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(shí)驗(yàn)研究·
利用平面鏡共軛法 改進(jìn)測(cè)定薄凸透鏡焦距實(shí)驗(yàn)
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(cè)定是光學(xué)中的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn),中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中常用成像法測(cè)量薄凸透鏡的焦距,但誤差控制較差.筆者經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)探索與嘗試,對(duì)傳統(tǒng)的成像法進(jìn)行改進(jìn),利用平面鏡對(duì)凸透鏡共軛成像進(jìn)行改進(jìn),可得到較好的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與效果,對(duì)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(cè)定是光學(xué)的一個(gè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn),在中學(xué)以及大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中廣泛開展.常見的薄凸透鏡焦距的測(cè)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(huì)落實(shí)到人眼對(duì)成像質(zhì)量的判別上,即是否為聚焦良好的像,成為焦距測(cè)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(duì)成像質(zhì)量判斷帶來的誤差,經(jīng)過理論分析及實(shí)驗(yàn)探索嘗試,筆者使用平面鏡共軛成像對(duì)凸透鏡成像實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn),取得了較好的效果.
圖1
利用自準(zhǔn)直法成像,光路如圖2所示,所用實(shí)驗(yàn)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(cè)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(dòng),不能使光源和像完全重合,因此在測(cè)量過程中,要得到等大清晰像也存在一定困難.
圖2
2.1 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)
為了能在成像測(cè)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)中光路調(diào)節(jié)與否的“判定”依據(jù).將“判斷”改進(jìn)為“判定”,能減小實(shí)驗(yàn)的人為誤差.實(shí)驗(yàn)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(huì)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(cè)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?yàn)槠矫骁R不改變光線的聚焦性質(zhì)而只做軸對(duì)稱翻轉(zhuǎn),因此光路圖3以平面鏡為軸做左右對(duì)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(huì)到達(dá)原出發(fā)點(diǎn)AB(A′B′),與原光源重合.平面鏡在此過程中對(duì)所有光線進(jìn)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(shí)驗(yàn)討論
為了能得到較好的實(shí)驗(yàn)效果,實(shí)驗(yàn)需要在較暗的環(huán)境下進(jìn)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(shí)驗(yàn)過程中平面鏡的位置不在光源一次成像的位置上時(shí),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(diǎn)前,如圖3中的M1的位置時(shí),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(diǎn)后,如圖3中的M2的位置時(shí),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(jìn)實(shí)驗(yàn)效果減小誤差的原因所在.
本實(shí)驗(yàn)在不改變現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件的情況下,通過對(duì)平面鏡的合理使用和實(shí)驗(yàn)設(shè)置的調(diào)整,減少了實(shí)驗(yàn)的人為誤差,提高了實(shí)驗(yàn)效果.
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