实验一 薄透镜焦距的测定实验报告

1 大学物理实验教案

实验项目 测定薄透镜的焦距

教学目的 1、掌握简单光路的分析和光学系统的共轴、等高调节方法；

2、掌握测量薄透镜焦距的几种方法及其原理；

3、加深对透镜成像规律的认识。

实验原理 1. 薄透镜成像公式

通过透镜中心并且垂直于镜面的直线称做透镜的主光轴。

近光轴光线通过薄透镜成像规律可表示为

111uvf (1)

其中 u—物距（实物为正，虚物为负）

v—像距（实像为正，虚像为负）

f—焦距（凸透镜为正，凹透镜为负）

u、v、f均从透镜的光心算起。由(23-1)式可知，只要能测出u和v，则f便可求出。

2. 凸透镜焦距的测量方法

（1）平面镜法（自准法）

如图1所示，当物体位于凸透镜的焦平面时，物点所发出的光通过凸透镜后将成为一束平行光。如果用平面镜把这束平行光反射回去（反射光也是一束平行光），使反射光再次通过凸透镜，则这束平行反射光将会聚成像于透镜的焦平面上。因此，通过调整凸透镜与物体之间的距离使得在物屏上能看到物体的清晰的像，那么物体与透镜的距离就是透镜的焦距。此时分别读出物体与透镜在光具座上的位置x1和x2，则透镜焦距为21fxx。

图1 平面镜法

（2）物距像距法

如图2所示，当物体置于凸透镜焦距以外，物体发出的光线经透镜折射后成像在透镜的另一侧，调节像屏（或透镜）位置，使得在像屏上得到清晰的物体的像，此时分别读出物屏，透镜及像屏在光具座上的对应位置x1、x2和x3。则物距21uxx，像距32vxx。再利用(1)式便可求出透镜焦距。 2

图2 物距像距法

（3）共轭法(两次成像法)

如图3所示，物屏和像屏间的距离L＞4f，保持L不变，移动透镜，当它在O1处时，像屏上出现一个放大的清晰的像(此时物距为u1，像距为v1)，当它移到O2处时，像屏上出现一个缩小的清晰的像，对应两次成像时透镜间的距离为l，按透镜成像公式(1)式可知：在O1处有

三种LED光源在测定薄透镜焦距实验中的应用

【摘要】分别选用单珠led白色光源、多珠led白色光源、多珠led绿色光源替代钨丝白炽灯光源，进行了薄透镜焦距测定的实验应用研究。实验结果表明：使用绿色（520-525nm）led光源时,实验操作简便快捷，实验现象清晰，准确度提高，同时能大大降低电能消耗，有效保持环境温度平衡，是一种十分理想的新型实验光源，对于绿色光学实验室的建设具有重要意义。

【关键词】光学试验 薄透镜 焦距测定 单色光led

【基金项目】《光学实验中光源的研究改进》，河南大学，校发[2011] 3号

【中图分类号】g712 【文献标识码】a 【文章编号】2095-3089（2012）07-0241-02

引 言

近年来，随着在《联合国气候变化框架公约》的实施，全球低碳经济和绿色产业的浪潮势不可挡。继欧盟各国之后，我国政府于2011年10月也向高耗能的普通照明用白炽灯发出了禁令，白炽灯将逐步被led为代表的新型光源所取代。在传统的利用光具座测薄透镜焦距实验中，仪器采用220v，25—40w的钨丝磨砂白炽灯作为光源[1-2-3]，主要缺点是光源寿命短、光电转换效率低，导致电能因钨丝发热而消耗。led新光源的面世和普及，为全面替代落后的白炽灯指明了方向。经过较长时间的探索与实践，在不改动原有实验仪器的前提下，最终研制出的节能、长寿、环保、经济实用且实验效果理想的绿光（520～525nm）超高亮聚光型led光源，替代了高耗能、短寿命的白炽灯，实现了节能转型，也使得“用光具座测定薄透镜焦距实验”成为符合低碳要求的绿色环保型实验方法。

1.实验部分

材料与方法

实验材料： 单珠led自行车灯（dc 4.5v，3w）及配套电源（ac

220v，9w）；自制30珠聚光型led磨砂球灯（ac 220 v，2.4w）；自制 30珠led绿色光源（ac220v，2.2w）。

实验方法：

（1） 对单珠led自行车灯[4]、30珠聚光型led磨砂球灯、30珠led绿色光源的性能参数比较，筛选出理想的led光源替代钨丝白炽灯，用于焦距测定 。

1

南昌大学物理实验报告

课程名称： 大学物理实验

实验名称： 薄透镜焦距的测定

学院：

信息工程学院 专业班级：

学生姓名： 学号：

实验地点： 基础实验大楼 座位号： 01

实验时间： 第7周星期3下午 4点开始

一、实验目的：

1．掌握光路调整的基本方法；

2．学习几种测量薄透镜焦距的实验方法；

3. 观察薄凸透镜、凹透镜的成像规律。 v1.0 可编辑可修改

2 二、实验原理：

(一)凸透镜焦距的测定

1.自准法

如图所示，在待测透镜L的一侧放置一被光源照明的物屏AB，在另一侧放一平面反射镜M，移动透镜（或物屏），当物屏AB正好位于凸透镜之前的焦平面时，物屏AB上任一点发出的光线经透镜折射后，仍会聚在它的焦平面上，即原物屏平面上，形成一个与原物大小相等方向相反的倒立实像。此时物屏到透镜之间的距离，就是待测透镜的焦距，即

由于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聚焦的目的，所以称之为自准法，该法测量误差在之间。

2.成像法

在近轴光线的条件下，薄透镜成像的高斯公式为 v1.0 可编辑可修改

3

当将薄透镜置于空气中时，则焦距为：

式中为像方焦距，为物方焦距，为像距，为物距。

式中的各线距均从透镜中心（光心）量起，与光线行进方向一致为正，反之为负，如图所示。若在实验中分别测出物距和像距，即可用式求出该透镜的焦距。但应注意:测得量须添加符号，求得量则根据求得结果中的符号判断其物理意义。

3.共轭法

共轭法又称为位移法、二次成像法或贝塞尔法。如图所示，使物与屏间的距离并保持不变，沿光轴方向移动透镜，则必能在像屏上观察到二次成像。设物距为时，得放大的倒立实像；物距为时，得缩小的倒立实像，透镜两次成像之间的位移为d，根据透镜成像公式，可推得：

南昌大学物理实验报告

课程名称： 大学物理实验

实验名称： 薄透镜焦距的测定

学院： 信息工程学院 专业班级：

学生姓名： 学号：

实验地点： 基础实验大楼 座位号： 01

实验时间： 第7周星期3下午 4点开始

一、实验目的：

1．掌握光路调整的基本方法；

2．学习几种测量薄透镜焦距的实验方法；

3. 观察薄凸透镜、凹透镜的成像规律。

二、实验原理：

(一)凸透镜焦距的测定

1.自准法

如图所示，在待测透镜L的一侧放置一被光源照明的物屏AB，在另一侧放一平面反射镜M，移动透镜（或物屏），当物屏AB正好位于凸透镜之前的焦平面时，物屏AB上任一点发出的光线经透镜折射后，仍会聚在它的焦平面上，即原物屏平面上，形成一个与原物大小相等方向相反的倒立实像A′B′。此时物屏到透镜之间的距离，就是待测透镜的焦距，即

f=s

由于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聚焦的目的，所以称之为自准法，该法测量误差在1%~5%之间。

2.成像法

在近轴光线的条件下，薄透镜成像的高斯公式为

1s′−1s=1f′

当将薄透镜置于空气中时，则焦距为：

f′=−f=ss′s−s′

式中f′为像方焦距，f为物方焦距，s′为像距，s为物距。

式中的各线距均从透镜中心（光心）量起，与光线行进方向一致为正，反之为负，如图所示。若在实验中分别测出物距s和像距s′，即可用式求出该透镜的焦距f′。但应注意:测得量须添加符号，求得量则根据求得结果中的符号判断其物理意义。

3.共轭法