《平行光管研究性实验报告》由会员分享，可在线阅读，更多相关《平行光管研究性实验报告（16页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、 . 北航物理研究性实验报告专题：平行光管法测透镜焦距班级：第一 第二作者第三 摘要透镜是光学仪器中最基本、最重要的元件，它由透明材料做成。掌握透镜的成像规律，是了解光学仪器的原理和正确使用光学仪器的重要基础。而焦距则是反映透镜特性的一个重要参数。本实验通过平行光管法来测量凸透镜以与凹透镜的焦距，并进行了数据处理以与不确定度计算，并以实验数据对误差的来源进行了定量分析。同时还给出了调节光路的经验总结与方法，并对现有实验仪器与实验方法提出了改进的意见。关键词:平行光管 透镜焦距 改进仪器 改进方案AbstractThe lens is the most basic optical instrum
2、ents, the most important element of Optical instruments, which is made of transparent material.Mastered lens laws of imaging, is an important basis for the understanding of the principles of optical instruments and proper use of optical instruments.And the focal length is an important parameter to r
3、eflect the characteristics of the lens.This experiment uses the parallel light tube method to measure the focal length of the convex lens and the concave lens, and does the data processing and Uncertainty calculation,And also does the quantitative analysis of the sources of error.Also given the expe
4、rience and methods to adjust the optical path, and put forward suggestions for improvement of the existing experimental apparatus and the experiment method.Key words:parallel light tubefocal length of the lens Improve instruments Improve method一、实验目的 掌握简单光路的调整方法等高共轴调整； 学习用平行光管法测量凸透镜以与凹透镜焦距； 学习消除系统误差
5、或减小随机误差的方法；二、实验原理薄透镜是指透镜的中心厚度d 远小于其焦距f（df ）的透镜。近轴光线是指通过透镜中心部分并与主光轴夹角很小的那一部分光线。为了满足近轴光线条件，常在透镜前（或后）加一带孔的屏障，即光阑，以挡住边缘光线；同时选用小物体，并作等高共轴调节，把它的中点调到透镜的主光轴上，使入射到透镜的光线与主光轴的夹角很小。在近轴光线条件下，薄透镜的成像规律可用下式表示，即其中，u为物距，实物为正，虚物为负；v为像距，实像为正，虚像为负；f为焦距，凸透镜为正，凹透镜为负。对于薄透镜，均从光心开始算起。平行光管是一种能发射平行光束的精密光学仪器，也是装校和调整光学仪器的重要工具之一。
6、它有一个质量优良的准直物镜，其焦距的数值是经过精确测定的。本实验所用f550平行光管，其物镜焦距约550mm（准确数值由厂家提供）。其光学系统主要结构如图一所示。 图一 ：1. 光源 2.毛玻璃 3.分划板 4.物镜在平行光管中，利用白炽灯作为光源1。由于灯丝发出的光不是均匀的面光源，因此需要通过毛玻璃2将其转换成均匀的面光源照射分划板。分划板3置于物镜4的焦平面上，因此，从物镜射出的光为平行光。更换不同的分划板，可以提供不同用途的测量。1平行光管法测量凸透镜焦距本实验利用物像之间的比例关系测量透镜的焦距。实验光路如图二所示。图二 测凸透镜焦距光路图 图三玻罗分划板将待测透镜置于平行光管物镜前
7、，再将平行光管的分划板3换成刻有五组刻线对的玻罗分划板（见图二），玻罗分划板每对刻线的间距分别为20、10、4、2、1（单位：mm）。从图中几何关系可以看出待测透镜的焦距为 (1)(1)式中，y 是在玻罗分划板上所选刻线对的实际间距； 是该刻线对在透镜后焦面上所成像的间距； 是平行光管物镜的焦距；是待测凸透镜的焦距。2平行光管法测量凹透镜焦距本实验测量原理是将一焦距已知的凸透镜与待测凹透镜组成一伽利略望远镜系统，实验光路如图四所示。图四 测凹透镜焦距光路图将待测透镜放在两个凸透镜和之间，当调节凹透镜的位置使其后焦点与凸透镜的后焦点重合时，凸透镜与凹透镜便准确地组成伽利略望远镜，它们的出射光再次
8、成为平行光，由几何关系有有又根据前述凸透镜焦距的测量原理，可知凸透镜的焦距满足： (2)于是由式(1)、式(2)得 或 式中，是玻罗分划板上某刻线对经凸透镜成像后的间距；是该刻线对经、透镜组成像后得到的间距；是凸透镜的焦距。三、实验仪器光具座、凸透镜、凹透镜、光源、屏、箭状孔、小孔、叉丝分划板、平行光管（含十字叉丝、玻罗分划板）、测微目镜、半导体激光器、凹面镜、凸面镜、平面反射镜。四、实验步骤1等高共轴调节本实验中各元件的等高共轴调节极为重要，特别是测凹透镜焦距时，若共轴调节不准，就可能观察不到成像。本实验等高共轴调节思路如下：（1） 目测粗调各光学元件等高共轴。将各光学元件靠拢在一起，调节他
9、们高低左右的位置，凭目测使它们的中心大致在一条与导轨平行的直线上，元件平面与导轨垂直。（2） 利用细激光束的高准直特性进行细调。在平行光管的焦平面上放置十字叉丝分划板，让激光束照射叉丝中心，并从平行光管物镜中心出射，此时可以在物镜后的白屏上观察到十字叉丝的衍射图案，沿导轨移动白屏，观察屏上激光光点的位置是否改变，相应的调节激光和平行光管的方向，直至移动白屏时光点位置不再发生变化，至此激光光束与导轨平行；然后逐个放入其他光学元件的方位，按照光轴上的物点仍应成像在光轴上的原理，使之沿导轨移动的过程中，出射的激光光点的位置不变。（3） 利用透镜成像原理进一步微调，再通过目镜观察成像的场合，可利用成像
10、的位置将各元件调至等高共轴。先记录下某透镜成像的位置，再依次放入其他透镜，近调节该透镜的高低左右使成像位置保持不变即可。2测量凸透镜焦距将平行光管分划板换成玻罗分划板，按图二所示原理放置并调节透镜，使从测微目镜中观察到清晰、无视差的玻罗分划板像。通过测微目镜测出某刻线对（或某些刻线对）像距，由（1）式求出求得凸透镜焦距。3测量凹透镜焦距由前述测量凸透镜焦距的方法调整好另一凸透镜，测出某对刻线像距，保持与测微目镜之间距离不变。再按图三加上凸透镜和待测凹透镜，调整它们之间的距离，当二者焦距重合构成无焦系统时，凹透镜将出射平行光，即测微目镜中再次出现清晰的玻罗分划板成像，测出此时同一刻线对像距。按（
11、3）式算得凹透镜焦距。五、实验数据的记录与处理1原始数据的记录单位：毫米/mmi123456782.4553.5513.9134.0974.4614.6455.0076.1092.3473.4593.8504.0234.3874.5904.9916.0813.0594.6255.3306.8097.5789.1382凸透镜焦距与其不确定度的计算i1234124100.3640.7321.4563.654/0.3640.3660.3640.365有已知则有 所以有有上述结果可知该实验为不等精度测量，所以根据加权平均公式 可得 以与所以有3凹透镜焦距与其不确定度的计算因为测量时玻罗分划板已经放大，
12、在测微目镜中只能看到玻罗分划板中心的刻线对。对数据整理如下：i1234124100.3640.7401.5323.7341.4792.9536.079已知 又因为知道 化简，即所以计算得由此可知，该实验为不等精度测量，根据加权平均公式可得所以我们得到六、误差来源分析在该实验中，凸透镜以与凹透镜焦距标准值分别为我的实验数据与标准值相比偏大，可能是因为测量刻线对像距时未能使测微目镜中的十字叉丝与刻线的像严格对准，这可能是未能准确调节二者平行的缘故所致。除此之外，测微目镜读数误差也是可能的原因。对于如何尽可能的消除误差。我们可以从误差计算公式看出，玻罗分划板上刻线间距越小，读数时的相对误差就越大，所
13、以为了提高测量精度，在实际测量时应该尽可能读取较多的刻线对或使用间距较大的刻线对。七、实验调节经验技巧总结1调节光路等高共轴经验技巧调节光路等高共轴的时候，要充分利用好激光的高准直特性。让激光束从十字叉丝的中心入射，同时可以通过查看反射的光点是否与激光发生器的出射口重合，以此来验证激光是否垂直入射平行光管。这一步之后，可以将一白屏放置于平行光管后，前后移动白屏，观察光点是否移动，以此来验证激光束是否与导轨平行。同理调节其他光学仪器与导轨平行。2测量凸透镜焦距经验技巧测量凸透镜焦距时，根据自己的经验，将凸透镜放置于离测微目镜大概20厘米左右的距离，然后我的经验是先观察测微目镜，查看视野中能否观察
14、到暗边，若能的话应调节测微目镜的位置，使得视野中不存在暗边，这样可以方便接下来观察玻罗分划板像。还有一点就是观察到清晰的玻罗分划板像之后，应调节玻罗分划板使得其刻线对的像与测微目镜中的十字叉丝严格平行，若没有做到这一点，会造成实验中的误差。3测量凹透镜焦距经验技巧测量凸透镜焦距结束后，可以不移动光具座，直接换上另一个凸透镜，由于两个凸透镜焦距相近，不需要大幅度调节就可以看到清晰的玻罗分划板的像，这样节省了不少时间。测量第二块凸透镜焦距后，可以不用移动光具座。在另外两个光具座上按照光路安装上凸透镜和凹透镜，然后慢慢将二者从靠近平行光管的一侧移向靠近测微目镜一侧，期间要注意二者之间的距离保持在15厘米左右，同时要观察测微目镜，查看是否出现玻罗分划板的像，如果出现了不清晰的像，而怎么移动凹透镜和凸透镜都无法将其调清晰，可以只前后调节凹透镜或者凸透镜即可（一般调节凹透镜，因为凹透镜离自己近方便调节）。八、实验仪器方法的改进建议1实验仪器的改进建议由于我在做实验的时候在等高共轴调节时花费了不少时间，所以我一直在想一个直观的方法来代替现有的调节方法。对于如何调节仪器水平平行，我想到了应用水平气泡仪的方法。即在平行光管以与激光器还有各个透镜上安装水平气泡仪，这样的话，在粗调等高共轴的基础上，可以通过观察水平气泡仪中气泡的位置来进行细调，最后再利用激光的高准直特性进行验证。由于水平
