04031277《工程光學(xué)》實驗指導(dǎo)書

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1、 《工程光學(xué)》 實驗指導(dǎo)書 周建民 編著 華東交通大學(xué)機電工程學(xué)院 實驗一 透鏡焦距的測量 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2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? 1、學(xué)會測量凸透鏡、凹透鏡焦距的幾種方法。

2、2、掌握簡單光路的分析和光學(xué)元件同軸等高的調(diào)節(jié)方法。 3、熟悉光學(xué)實驗的操作規(guī)則。 二、實驗儀器 工程光學(xué)實驗系統(tǒng)（光源、物、凸透鏡、凹透鏡、光屏、光具座、卷尺） 三、 實驗原理 在近軸光線的條件下，薄透鏡成像的高斯公式為 (1-1) 當(dāng)將薄透鏡置于空氣中時，則高斯公式為 (1-2) （1-1）、(1-2)式中, f′為像方焦距；f為物方焦距；l′為像距；l為物距。式中的各線距均從透鏡中心(光心)量起，與光線進行方向一致為正，反之為負(fù)，如圖1-1所示。 圖1-1 透鏡成像符號意義圖 若在實驗中分別測出物距l(xiāng)和像距l(xiāng)′，

3、即可用式(1-2)求出該透鏡的焦距f′。但應(yīng)注意：測得量須添加符號，求得量則根據(jù)求得結(jié)果中的符號判斷其物理意義。 對于凸透鏡焦距的測量，除用上述物像公式法測量之外，還可用以下幾種方法。 1.粗略估測法 以太陽光或較遠的燈光為光源，用凸透鏡將其發(fā)出的光線聚成一光點(或像)，此時，l →∞，l′≈f ′，即該點(或像)可認(rèn)為是焦點，而光點到透鏡中心(光心)的距離，即為凸透鏡的焦距，此法測量的誤差約在10％左右。由于這種方法誤差較大，大都用在實驗前作粗略估計，如挑選透鏡等。 2.自準(zhǔn)法 如圖1-2所示（略），在待測透鏡L的一側(cè)放置被光源照明的1字形物屏AB，在另一側(cè)放一平面反射鏡M，

4、移動透鏡(或物屏)，當(dāng)物屏AB正好位于凸透鏡之前的焦平面時，物屏AB上任一點發(fā)出的光線經(jīng)透鏡折射后，將變?yōu)槠叫泄饩€，然后被平面反射鏡反射回來。再經(jīng)透鏡折射后，仍會聚在它的焦平面上，即原物屏平面上，形成一個與原物大小相等方向相反的倒立實像A′B′。此時物屏到透鏡之間的距離，就是待測透鏡的焦距，即 　 (1-3) 由于這個方法是利用調(diào)節(jié)實驗裝置本身使之產(chǎn)生平行光以達到聚焦的目的，所以稱之為自準(zhǔn)法，該法測量誤差在1%～5%之間。 3.位移法(又稱為貝塞爾物像交換法) 物像公式法、粗略估測

5、法自準(zhǔn)法都因透鏡的中心位置不易確定而在測量中引進誤差，為避免這一缺點，可取物屏和像屏之間的距離D大于4倍焦距(4f)，且保持不變，沿光軸方向移動透鏡，則必能在像屏上觀察到二次成像。設(shè)物距為時，得放大的倒立實像；物距為時，得縮小的倒立實像，透鏡兩次成像之間的位移為d，得 （1-4） 可見，只要在光具座上確定物屏、像屏以及透鏡二次成像時其滑座邊緣所在位置，就可較準(zhǔn)確的求出焦距f′。這種方法毋須考慮透鏡本身的厚度，測量誤差可達到1％。 對于凹透鏡，由于它對光線有發(fā)散作用。不能對實物成像，所以不能完

6、全按上述方法測量其焦距。下面介紹兩種測凹透鏡焦距的方法。 4.成像法(又稱為輔助透鏡法) 圖1-3 凹透鏡焦距輔助透鏡法測量原理 如圖1-3所示，先使物AB發(fā)出的光線經(jīng)凸透鏡L１后形成一大小適中的實像A′B′，然后在L１和A′B′之間放入待測凹透鏡L２ ，就能使虛物A′B′產(chǎn)生一實像A″B″。分別測出L２到A′B′和A″B″之間距離s２ 、s２′，即可求出L２的像方焦距f２′。 5.凹透鏡自準(zhǔn)法 圖1-4 凹透鏡焦距自準(zhǔn)法測量原理 如圖1-4所示，在光路共軸的條件下，L２在適當(dāng)位置不動，移動凸透鏡L１，使物屏上物點A發(fā)出的光經(jīng)L２、L１折射，再經(jīng)平面鏡反射回來，在

7、物屏上得到一個與物大小相等的倒立實像。由光的可逆性原理可知，由 L１射向平面鏡 M的光線是平行光線，點 A′是凸透鏡L１的焦點。若凸透鏡L１的焦距為已知(可事先測定)，即f1＝　O１A′，再測出O１與A和O２與O１之間距離，則凹透鏡的虛像距s２′和物距s２可求，利用高斯公式可計算出薄凹透鏡L２ 的焦距f２′。這種方法不受成像條件限制。交換L１ 和L２后可直接測出f２′。 四、實驗內(nèi)容與步驟 1.光具座上各光學(xué)元件同軸等高的調(diào)節(jié) 先利用水平尺將光具座導(dǎo)軌在實驗桌上調(diào)節(jié)成水平，然后進行各光學(xué)元件同軸等高的粗調(diào)和細(xì)調(diào)，直到各光學(xué)元件的光軸共軸，并與光具座導(dǎo)軌平行為止。 2.自準(zhǔn)法測凸透鏡焦距

8、 ①在光具座上放置光學(xué)元件，其中用1字屏作物屏(想一想，用十字網(wǎng)格作物屏是否可以?)，將濾光片插入1字屏，并用白熾光源照明。 ②固定物屏，移動凸透鏡L 。并繞鉛直軸略轉(zhuǎn)動靠近透鏡的平面鏡M(M遠離透鏡會出現(xiàn)什么現(xiàn)象?)，直到在物屏上得到一個與物等大倒立的清晰像為止(注意區(qū)分物光經(jīng)凸透鏡內(nèi)表面和平面鏡反射后所成的像，前者不隨平面鏡轉(zhuǎn)動而移動)。 ③記錄物屏的位置讀數(shù)XＡＢ與凸透鏡L位置讀數(shù)XＬ。 ④將透鏡L連同透鏡夾旋轉(zhuǎn)180°后，重做1次實驗，再記下物屏的位置讀數(shù)XＡＢ與凸透鏡L的位置讀數(shù)XＬ′。 ⑤取2次讀數(shù)的平均值(XＬ＋XＬ′)/2，求該透鏡的焦距。要求重復(fù)3次，求出及其誤差。

9、 3.物距像距法測凸透鏡焦距 ①先用粗略估計法測量待測凸透鏡焦距，然后將物屏和像屏放在光具座上，使它們的距離略大于粗測焦距值的4倍，在兩屏之間放入透鏡，調(diào)節(jié)物屏、透鏡和像屏的中心等高，并與主光軸垂直。 ②移動透鏡，直到在像屏上看到清晰的像為止，記錄物距s與像距s′，求出焦距f′。 ③改變屏的位置，重復(fù)3次測量，求其f′及其誤差。 ④分別把物屏放在s >2f′，s＝2f′，2f′>s>f′，s＝f位置上觀察透鏡L成像的特點并進行總結(jié)。 4.位移法測凸透鏡焦距 ①同3 ① ，并記錄物屏與像屏之間的距離D。 ②，移動透鏡，使在像屏上2次所成像的中心位置不變，然后記下2次成像時透鏡滑座

10、同一邊緣的2個位置，從而算出d ，求出 f′。 ③改變屏的位置重復(fù)測3次，求其f ′及誤差。 5.成像法測凹透鏡焦距 ①按圖1-3所示，調(diào)節(jié)各元件共軸后，暫不放入凹透鏡，移動凸透鏡L１ ，使像屏上出現(xiàn)清晰的、倒立的、大小適中的實像A′B′，記下A′B′的位置。 ②保持凸透鏡L１的位置不變，將凹透鏡L２放入L１與像屏之間，移動像屏，使屏上重新得到清晰的、放大的、倒立的實像A″B″。 ③記錄凹透鏡L２的位置和A″B″的位置，算出物距s和像距s′，)求出f′。 ④改變凹透鏡位置(注意使虛物距與所成實像像距兩者的差不能太小，以免有效數(shù)字位數(shù)太少)，重復(fù)測3次，求出f ′及其誤差。 6.自

11、準(zhǔn)法測凹透鏡焦距方法步驟自擬。 五、注意事項 1.測量物屏、透鏡及像位置時，要檢查滑座上的讀數(shù)準(zhǔn)線和被測平面是否重合，不重合時應(yīng)根據(jù)實際進行修正。 2.由于人眼對成像的清晰度分辨能力有限，所以觀察到的像在一定范圍內(nèi)都清晰，加之球差的影響，清晰成像位置會偏離高斯像。為使兩者接近，減小誤差。一般在物屏和像屏固定時，成大像時凸透鏡應(yīng)由遠離物屏的位置向物屏移動，直到像屏上出現(xiàn)較清晰像(不是最清晰)為止，成小像時凸透鏡應(yīng)由靠近物屏的位置背離物屏移動。 六、思考題 1.共軸調(diào)節(jié)時對實驗有哪些要求?不滿足這些要求對測量會產(chǎn)生什么影響? 2.在自準(zhǔn)法測凸透鏡焦距時，你觀察到了哪些現(xiàn)象，應(yīng)如何解釋之

12、? 3.試分析比較各種測凸透鏡焦距方法的誤差來源，提出對各種方法優(yōu)缺點的看法。 4.再設(shè)計2種測量凹透鏡焦距的實驗方案，并說明原理及測量方法。 5.請給出輔助透鏡法測量凹透鏡焦距時的計算公式。 七、實驗報告 必須給出思考題的答案，實測的相關(guān)數(shù)據(jù)。 實驗二 組合顯微鏡 顯微鏡是最常見的典型光學(xué)系統(tǒng)之一。一般為了觀察近距離的微小物體，要求光學(xué)系統(tǒng)具有較高的視覺放大率，此時可以采用顯微鏡。 一、實驗?zāi)康? 1．掌握顯微鏡成像原理及其構(gòu)成 2. 掌握顯微鏡的視覺放大率計算方法 3．觀察實際

13、顯微鏡的景深現(xiàn)象 二、實驗儀器 工程光學(xué)實驗系統(tǒng)（光源、物、凸透鏡、凹透鏡、光屏、光具座、卷尺） 三、 實驗原理 如圖2-1所示即為顯微鏡成像原理。 圖2-1顯微鏡成像原理圖 式（2-1）為顯微鏡的視覺放大率公式。 式中，250mm為明視距離；為物鏡的焦距；為目鏡焦距。為光學(xué)間隔，即前一透鏡的像方焦點到后一透鏡物方焦點間的距離。 如果把顯微鏡看作一個組合系統(tǒng)，其組合焦距為，則。 四、 實驗步驟 1、 利用兩個透鏡焦距已知的正透鏡，先調(diào)節(jié)同軸等高。 2、 按照成像原理圖搭設(shè)擺放透鏡，兩透鏡之間的距離要遠大于二者焦距之和。并且保證擺放在透鏡L1物方焦點附近的物必須成像

14、在透鏡L2的物方焦點處。 3、 直接觀察顯微鏡的放大現(xiàn)象。 4、 計算組合后的顯微鏡視覺放大率。 5、 利用透鏡焦距測量方法測出組合后的顯微鏡焦距，利用有關(guān)公式求出視覺放大率，與實驗步驟4所得結(jié)果比較。 6、 前后移動物體，觀察能成清晰像時的景深現(xiàn)象。 五、 注意事項 1、 光學(xué)零件極為精密、易碎，請輕拿輕放。 2、 實驗完畢請將相關(guān)元件放回實驗箱原來的位置。 實驗三 組合望遠鏡 望遠鏡是最常見的典型光學(xué)系統(tǒng)之一。望遠鏡按光學(xué)原理

15、分有兩種：伽利略望遠鏡和開普勒望遠鏡。本實驗需要選用合適的透鏡組合得到這兩種望遠鏡。 一、實驗?zāi)康? 1．掌握兩種望遠鏡成像原理及其構(gòu)成 2. 觀察兩種望遠鏡成像的正倒 二、實驗儀器 工程光學(xué)實驗系統(tǒng)（光源、物、凸透鏡、凹透鏡、光屏、光具座、卷尺） 三、 實驗原理 如圖3-1所示即為開普勒望遠鏡成像原理。 圖3-1開普勒望遠鏡成像原理圖 圖3-2為伽利略望遠鏡示意圖。 圖3-2 伽利略望遠鏡成像示意圖 四、 實驗步驟 1、 組合開普勒望遠鏡時，利用兩個透鏡焦距已知的正透鏡，先調(diào)節(jié)同軸等高。組合伽利略望遠鏡時，透鏡L2為負(fù)透鏡。 2、 按照成像原理圖搭設(shè)擺放透鏡，組合開普勒望遠鏡時，第一個透鏡焦距必須大于第二個透鏡，兩透鏡之間的距離等于二者焦距之和。透鏡L2擺放在透鏡L1像方焦點處。組合伽利略望遠鏡時，需要注意和重合，由于L2為負(fù)透鏡，重合點應(yīng)在L2的右邊。 3、 直接觀察兩種望遠鏡的望遠效果，遠處直接看時不太清楚的物體，通過望遠鏡時容易看清對面的物體，而且近了不少。 4、觀察兩種望遠鏡成像的正倒。 五、 注意事項 1、 光學(xué)零件極為精密、易碎，請輕拿輕放。 2、 實驗完畢請將相關(guān)元件放回實驗箱原來的位置。