測量鏡頭焦距實驗是學院一級化學實驗中的基礎光學實驗之一。 重點培養(yǎng)中學生光學儀器的使用、基本檢測量的讀解、實驗操作技能、基本檢測方法等基本實驗技能和知識點。 關注和培養(yǎng)中學生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力是推進化學實驗教學改革的重要課題。 本文嘗試從理論課、實驗操作和數(shù)據(jù)處理等方面對鏡頭焦距測量實驗進行探討，并結合實驗教學提出相應的對策。
關鍵詞 ： 實驗技能, 鏡頭焦距, 虛擬物體與實像, 偏差傳播
CLC 編號：G424 文檔代碼：A
利用成像公式法檢測薄透鏡焦距的實驗是學院一級化學實驗的基礎光學實驗之一。 本文將對實驗理論課程教學、學生實驗技能訓練以及數(shù)據(jù)處理過程中的一些問題進行簡要分析和分析。
1 實驗基本原理
薄透鏡成像的原理可以用高斯公式來描述：=+ 其中W為物距，V為像距，f為透鏡焦距。 W、V、f都是從鏡片的光心O開始測量的。 對于凸透鏡，f為正； 對于凹透鏡，f 為負值。 真實物體W為正，虛擬物體為負； 虛像V為正，實像為負。 在初中、小學對鏡頭成像進行定性推導的基礎上，實驗中學的學生普遍很容易理解這個公式。 而且，大多數(shù)中學生對虛擬物體和圖像的概念比較模糊。 實驗課的班主任應重點關注這部分理論課的講解。 對于多個鏡頭聯(lián)合成像，單個鏡頭形成的虛/實像可能成為其他鏡頭的虛/實像。 最簡單的例子是，在物距像距法檢測凹透鏡焦距的實驗中，首先將凸透鏡形成的虛像作為凹透鏡成像的虛物。 這對于理解多鏡頭聯(lián)合成像的原理極其重要。 同時，對于中學生來說，得出這樣的結論應該有啟發(fā)：當W和V符號相同時，它們在透鏡的另一側；當W和V符號相同時，它們在透鏡的另一側。 當它們具有不同的標志時，它們位于鏡頭的同一側。
對于凸透鏡焦距的確定，實驗中可采用物距像距法、自準直法和共軛法； 而凹透鏡的焦距可以通過物距像距法、自準直法和視差法來測量。 由于凹透鏡的焦距f為負值，因此在實驗中需要采用實驗方案來提供虛擬物體，通常依靠其他光學元件，如凸透鏡、平面鏡等。
由于實驗課程要求中學生在規(guī)定的時間內完成，因此在實驗過程中，班主任可以要求中學生根據(jù)實際情況選擇一些測量鏡頭焦距的實驗方法。 理論教學時，實驗班主任只需向實驗中學生簡單講解最常用的實驗方法，讓中學生了解這些實驗方法的核心思想。 所謂物距像距法，是指通過鏡頭成像原理，通過實驗檢測被測鏡頭的物距W和像距值V，帶入高斯公式即可計算出被測鏡頭的焦距。 估算時要注意物距和像距的符號； 自對準法是指調整待測透鏡的位置，使出射光經(jīng)過透鏡后成為平行光，使V=，故待測焦距f=W。 實驗時，將平面鏡置于透鏡后面凸透鏡凹透鏡成像原理，使出射的平行光通過被測透鏡反射回來，這樣，由于光路的對稱性，實驗時會在物屏上觀察到大小相等（相對于真實物體）倒置的虛像； 而凸透鏡的共軛法實驗是指當物屏和像屏固定時，即W+V=D，D為固定值且D>4f時，凸透鏡連接在物屏和像屏之間，可以兩次觀察到清晰的虛像。 兩次成像過程中放大圖像和縮小圖像對應的物距和像距是共軛的。 實驗時，只需檢測兩次成像過程中透鏡的位置變化，即d=|WV|，即可計算出凸透鏡的焦距f。
2 實驗基本操作
在理論課教學光路圖時，認為光學元件的中心是同軸共面的，所以在開始實驗之前，必須將光具座上的所有光學元件調整為同軸。 即各鏡頭的光軸與滑軌重合且平行，物體中心位于光軸上，物面和像面垂直于光軸。 為了便于實驗觀察，光源應盡可能靠近物屏，這樣可以增加入射光強度，有利于觀察實驗現(xiàn)象。 同軸調節(jié)通常分為初調和微調。 初調可直接用人眼觀察，作為初步判斷，對各光學元件進行適當調整； 微調可以借助鏡頭的成像定律進行細致的調節(jié)。 如用共軛法測量凸透鏡焦距的實驗。 本實驗中，物屏和像屏固定后，在凸透鏡前后連接的光具座上會出現(xiàn)兩個成像，即放大圖像和縮小圖像。 因為光軸中心的光線往往不會彎曲。 所以我們只需適當調整鏡頭，當大、小圖像的中心重合時，就說明系統(tǒng)是同軸的。 在實驗的實際操作過程中，中學生不一定要求調整到大小圖像完全重合，而必須要求大小圖像高度幾乎完全相等（例如相差不超過3mm）。 對于多個光學元件，如測量凹透鏡焦距的實驗，應從左到右逐一調整光學儀器，使整個光學系統(tǒng)同軸。 這部分實驗設備的調整比較耗時。 班主任在演示時要詳細講解操作流程和方法。
3. 實驗偏差
為了抑制實驗過程中像差的影響，采用近軸單色光源。 常見的像差包括色差、球差、慧差、像散曲率和畸變等，在不同情況下表現(xiàn)出不同程度。 實驗中選擇孔徑為H的光闌以滿足近軸光成像條件。 相對孔徑H/f越小，像差越小，散景越大，即清晰成像的范圍越大。 因此，在實驗檢測中，所使用的隔膜的尺寸要根據(jù)具體情況而定。 實驗負責老師在講授散景概念時，建議在實驗中給中學生做操作演示，讓中學生對概念有更直觀的印象。
為了獲得最清晰的成像位置，實驗中通常采用左右近似法，即將相關鏡頭或圖像屏分別從左到右、從右到左連接，逼近清晰成像區(qū)域的上端和右端，讀取兩端的數(shù)值，然后取平均值作為清晰成像的準確位置。 左右接近法應作為實驗操作的重點教學部分。 當鏡頭或圖像屏從左到右或從右到左連接時，圖像屏上會依次觀察到光斑、模糊圖像和清晰圖像。 實驗操作時，從左向右連接時，模糊的圖像首先會聽到拖影現(xiàn)象，這主要是實際光線在鏡頭上不同地方折射后焦距的差異造成的。 當拖影現(xiàn)象剛剛消失時，實驗中只能看到單個圖像。 中學生此時可以輕松讀出清晰圖像區(qū)域的下端值； 但從右向左操作時，模糊圖像仍然只有單幅圖像，但單幅圖像的色溫較差。 這是由于從左向右連接時，靠近清晰成像區(qū)域的鏡頭各點折射光線形成的圖像會聚，但從右向左操作時，圖像發(fā)散。 實驗操作只能借助粗略的經(jīng)驗在成像區(qū)域的右端進行。 可行的方法是，從右向左操作時，當觀察圖像的照度與從左向右找到的下端位置處的成像色溫一致時，讀取該位置作為成像清晰區(qū)域的右端值。 在實際操作中，中學生對成像清晰區(qū)域右端的把握相對較差。 因此，班主任演示時，應重點指出左右接近法的核心思想和操作的具體操作技巧。
對于檢測鏡頭焦距的實驗中焦距的不確定度，教學中僅給出了提示。 檢測過程中偏差的來源不僅僅是圖像清晰度造成的隨機偏差，這部分可以通過多次測試來減少（屬于統(tǒng)計偏差UA）。 還有實驗裝置引起的系統(tǒng)偏差（屬于系統(tǒng)固有偏差）。 主要包括物面（像面）與底座讀取線的不共面、鏡片光心與讀取線的不共面、刻度精度、像差、薄鏡片兩個主平面不嚴格重合等。 由它們引起的極限偏差可以粗略地估價。 例如凸透鏡凹透鏡成像原理，非共面度和刻度精度的總體偏差取UB1=1mm，像差和鏡片非理想薄度的總體偏差取成像清晰范圍UB2的一半（即左右端差值的一半）。 這樣，在所有的檢測過程中，檢測的偏差來自三個部分：UA、UB1和UB2。 至于最終待測鏡頭的焦距偏差，則需要通過具體的實驗進行詳細分析，然后利用偏差傳播公式進行估算。
4 總結
利用透鏡成像公式法檢測薄透鏡焦距的實驗是學院一級化學實驗的基礎光學實驗之一。 在理論課程教學中，應讓中學生掌握基本的成像原理，并適當啟發(fā)??中學生一些簡單的概括； 在中學生實驗技能訓練中，要講授和演示操作方法、核心思想和操作方法，注重培養(yǎng)中學生的手眼連貫性、精確觀察能力，適當拓展中學生獨立思考的能力。 這有利于學生在實驗中理解和學習其他化學實驗課程，而且對學生在實驗中創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)起到積極的作用。
參考
[1]辛旭平，周勤。 一級化學實驗（第一版）[M]． 南京：科學出版社，2005：121-127。