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      利用平面鏡共軛法 改進測定薄凸透鏡焦距實驗

      2017-01-13 06:27:49陸苗霞
      物理之友 2016年12期
      關(guān)鍵詞:平面鏡凸透鏡共軛

      陸 旭 陸苗霞

      (1. 江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院鎮(zhèn)江分院,江蘇 鎮(zhèn)江 212026;2. 應(yīng)天職業(yè)技術(shù)學(xué)院工學(xué)院,江蘇 南京 210023)

      ·實驗研究·

      利用平面鏡共軛法 改進測定薄凸透鏡焦距實驗

      陸 旭1陸苗霞2

      (1. 江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院鎮(zhèn)江分院,江蘇 鎮(zhèn)江 212026;2. 應(yīng)天職業(yè)技術(shù)學(xué)院工學(xué)院,江蘇 南京 210023)

      薄凸透鏡焦距的測定是光學(xué)中的基礎(chǔ)實驗,中學(xué)物理實驗中常用成像法測量薄凸透鏡的焦距,但誤差控制較差.筆者經(jīng)多次實驗探索與嘗試,對傳統(tǒng)的成像法進行改進,利用平面鏡對凸透鏡共軛成像進行改進,可得到較好的實驗現(xiàn)象與效果,對誤差的控制較好,供廣大一線教師參考.

      凸透鏡成像;平面鏡;共軛法

      薄凸透鏡焦距的測定是光學(xué)的一個基礎(chǔ)實驗,在中學(xué)以及大學(xué)物理實驗中廣泛開展.常見的薄凸透鏡焦距的測定有以下幾種方法:成像法(含共軛成像法)、自準(zhǔn)直法、光斑法.無論采用成像法或自準(zhǔn)直法,最終會落實到人眼對成像質(zhì)量的判別上,即是否為聚焦良好的像,成為焦距測量誤差的主要來源.而透鏡成像質(zhì)量又主要依賴于共軸、等高的調(diào)節(jié)以及透鏡本身像差品質(zhì).為了減小對成像質(zhì)量判斷帶來的誤差,經(jīng)過理論分析及實驗探索嘗試,筆者使用平面鏡共軛成像對凸透鏡成像實驗進行了改進,取得了較好的效果.

      1 問題的提出

      圖1

      利用自準(zhǔn)直法成像,光路如圖2所示,所用實驗器材有光源(物體)、凸透鏡L和平面鏡M.調(diào)節(jié)光源與透鏡間距離,在光源處看到等大倒立清晰的像,測量光源與透鏡間距即為焦距f,但由于像倒立,且平面鏡的方位可調(diào)節(jié)像的位置移動,不能使光源和像完全重合,因此在測量過程中,要得到等大清晰像也存在一定困難.

      圖2

      2 實驗改進與討論

      2.1 實驗改進

      為了能在成像測量過程中減小人為判斷帶來的誤差,需要引入可比較的因素.雖然在自準(zhǔn)直法實驗中,像的大小可調(diào)節(jié)到與光源等大,但倒立像在直觀上不太容易與光源比較.因此,筆者將圖1中光屏P用平面鏡M代替,設(shè)法使像與光源重合,因此將像(光斑)是否與光源重合作為實驗中光路調(diào)節(jié)與否的“判定”依據(jù).將“判斷”改進為“判定”,能減小實驗的人為誤差.實驗光路由光源(物體)、凸透鏡L和平面鏡M組成.通過調(diào)節(jié)平面鏡的位置,會在光源所在平面上觀察到光斑大小的變化,當(dāng)光斑縮小到與光源重合,則平面鏡所在位置即為光源的成像位置,通過測量物距與像距大小,即可由透鏡公式求得焦距.光路如圖3所示,因為平面鏡不改變光線的聚焦性質(zhì)而只做軸對稱翻轉(zhuǎn),因此光路圖3以平面鏡為軸做左右對稱翻轉(zhuǎn).光線描述的具體過程為光源O處的物體AB經(jīng)透鏡L成像為平面鏡M上的CD,所有光線經(jīng)反射后又通過透鏡L聚焦,將會到達原出發(fā)點AB(A′B′),與原光源重合.平面鏡在此過程中對所有光線進行反射,反射后的光線按各自的路徑傳播而不是原路返回,注意這與光路可逆不同,但也不矛盾.

      圖3

      2.2 實驗討論

      為了能得到較好的實驗效果,實驗需要在較暗的環(huán)境下進行,如圖4(a)所示,光源為將高亮度LED嵌入白屏而制得.當(dāng)平面鏡正處于第一次成像CD處,光線通過平面鏡反射并通過透鏡二次成像,將在光源白屏上得到像斑恰好與光源重合,效果如圖4(b)所示.當(dāng)實驗過程中平面鏡的位置不在光源一次成像的位置上時,在光源處屏上能看到放大的光斑效果.

      圖4

      當(dāng)平面鏡處于成像點前,如圖3中的M1的位置時,平面鏡相當(dāng)于將所成像CD提前到EF處,則二次成像為E′F′;而當(dāng)平面鏡處于成像點后,如圖3中的M2的位置時,平面鏡相當(dāng)于將成的像CD拉后到GH處,則二次成像為G′H′.無論平面鏡M是否在第一次成像的前或者后,在光源O處的屏上只能看到由不聚焦帶來的如圖4(c)和(d)光斑效果.只有在共軛的情況下,光源O處的屏上的光斑才與光源重合,這正是改進實驗效果減小誤差的原因所在.

      本實驗在不改變現(xiàn)有實驗條件的情況下,通過對平面鏡的合理使用和實驗設(shè)置的調(diào)整,減少了實驗的人為誤差,提高了實驗效果.

      [1] 李迎春,張永春.凸透鏡成像實驗裝置的不足及改進[J].物理通報,2010,(4).

      [2] 王正東.“探究凸透鏡成像規(guī)律”實驗器材的改進初探[J].物理教學(xué)探討,2012,(1).

      [3] 王宏明,辛春雨.再議對薄透鏡焦距測定的進一步研究[J].商丘師范學(xué)院學(xué)報,2006,(2).

      [4] 孫平,張仲.“薄透鏡焦距測量中的誤差及處理”[J].廣西工學(xué)院學(xué)報,2001,(2).

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