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1、 .实验一 薄透镜焦距的测定实验目的学会调节光学系统使之共轴。掌握测量薄会聚透镜和发散透镜焦距的方法。验证透镜成像公式，并从感性上了解透镜成像公式的近似性。实验仪器型光具座，底座及支架，薄凸透镜，薄凹透镜，平面镜，物屏（可调狭逢组、有透光箭头的铁皮屏或一字针组），像屏（白色，有散射光的作用）。重点难点：1、按实验操作规程规范操作。2、动手操作能力培养。德育渗透：1、培养学生爱护仪器，保护国家财产的意识。2、培养学生互相帮助，团结协作的精神教学方法1、讲授法。2、演示法。3、学生分组实验法布置作业：1、数据处理。2、误差分析3、独立完成实验报告。4、预习下一个实验实验原理共轭法测量凸透镜焦距利用
2、凸透镜物、像共轭对称成像的性质测量凸透镜焦距的方法，叫共轭法。 所谓“物象共轭对称”是指物与像的位置可以互移，如图511（）所示。其中（）图中处于物点的物体经凸透镜在像点处成像P，这时物距为，像距为。若把物点移到图511（）中的点，那么该物体经同一凸透镜成像于原来的物点，即像点将移到图511（）中的点。于是，图51（）中的物距和像距分别是图511（）中的像距和物距，即物距，像距。这就是“物像共轭对称”。设（物屏和像屏之间的距离为）。根据上面的共扼法，如果物与像的位置不调换，那么，物放在处，凸透镜L放在处，所成一倒立放大实像在处；将物不动，凸透镜放在处，所成倒立缩小的实像也在处，如图512所示。
3、由图可知，或。于是可得方程组 解方程组得 （5）该式是共轭法测量凸透镜焦距的公式。由于是通过移动透镜两次成像而求得的，所以，这种方法又称二次成像法。另外，从方程组中消去，得， ，。当有实根必须有 （5）即物屏与像屏之间的距离大于或最少等于四倍的焦距，物才能通过凸透镜二次成像。自准直法测量凸透镜焦距如图所示，当以狭缝光源作为物放在透镜的第一焦平面上时，由发出的光经透镜后将形成平行光。如果在透镜后面放一个与透镜光轴垂直的平面反射镜，则平行光经反射，将沿着原来的路线反方向进行，并成像在狭缝平面上。狭缝与透镜之间的距离，就是透镜的第二焦距。这个方法是利用调节实验装置本身，使之产生平行光以达到调焦的目的
4、，所以称自准直法。用物距与像距法测量凹透镜焦距由于对实物，凹透镜成虚像，所以直接测量凹透镜的物距、像距，难以两全。我们只能借助与凸透镜成一个倒立的实像作为凹透镜的虚物，虚物的位置可以测出。凹透镜能对虚物成实像，实像的位置可以测出。于是，就可以用高斯公式求出凹透镜的焦距，如图514所示。实验内容共轭法测量凸透镜焦距（）粗调，将光具座上的光具靠拢，调节高低左右；光心中心大致在同一高度和一直线上。（）细节，用共轭原理进行调整，使物屏与像屏之间的距离，将凸透镜从物屏向像屏缓慢移动，若所成的大像与小像的中心重合，则等高共轴已调节好，若大像中心在小像中心的下方，说明凸透镜位置偏低，应将位置调高；反之，则将
5、透镜调低；左右亦然。详见光学实验基础知识。（）读出物屏所在位置，像屏所在位置p，填入自拟的表格中，求出。（）移动凸透镜，使像屏上呈现清晰的放大的倒立实像，记下此时的位置，继续移动凸透镜，使像屏上呈现清晰的缩小的倒立实像，记下此时的位置，求出。重复上述步骤五次，共得四组数据，用（5）式计算出每组的值，求出的平均值。自准直法测量凸透镜焦距（）按图513所示，在光具座上放置狭缝光源、平面镜，并使它们之间的距离比所测凸透镜的焦距大。在物屏和平面镜之间放上被测量的凸透镜。（）适当调节光路，使物屏发出的光通过透镜后，由平面镜再反射回去，并再次通过透镜射向物屏。（）在光具座上，前后移动凸透镜，使物屏上产生倒
6、立、等大、清晰的实像，当共轴很好时，物与像完全重合，用纸片遮住平面镜，清晰的像应该消失。记下凸透镜在导轨上的位置。重复步骤（3）五次，记录物及透镜所在的位置，计算出的平均值。用物距与像距法测量凹透镜焦距（）按图5固定物屏的位置于处，并在其后的导轨上放置一凸透镜，使像屏上成一倒立缩小的实像。记下像屏位置。（通过凸透镜也可成一个倒立放大的实像，但所成的缩小实像亮度、清晰度高，易准确定位；另外，由于光具座尺寸的限制，所以，实验中只能成缩小的实像。）（）移动像屏的位置，重复（1）步骤五次，将测量6次所得的位置填入自拟的表格中。（）在凸透镜与像屏之间放上凹透镜，的位置应靠近一些，此时上倒立缩小的实像可能
7、模糊不清，可将像屏向后移动，直至在处又出现清晰的像。重复找出、的位置六次，填入自拟的表中。（4）利用高斯公式计算出凹透镜的焦距。（高斯公式具体用到这里、均为负值，若大，也大；，）思考题为什么要调节光学系统共轴？调节共轴有那些要求？怎样调节？为什么实验中常用白屏作为成像的光屏？可否用黑屏、透明平玻璃、毛玻璃，为什么？ 为什么实物经会聚透镜两次成像时，必须使物体与像屏之间的距离大于透镜焦距的4倍？实验中如果选择不当，对的测量有何影响？在薄透镜成像的高斯公式中，在具体应用时其正、负号如何规定？ 补充材料1有关“薄透镜”的部分术语（1）薄透镜：若透镜的厚度与其球面的曲率半径相比，小得可以忽略不计，则称
8、为薄透镜。（2）主光轴：连接透镜两球面曲率中心的直线，称为透镜的主光轴。（3）光心：透镜主截面上的中心点，通过该点的光线，不改变原来的方向，称这点为光心。（4）副光轴：通过光心的任一直线称为薄透镜的副光轴。（5）主截面：能过光心而垂直于主光轴的平面称为透镜的主截面。（6）物空间：规定入射光束在其中进行的空间称为物空间。（7）像空间：折射光束在其中进行的空间称为像空间。（8）像焦点（第二焦点）：平行于光轴的光束，经透透折射后，会聚于主光轴上的一点称像点。（9）像焦距（第二焦距）：从透镜的光心到像焦点的距离称为薄透镜的焦距。（10）物焦点（第一焦点）：主光轴上发光点发出的光经薄透镜折射后成为一束平
9、行光，此点称物焦点。（11）物焦距（第一焦点）：从透镜光心到的距离称为薄透镜的物距。（12）副焦点：平行于任一副光轴的平行光，通过透镜后会聚于这副光轴上的一点，这一点称为副焦点。（13）焦平面：焦平面就是由许许多多副焦点的集合构成的平面；或定义为：过焦点而垂直于主光轴的平面，也称焦平面。（14）实像：自物点发出的光线经透镜折射后，实际汇聚于一点的像。（15）虚像：自物点发出的光线经透镜折射后，光线发散，而其光线的反向延长线汇聚一点的像。（16）实物：发散的入射光束的顶点，称实物。实验二 分光计测透明介质的折射率实验目的了解分光仪的结构；掌握分光仪的调节和使用方法。掌握测定棱镜顶角的方法。学会用
10、最小偏向角测定棱镜的折射率。实验仪器型（或型）分光仪，三棱镜（等边），汞灯。 重点难点：1、按实验操作规程规范操作。2、动手操作能力培养。3、用最小偏向角法测定棱镜玻璃的折射率德育渗透：1、培养学生爱护仪器，保护国家财产的意识。2、培养学生互相帮助，团结协作的精神教学方法1、讲授法。2、演示法。3、学生分组实验法布置作业：1、数据处理。2、误差分析3、独立完成实验报告。4、预习下一个实验实验原理测量三棱镜的顶角12 三棱镜由两个光学面和及一个毛玻璃面构成。三棱镜的顶角是指与的夹角，如图531所示。自准值法就是用自准值望远镜光轴与面垂直，使三棱镜面反射回来的小十字像位于准线中央，由分光仪的度盘和
11、游标盘读出这时望远镜光轴相对于某一个方位的角位置；再把望远镜转到与三棱镜的面垂直，由分光仪度盘和游标盘读出这时望远镜光轴相对于的方位角，于是望远镜光轴转过的角度为，三棱镜顶角为由于分光仪在制造上的原因，主轴可能不在分度盘的圆心上，可能略偏离分度盘圆心。因此望远镜绕过的真实角度与分度盘上反映出来的角度有偏差，这种误差叫偏心差，是一种系统误差。为了消除这种系统误差，分光仪分度盘上设置了相隔的两个读数窗口（、窗口），而望远镜的方位由两个读数窗口读数的平均值来决定，而不是由一个窗口来读出，即， （531）于是，望远镜光轴转过的角度为应该是 （532）用最小偏向角法测定棱镜玻璃的折射率如图532所示，在
12、三棱镜中，入射光线与出射光线之间的夹角的称为棱镜的偏向角，这个偏向角与光线的入射角有关 （533） （534）由于是的函数，因此实际上只随变化，当为某一个值时，达到最小，这最小的称为最小偏向角。为了求的极小值，令导数，由（534）式得（535）由折射定率得， 于是，有此式与（533）比较可知，在棱镜折射的情况下，所以 由折射定律可知，这时，。因此，当时具有极小值。将、代入（533）、（534）式，有， ，。 （536）由此可见，当棱镜偏向角最小时，在棱镜内部的光线与棱镜底面平行，入射光线与出射光线相对于棱镜成对称分布。由于偏向角仅是入射角的函数，因此可以通过不断连续改变入射角，同时观察出射光线
13、的方位变化。在的上述变化过程中，出射光线也随之向某一方向变化。当变到某个值时，出射光线方位变化会发生停滞，并随即反向移动。在出射光线即将反向移动的时刻就是最小偏向角所对应的方位，只要固定这时的入射角，测出所固定的入射光线角坐标，再测出出射光线的角坐标，则有 （537）实验内容1按光学实验基础知识，对分光仪进行调整（）调节目镜，看清分划板上准线及小棱镜上十字。（）在载物平台上放上三棱镜并调节望远镜及平台，使在望远镜中看到三棱镜两个光学面反射的小十字像。（）调节望远镜物镜，使十字像清晰。（）调整望远镜与分光仪主轴垂直。用自准值法测量三棱镜顶角（）锁紧分度盘制动螺钉，转动望远镜（这时望远镜转动锁紧螺
14、钉9松开），使望远镜对准三棱镜的反射面，锁紧望远镜转动螺钉9。利用望远镜转动微调，使由面反射回来的小十字像位于分划板准线的中央，记下分度盘两个窗口的读数值与。（）松开锁紧螺钉，把望远镜转到与面垂直，再锁紧螺钉。利用微调使由面反射回来的小十字像位于分划板上准线中央，记下分度盘上两个窗口的读数、。（）按上述两步重复测量四次，将数据填入自拟表中，由（531）式求出，计算出的平均值及标准误差。用反射法测量三棱镜顶角R1R24在图533中，用光源照亮平行光管，它射出的平行光束照射在棱镜的顶角尖处，而被棱镜的两个光学面和所反射，分成夹角为的两束平行反射光束、。由反射定律可知，所以。因为，所以。于是只要用分光仪测出从平行光管的狭缝射出的光线经、两个面反射后的二束平行光与之间的夹角，就可得顶角，则 （538）（）按实验内容的步骤调好分光仪。（）参照图532转动望远镜，寻找面反射的狭缝像，使狭缝像与竖直准线重合，记下分光仪、窗口的读数，继续转动望远镜，寻找面反射的狭缝像，也使狭缝像与竖直准线重合，再记下分光仪、窗口的读数、。（）重复上述测量四次，将数据填入自拟表中，由（537）式求出的平均值及标准误差。用最小偏向角法测定棱镜玻璃的折射率（
