上的任意一點經(jīng)過透鏡成為平行光，再經(jīng)過平面鏡反射后成等大的像在焦平面上。

2． 物距像距法測薄凸透鏡焦距

在凸透鏡一側(cè)的物體經(jīng)過凸透鏡成一實像，在光距座上記錄物距U和像距V，再將物距U和像距V代入以下的成像公式:

即可算出透鏡的焦距，如圖3-2所示。

圖3-1 自準(zhǔn)直法測薄凸透鏡焦距

圖3-2 物距像距法測薄凸透鏡焦距

3． 二次成像法(共軛法，貝塞爾法)

固定透鏡和接受屏的距離為D，其中D ＞4f，再移動透鏡的位置，將在接受屏上觀察到兩次成像，一次放大一次縮小的實像，如圖3-3所示。根據(jù)以下公式可以算出透鏡的焦距:

式中，d為兩次成像的透鏡位置之間的距離。

4． 自準(zhǔn)直法測薄凹透鏡焦距

借助于凸透鏡實現(xiàn)該方法:物體AB經(jīng)過凸透鏡成像在A'B'，將凹透鏡放在恰當(dāng)?shù)奈恢?，也就是?dāng)A'B'到凹透鏡的位置為凹透鏡焦距時，最右側(cè)的光為平行光，最后經(jīng)過平面鏡成像于實物的位置，即A″B″，如圖3-4所示。

圖3-3 二次成像法

圖3-4 自準(zhǔn)直法測凹透鏡焦距

5． 凹凸透鏡成像法

借助于凸透鏡實現(xiàn)凹透鏡的成像。物點P經(jīng)過凸透鏡直接成像在B點，再放上凹透鏡后成像在D。這個過程對于凹透鏡而言，B為凹透鏡的虛物經(jīng)過凹透鏡成像實物D。S為物距，S'為像距，如圖3-5所示。

圖3-5 凹凸透鏡成像法

四、實驗內(nèi)容

粗調(diào):先將物、透鏡、像屏等用光具底座固定好以后，再將它們靠攏，用眼睛觀察調(diào)節(jié)高低、左右，使它們的中心大致在一條和導(dǎo)軌平行的直線上，并使它們本身的平面互相平行且與光軸垂直。

細(xì)調(diào):如物不在透鏡的光軸上，而發(fā)生偏離，那么其像的中心在屏上的位置將會隨屏的移動而變化，這時可以根據(jù)偏離的方向判斷物中心究竟是偏左還是偏右、偏上還是偏下，然后加以調(diào)整，直到像的中心在屏上的位置不隨屏的移動而變化時即可。

實物與測量點之間的距離為修正值:Δ =1．41cm。

分別按前面所介紹的五種方法測量透鏡焦距，將數(shù)據(jù)記錄在表3-1 ～表3-5中。

五、數(shù)據(jù)處理

1． 自準(zhǔn)直法測薄凸透鏡焦距(表3-1)

表3-1 自準(zhǔn)直法數(shù)據(jù)記錄表格

2． 物距像距法測薄凸透鏡焦距(表3-2)

表3-2 物距像距法數(shù)據(jù)記錄表格

3． 二次成像法(共軛法，貝塞爾法)(表3-3)

表3-3 二次成像法數(shù)據(jù)記錄表格

4． 自準(zhǔn)直法測薄凹透鏡焦距(表3-4)

表3-4 自準(zhǔn)直法數(shù)據(jù)記錄表格

5． 凹凸透鏡成像法(表3-5)

表3-5 凹凸透鏡成像法數(shù)據(jù)記錄表格

六、注意事項

(1) 必須先調(diào)節(jié)好光路，然后再開始測量;注意愛護(hù)實驗儀器，要正確地拿透鏡，防止摔壞。

(2) 自準(zhǔn)直法測凸透鏡焦距時，凸透鏡旋轉(zhuǎn)180°時，可以不改變平面鏡的位置，但是平面鏡的位置會影響像的清晰。當(dāng)平面鏡離凸透鏡比較近的時候，像比較清晰。

(3) 物距像距法測凸透鏡焦距時，盡量保證物距和像距略為大于2f，這樣誤差相對減小。

七、思考題

(1) 怎么粗測凸透鏡的焦距?

(2) 為什么在用成像法測量凸透鏡焦距的時候，讓物距和像距略大于2f?