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实验8 薄透镜焦距的测定透镜是组成各种光学仪器的基本光学元件，焦距则是透镜的一个重要参数。
在不同的使用场合往往要选择合适的透镜或透镜组，这就需要测定透镜的焦距。
本实验通过不同的实验方法来研究薄透镜的成像规律，并确定其焦距。
一、实验目的 1. 了解薄透镜的成像规律； 2. 掌握光学系统的共轴调节； 3. 测定薄透镜的焦距。
二、实验仪器光具座、薄透镜、光源、像屏、观察屏、平面反射镜等。
三、实验原理1. 薄透镜成像公式当透镜的厚度远比其焦距小的多时，这种透镜称为薄透镜。
在近轴光线的条件下，薄透镜成像的规律可表示为：fv u 111=+ （8-1） 式中U 表示物距，V 表示像距，f 为透镜的焦距，U 、V 和f 均从透镜的光心O 点算起。
并且规定U 恒取正值；当物和像在透镜异侧时，V 为正值；在透镜同侧时，V 为负值。
对凸透镜f 为正值，对凹透镜f 为负值。
2. 凸透镜焦距的测定（1）自准法如图8-1所示，将物AB 放在凸透镜的前焦面上，这时物上任一点发出的光束经透镜后成为平行光，由平面镜反射后再经透镜会聚于透镜的前焦平面上，得到一个大小与原物相同的倒立实像A ´B ´。
此时，物屏到透镜之间的距离就等于透镜的焦距f 。
（2）物距像距法（U>f ）物体发出的光线经凸透镜会聚后，将在另一物距和像距代入（8-1）式得：vu uvf +=(8-2) 由上式可算出透镜的焦距f 。
（根据误差传递公式可知，当U=V =2f 时，f 的相对误差最小）。
（3）共轭法如图8-2所示，固定物与像屏的间距为D(D>4f)，当凸透镜在物与像屏之间移动时，像屏上可以成一个大像和一个小像，这就是物像共轭。
根据透镜成像公式得知：u 1=v 2 ； u 2=v 1 （因为透镜的焦距一定）若透镜在两次成像时的位移为d ，则从图中可以看出1212u v u d D =-=-，故 2dD u -=。
由 2211dD d D D u D v +=--=-= 得： Dd D v u v u f 4221111-=+= (8-3) 由上式可知只要测出D 和d ，就可计算出焦距f 。
光学薄片成像规律(5条)光学薄片成像规律1. 光学薄片的折射规律光学薄片成像的第一个规律是折射规律。
根据斯涅尔定律，入射光线在光学薄片表面的折射角与出射光线在薄片内部的折射角之间满足一个简单的关系。
这个关系可以通过折射定律表示为：$n_1 \sin(\theta_1) = n_2 \sin(\theta_2)$，其中$n_1$和$n_2$分别代表光线在薄片上下介质的折射率，$\theta_1$和$\theta_2$分别代表入射角和折射角。
2. 光学薄片的透射规律除了折射规律，光学薄片成像还要考虑透射规律。
透射规律指的是入射光线经过光学薄片后的透射光线与入射光线之间的关系。
根据透射定律，入射光线和透射光线在薄片表面的法线方向上满足一个简单的关系。
这个关系可以用透射角和入射角之间的关系表示为：$\theta_1 = \theta_2$，其中$\theta_1$为入射角，$\theta_2$为透射角。
3. 光学薄片的相位差规律在光学薄片成像过程中，相位差是一个重要的概念。
相位差指的是在光线通过薄片后，不同部分的光线所具有的相位差。
根据相位差规律，相邻两个平行的光线通过光学薄片后的相位差可以表示为：$\Delta \phi = \frac{2 \pi t}{\lambda} \cdot (n_2 - n_1)$，其中$\Delta \phi$为相位差，$t$为薄片的厚度，$\lambda$为光的波长，$n_1$和$n_2$分别代表光线在薄片上下介质的折射率。
4. 光学薄片的干涉规律干涉是光学薄片成像中的一个重要现象。
光学薄片中的反射和透射光线可以发生干涉，干涉现象会影响到成像结果。
根据干涉规律，当两束光线经过光学薄片后相遇时，如果它们的相位差满足某些条件，就会产生干涉现象。
干涉现象可以观察到明暗相间的条纹或颜色的变化。
5. 光学薄片的厚度规律光学薄片的厚度对成像结果有重要影响。
根据光学薄片的厚度规律，当光线通过光学薄片时，不同厚度的薄片会导致不同的干涉效果和成像结果。
薄透镜焦距的测量实验原理薄透镜是一种常用的光学器件，其焦距的测量是光学实验中的一项重要内容。
下面介绍薄透镜焦距的测量实验原理。
实验原理：1.薄透镜的成像规律：薄透镜是由两个界面曲率半径较大的球面界组成，可以将平行光线聚焦或发散。
当光线通过薄透镜时，根据光线在两个球面界面的折射规律，可以得出薄透镜成像的位置和特点。
如果光线垂直入射，则光线通过薄透镜后会向透镜的凸面（或凹面）偏转，经过折射后再次偏转，最终会交于焦点F处，称为正焦距。
如果入射光线聚焦点在薄透镜的凹面（或凸面）前，光线通过透镜会发散出去，焦点F位于入射光线背后，称为负焦距。
2.物距与像距的关系：薄透镜成像过程中，物距与像距之间遵循以下关系：1/f=1/v-1/u其中，f为焦距，v为像距，u为物距。
若焦距为正值，则为凸透镜；若焦距为负值，则为凹透镜。
实验步骤：1.首先，将薄透镜固定在一个透明平板上，以保持透镜水平。
2.准备一个屏幕，调整屏幕与透镜的距离，使得在透镜后方形成清晰的倒立成像。
调整距离，直到获得清晰的像。
3.测量透镜与屏幕之间的距离，记为v（像距）。
4.在透镜前方放置一个物体，将物体逐渐向透镜移动，直到在屏幕上形成一个清晰的倒立成像。
5.测量物体与透镜之间的距离，记为u（物距）。
6.根据物距与像距的关系，计算出焦距。
实验注意事项：1.在进行实验时，保持透镜和屏幕与物体之间的距离尽量相等，避免误差。
2.实验中使用的透镜要保持光洁，并避免损伤，以保证成像质量。
3.实验过程中要注意减小环境光的干扰，保证成像清晰。
总结：薄透镜焦距的测量实验基于薄透镜的成像规律和物距与像距的关系进行。
通过测量透镜和屏幕之间的距离以及物体和透镜之间的距离，可以计算出薄透镜的焦距。
这种实验方法简便易行，为光学实验中常用的一种焦距测量方法。
透镜的规律透镜是一种能够折射光线的光学器件，它在我们的日常生活中有着广泛的应用。
透镜的规律是指透镜在折射光线时遵循的一些基本原理。
了解透镜的规律，不仅可以帮助我们理解光的传播和折射的过程，还可以为我们解决一些实际问题提供便利。
透镜的规律可以归纳为以下几个方面。
1. 焦距规律：透镜的焦距是透镜的一个重要参数，它决定了光线经过透镜后的聚焦效果。
对于薄透镜而言，焦距与透镜的曲率半径成反比，即曲率半径越小，焦距越大。
这个规律在光学仪器设计和制造中具有重要意义。
2. 成像规律：透镜能够将光线聚焦到一点上，形成清晰的像。
对于薄透镜而言，当光线从无限远处射向透镜时，光线会经过透镜后汇聚于焦点上。
而当光线从焦点射向透镜时，光线会经过透镜后变为平行光线。
这个规律使得透镜在成像方面有着重要的应用，如照相机、望远镜等。
3. 放大率规律：透镜的放大率是指透镜成像的物体与像的大小比值。
对于薄透镜而言，放大率与物距、像距和焦距之间存在一定的关系。
当物体位于焦距内，透镜成像是放大的；当物体位于焦距外，透镜成像是缩小的。
这个规律使得透镜在显微镜、放大镜等光学仪器中有着广泛的应用。
透镜的规律不仅仅是理论上的知识，更是实际应用中的指导原则。
在工程设计、医学诊断、物体观察等领域，透镜的规律都发挥着重要的作用。
了解透镜的规律，可以帮助我们更好地理解光的传播和折射的过程，进而应用于实际问题的解决。
透镜的规律是光学学科的基础知识，它对于我们理解光的传播和折射的过程，以及应用于实际问题的解决具有重要的意义。
通过深入研究透镜的规律，我们可以更好地应用透镜，使其在各个领域发挥更大的作用。
光学薄透镜成像公式推导在光学领域中，透镜是一种常见的光学元件，用于调节光线的传播和聚焦。
透镜能够通过折射和反射光线来实现成像效果，并且其成像原理可以通过成像公式来描述和计算。
本文将对光学薄透镜成像公式进行推导。
1. 成像原理在推导成像公式之前，我们首先要了解透镜的成像原理。
当平行光线射向凸透镜时，经过透镜折射后会聚焦于一个点，我们称之为焦点。
这个点位于透镜的正面，与光线所传播的路径相交。
同样地，当平行光线射向凹透镜时，折射后也会聚焦于一个点，但这个点位于透镜的背面。
这两种成像方式分别称为凸透镜的实像和凹透镜的虚像。
2. 薄透镜的性质在光学中，由于透镜的曲率半径较大，透镜的厚度相对于半径可以忽略不计，我们将这种透镜称为薄透镜。
薄透镜有两个主要性质：焦距和薄透镜公式。
焦距是指透镜将平行光线聚焦成一点所需要的距离，通常用字母f表示。
凸透镜的焦距为正，而凹透镜的焦距为负。
焦距与透镜形状和材料有关，一般情况下可以通过实验或计算求得。
薄透镜公式是描述薄透镜成像关系的公式，它可以用来计算物体距离、像距和焦距之间的关系。
根据薄透镜的公式，我们可以得到以下关系：1/f = 1/v - 1/u，其中， f为焦距， v为像距， u为物距。
3. 推导薄透镜公式为了推导薄透镜公式，我们需要假设以下条件：- 光线在薄透镜附近传播时，它们可以被认为几乎是直线；- 光线的折射符合斯涅尔定律，即入射角等于折射角。
根据这些假设，我们可以通过几何光学的方法来进行推导。
首先，设物体距离为u，光线经过透镜后聚焦成像，像距为v。
根据该成像过程，我们可以得到两个三角形：入射光线与透镜的三角形和折射光线与透镜的三角形。
根据入射光线与透镜的三角形，我们可以得到以下关系式：tanθ1 = h/u，其中，θ1为入射角， h为物体的高度。
根据折射光线与透镜的三角形，我们可以得到以下关系式：tanθ2 = h/v，其中，θ2为折射角。
由于斯涅尔定律，我们可以得到θ1和θ2之间的关系式：n1sinθ1 = n2sinθ2，其中，n1为入射介质的折射率，n2为折射介质的折射率。
了解薄透镜成像规律1、知识介绍透镜是一种将光线聚合或分散的光学元件，通常是由玻璃、水晶、塑料等透明材料构成，日常生活中使用的放大镜、眼镜都是透镜。
透镜分两类，中间厚边缘薄的叫凸透镜，中间薄边缘厚的叫凹透镜。
人类使用透镜的历史比较悠久，有关透镜的文字记载，最早是古希腊的ristophanes在公元前424年提到了烧玻璃（即利用凸透镜汇聚太阳光来点火）；古罗马作家、科学家老普林尼（23年–79年）用文字叙述了尼禄曾利用绿宝石（类似于矫正近视的凹透镜）观看格斗比赛；古罗马哲学家塞涅卡也曾记述了一个著名的历史传说，相传古希腊科学家阿基米德在古罗马人侵略古叙古拉的时候，用一个巨型凸透镜成功地点燃并烧毁了古罗马人的战船。
我国古代曾有过“以珠取火”之说，文献记载最早见于《管子·侈靡》篇：“珠者，阴之阳也，故胜火。
”（原注：珠生于水，而有光鉴，故为阴之阳。
以向日则火烽，故胜火）。
西汉（公元前206～23年）《淮南万毕术》中记载：“削冰令圆，举以向日，以艾承其影，则火生。
”“削冰令圆”指制作冰透镜；“以艾承其影”是指将易燃物艾放在其焦点上。
其后，晋朝张华的《博物志》中也有类似记载。
随着科学技术的发展，透镜在工业、农业、航天、军事、矿业、能源、科学研究以及日常生活等各个方面都有着重要的应用。
除了近视眼镜、老花眼镜、放大镜、照相机、投影仪等之外，还有最重要的两个应用——显微镜和望远镜。
有了显微镜，人类开始认识微观世界。
显微镜是将微小物体或物体的微细部分高倍放大以便观察的仪器，广泛应用于工农业生产及科学研究。
显微镜分光学显微镜和电子显微镜：光学显微镜以可见光为光源，在1590年由荷兰的杨森父子首创，现在的光学显微镜可把物体放大约2000倍，分辨的最小极限达0.1微米（μm即10-6m）。
图3-1 光学显微镜图3-2 光学显微镜构造示意图图3-3 光学显微镜下的雪花1934年德国人鲁斯卡设计制造出第一台电子显微镜，大大推动了人类进行科学研究的进程。
特别是20世纪90年代之后的电镜，除用于形态分析之外，已成为结合了各种元素分析、离子定位、元素浓度定量分析附件的多功能型仪器，通过与计算机联机，能进行图像分析、图像处理及远程图像传输与分析。
其成象原理和光学显微镜相似，但采用电子射线来代替光波，电磁透镜组相当于光学显微镜中的聚光器、物镜及目镜系统。
其性能远远超过了光学显微镜，分辨率目前可以达到1埃（Å即10-10m），放大率已达到几十万倍以上，已经成为凝聚态物理、半导体电子技术、材料、化学、生物、地质等多学科的非常重要的研究手段。
可以说，没有电子显微镜，就没有现代科学技术。
电子显微镜包括透射电子显微镜（Transmission Electron Microscope，TEM）、扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，SEM）、高分辨率的扫描透射电镜（High Resolution Scanning Transmission Electron Microscope，HRSTEM）、扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope，STM）、原子力显微镜（Atomic Force Microscope，AFM）、激光扫描共聚焦显微镜（Laser Scanning Confocal Microscope，LSCM）等。
其中透射电镜是应用最广泛的一种电子显微镜，通过电子束照射样品，电磁透镜收集穿透样品的电子，并放大成像，用以显示物体内部超微结构。
它的分辨率可达0.2 nm（10-9m），放大倍数可达40-100万倍。
图3-4 透射电子显微镜图3-5 透射电子显微镜下的晶格分布透镜的应用除了使人类深入了解微观世界，也使人类不断改变对宏观世界的认识。
天文望远镜就是观测天体的重要手段，可以毫不夸张地说，没有望远镜的诞生和发展，就没有现代天文学。
将望远镜用于探索宇宙的奥秘，要归功于意大利科学家伽利略，1609年，伽利略制造出一架能提供30倍放大率的小型天文望远镜，利用它观测到了月球陨石坑、太阳黑子、木星的4颗卫星、土星环，并指出银河实际上是由许多恒星构成的。
1672年，牛顿设计了利用凹透镜将光线聚集并反射到焦点上的反射望远镜，这种设计使望远镜的放大倍率达到了数百万倍，远远超过了折射望远镜所能达到的极限。
1930年，德国天文学家施密特将折射望远镜和反射望远镜的优点（折射望远镜像差小，反射望远镜没有色差、造价低廉且反射镜可以造得很大）结合起来，制成了第一台折反射望远镜，是目前使用最广泛的天文望远镜。
图3-6 伽利略折射式望远镜图3-7 牛顿反射式望远镜从第一架光学望远镜到射电望远镜诞生的三百多年中，光学望远镜一直是天文观测最重要的工具。
随着望远镜在各方面性能的改进和提高，天文学也正经历着巨大的飞跃，迅速推进着人类对宇宙的认识。
目前世界上功能最强的五大天文望远镜分别为凯克望远镜、哈勃太空望远镜、斯皮策太空望远镜、大型双筒望远镜和费米伽玛射线空间望远镜。
其中哈勃太空望远镜隶属于美国宇航局（NASA）和欧洲航天局（ESO），发射于1990年，在距地面500公里的太空上进行观测，具有高灵敏度和高分辨能力，能看清距离40亿光年的物体。
它全长12.8米，镜筒直径4.27米，由光学系统、科学仪器和辅助系统三大部分组成。
哈勃太空望远镜在其20年的服役生涯中对太空中的2.5万个天体拍摄了50多万张照片，帮助测定了宇宙年龄，证实了主要星系中央都存在黑洞，发现了年轻恒星周围孕育行星的尘埃盘，提供了宇宙正加速膨胀的证据，并帮助确认了宇宙中存在暗能量，科学家根据其观测结果，撰写了7000多篇科学论文。
图3-9为哈勃望远镜传回的太空图片，千变万化的色彩和亮光仿佛来自于神的世界，被称之为“天国城市”、“上帝居住的地方”。
哈勃太空望远镜给人类带来的惊喜是人类迈向外太空的一个经典，而新一代的韦伯空间望远镜也将在2014年参加太空研究。
韦伯空间望远镜在许多研究计划上的功能都远超过哈勃，但将只观测红外线，在光谱的可见光和紫外线领域内仍无法取代哈勃。
图3-8 哈勃太空望远镜图3-9 哈勃望远镜传回的太空图片尽管光学仪器的种类繁多，但透镜是其中最基本的光学元件。
描述透镜的参数有许多，其中最重要的是透镜的焦距，利用不同焦距的透镜可以组成不同的光学仪器。
因此要了解光学仪器的构造和正确的使用方法，必须先掌握透镜的成像规律，学会光路的分析和调节技术。
2、实验目的1)了解薄透镜成像规律2)学会简单光路的调节3)测量出薄透镜的焦距3、实验原理发光物体通过透镜可以折射成像，对于透镜的厚度远小于焦距的薄透镜，在近轴光线（靠近光轴且与光轴夹角很小的光线）条件下，当物方和像方折射率相等时，薄透镜成像公式（亦称高斯公式）为Rx（3-1）p表示物距；p 表示像距；f为透镜的焦距。
式中凸透镜成像规律凸透镜对光线有汇聚作用，平行光线通过凸球面透镜发生偏折后，光线汇聚，能形成实焦点。
物体位于无穷远处时，成像于透镜异侧焦点处；●物体位于凸透镜两倍焦距之外时，在透镜异侧焦距和两倍焦距之间成缩小的倒立的实像。
如照相机。
●物体位于凸透镜两倍焦距时，在透镜异侧两倍焦距处成等大的倒立的实像；●物体位于凸透镜一倍焦距和两倍焦距之间时，在透镜异侧两倍焦距之外成放大的倒立实像。
如幻灯机、投影仪。
●物体位于凸透镜焦点位置时，在透镜异侧无穷远处成像；如探照灯。
●物体位于凸透镜焦点以内时，成放大的正立虚像于透镜同侧焦距以外，该虚像虽不能用像屏接收，却可以用眼睛透过透镜看到。
如放大镜。
由此，可作出通过凸透镜成像的三条特殊光线如下图所示：平行于主轴入射的光线其出射光线经过焦点；通过光心入射的光线出射方向不变；通过焦点入射的光线其出射光线平行于主轴。
图3-10 凸透镜成像的三条特殊光线凹透镜成像规律凹透镜对光有发散作用。
平行光线通过凹球面透镜发生偏折后，光线发散，成为发散光线，不可能形成实性焦点，沿着散开光线的反向延长线，在投射光线的同一侧交于F 点，形成的是一虚焦点。
●当物体为实物时，在透镜同侧成缩小的正立的虚像；●当物体为虚物，且虚物到凹透镜的距离为一倍焦距以内时，在透镜同侧成放大的正立的实像；●当物体为虚物，且虚物到凹透镜的距离为一倍焦距时，成像于无穷远；●当物体为虚物，且虚物到凹透镜的距离为一倍焦距以外两倍焦距以内时，在透镜异侧成放大的倒立的虚像；●当物体为虚物，且虚物到凹透镜的距离为两倍焦距时，在透镜异侧成等大的倒立的虚像；●当物体为虚物，且虚物到凹透镜的距离为两倍焦距以外时，在透镜异侧成缩小的倒立的虚像。
凹透镜成像的几何作图与凸透镜成像的原则相同。
从物体的顶端作两条直线：一条平行于主光轴，经过凹透镜后偏折为发散光线，将此折射光线相反方向返回至主焦点；另一条通过透镜的光学中心点，这两条直线相交于一点，此为物体的像。
凹透镜成像的三条特殊光线如下：图3-11 凹透镜成像的三条特殊光线4、实验仪器凸透镜凹透镜平面镜物屏像屏光源光具座5、注意事项1)不要用手触摸透镜的光学元件表面，若透镜的光学表面有污痕，要用特制的镜头纸或吹气球拂去。
2)光学元件易损，使用时要轻拿轻放，切勿挤压、碰撞。
实验完毕，将光学元件按原样放好。
3)光具座导轨面必须保持清洁，防止碰伤导轨面，禁止在导轨上放置重物，以免引起导轨变形。
4)数据测量前，需要调节光具座上光学元件的共轴等高。
所谓光学元件的共轴，指各透镜的光轴以及其他光学元件中心重合一致，物面、屏面垂直于光轴，光轴与带有刻度的导轨平行。
共轴调好了，可使光线为近轴光线，减小像差，否则会造成成像质量低，甚至光路不通。
●粗调：将透镜、物屏、光屏等装在光具座上，先将它们靠扰，调节其高低和左右位置，使其中心在一条与光具座大致平行的直线上，并使透镜、物屏、光屏的平面互相平行且垂直于光具座。
●细调：可在粗调基础上利用两次成像法测凸透镜焦距的实验光路，沿光轴移动凸透镜，在光屏上分别得到放大和缩小的实像，若经过细致调节，使得两次成像相应的像点位置重合，则说明系统各光学元件已基本共轴等高。
●如光学系统有多个透镜，则应先调好一个透镜的共轴，不再变动，再根据光轴上物点的像总在光轴上的道理，逐个加入其余透镜，使它们与调好的系统光轴一致。
5)为减小实验中的误差，在实际测量中可考虑以下两个措施：●为消除透镜光心与光具座刻度平面错位而引入的误差，可将透镜转动180°进行测量，取两次结果的平均值。
●像屏在像点附近小范围移动时，人眼无法判断何时所见的像为最清晰的。
为了减小误差，建议采用左右逼近法确定成像位置，即将像屏或透镜自左至右移动（左逼近）确定清晰像点位置，再将像屏或透镜自右至左移动（右逼近）确定清晰像点的位置，取两次位置的平均值作为成像的位置。
