光學基本檢測【教學目的】①加深對薄透鏡成像規律的理解。②掌握光學系統的共軸調節和簡單光路的剖析及調整方式。③掌握薄透鏡焦距的常用測定方式。【教學重點】光學系統的同軸等高的調節。【教學難點】掌握測凸透鏡焦距的方式及實驗數據的處理。【教學方式】以中學生實驗操作為主，適當講授、討論、演示相結合。【實驗儀器】光具座及附件、白熾光源、平面反射鏡、待測凸透鏡。【學時】3學時【課程講授】提問簿透鏡滿足哪些條件?提示：簿透鏡是指透鏡中心長度遠大于其焦距的透鏡。簿透鏡成像公式創立的條件?回答：近軸光線──通過透鏡中心部份并與主光軸傾角很小的那一部分光線。自準法測凸透鏡焦距的原理?回答：物體處在焦平面上時，物上任一點發出的光線通過凸透鏡后弄成各組平行光線；這種平行光線經與透鏡垂直的平面鏡反射（沒原路）回去再經凸透鏡后凝聚在原物平面（凸透鏡的焦平面）上。一、實驗原理在滿足薄透鏡和近軸光線的條件下，物距、像距和焦距之間的關系為（1）這就是薄透鏡成像的公式，又稱高斯公式。并規定式（1）中，物距，實物為正，虛物為負；像距，虛像為正，實像為負；對凸透鏡為正值，對凹透鏡為負值。凸透鏡的成像規律：像的大小和位置是根據物體離透鏡的距離而決定的。
①當時，極遠處的物體經過透鏡，在后焦點附近成縮小的倒立虛像。②當時，物體越緊靠前焦點，像漸漸遠離后焦點且逐步變大。③當時，物體坐落前焦點，像存在于無窮遠處。④當時，物體坐落前焦點以內，像為正立放大的實像，與物體坐落同側，因為實像點是光線反方向延長的交點，因而不能用像屏接收，只能通過透鏡觀察。自準直法測凸透鏡焦距：如圖1所示，當物體A處在凸透鏡的焦距平面時，其上各點發出的光束，經透鏡后成為不同方向的平行光束。若用一與主光軸垂直的平面鏡M將平行光反射回來，則反射光再經透鏡后仍會聚焦于透鏡的焦平面上光學凸透鏡成像規律表格，此關系就稱為自準直原理。所成像是一個與原物等大的倒立虛像A'。所以自準直法的特征是：物、像在同一焦平面上。自準直法不僅用于檢測透鏡焦距外，還是光學儀器調節中常用的重要方式。圖1自準直法則凸透鏡焦距為（2）式中，為物體在光具座上位置的讀數，為凸透鏡在光具座上位置的讀數。=2*GB3②物距像距法測凸透鏡焦距：光路圖如右圖2所示，只要，就可得到一個倒立的虛像，在光具座上分別測出物體、透鏡L及像的位置，就可以得到、，因而依據式（1）求出。圖2物距像距法為去除透鏡的光心位置恐怕不準帶來的偏差，可以將透鏡轉動再進行檢測，取兩次檢測的平均值。
檢測光路圖如圖3所示，此時、。=3*GB3③共軛法測凸透鏡焦距：借助凸透鏡物像共軛對稱成像的性質檢測凸透鏡焦距的方式叫共軛法（又稱為貝塞爾法、二次成像法）。所謂“物像共軛”，是指物與像的位置可以互換，透鏡位置與像的大小一一對應。光路圖如右圖3所示。設保持物體（屏）與像屏的相對位置不變，并使其距離，當凸透鏡放在物體（屏）與像屏之間時，可以找到兩個位置，像屏上都能得到清晰的像，如圖3所示。透鏡兩個位置（O與O1）之間的距離的絕對值為（問：為什么要求？）。運用物像的共軛對稱性質，容易證明。圖3共軛法透鏡聯通的距離為，物屏、像屏之間的距離為D=，運用物像共軛的對稱性質有（3）只要測出和，就可以算出。因為是通過透鏡兩次成像而求得的，因此此法又稱為兩次成像法。同時可以看出，成像時都是把透鏡看成無限薄的，物距與像距都近似地用從透鏡光心算起的距離來取代，而這些方式中則不必考慮透鏡本身的長度。因而，用這種方式測出的焦距通常較為確切。以上3種方式中，共軛法測出的焦距通常較為確切，它防止了物距像距法恐怕光心位置不準帶來的偏差，它不用考慮透鏡本身的長度，也不用再將透鏡轉動檢測。二、實驗內容與步驟（1）、同軸等高的調節為了防止毋須要的像差和讀數確切，須要對光學系統進行共軸調節，使各透鏡的光軸重合且與光具座的滑軌嚴格平行，物面中心處于光軸上，且物面、屏面垂直于光軸。
據悉，照明光束也應大體沿光軸方向。共軸調節的具體方式是：=1*GB3①粗調。把光源、物、透鏡、像屏等器件放置于光具座上，并使它們盡量靠攏，用嘴巴觀察，調節各器件的上下、左右位置，使各器件的中心大致在與滑軌平行的同仍然線上，并使物平面、透鏡面和像屏平面兩者互相平行且垂直于光具座的滑軌。=2*GB3②細調。照亮光源，借助透鏡共軛法（見圖3）來判定是否共軸，并進一步調至共軸。若物的中心偏離透鏡的光軸，則聯通透鏡兩次成像所得的大像和小像的中心將不重合，如圖4所示。就垂直方向而言，假若大像的中心低于小像的中心，說明此時透鏡的中心過高（或物過高），這時應將透鏡增加（或將物下降）。反之，假如高于，便應將透鏡下降（或將物增加）。調節時，以小像中心為目標，調節透鏡（或物）的上下位置，逐步ⅠⅡⅠⅡPP圖4使大像中心緊靠小像中心光學凸透鏡成像規律表格，直到與完全重合。同理，調節透鏡的左右（即縱向）位置，使與二者中心重合。假如系統中有兩個以上的透鏡，則應先調節只含一個透鏡在內的系統共軸，之后再加入另一個透鏡，調節該透鏡與原系統共軸。（2）、實驗內容：檢測凸薄透鏡的焦距，按實驗表格進行。1．用自準直法測凸透鏡焦距開啟白熾燈光源，照耀物屏，適當聯通凸透鏡，讓反射鏡緊靠透鏡并調整反射鏡的俯仰和左右，直至在物屏“1”字下（或旁）聽到清晰、等大倒立的“1”字像，即實現自準直。
記下透鏡位置和物屏位置，重復測3次。由式（2）估算焦距及其平均值和不確定度。2．用物距像距法測凸透鏡焦距開啟白熾燈光源，將物屏、透鏡和像屏依次放在光具座上，調其共軸等高。按照自準直法測得的焦距，致使物屏到透鏡的距離，保持透鏡位置不動，聯通像屏，直至在像屏上得到清晰虛像，記下各光學器件位置讀數，重復檢測3次，估算出、，按照式（1）求平均值及不確定度。3．用共軛法測凸透鏡焦距開啟白熾燈光源，將光學器件依次置于光具座上，將各器件調至共軸等高，按照自準直法測得的透鏡焦距，使物屏與像屏之間的距離小于4，記下物屏位置、像屏位置，透鏡在物屏與像屏間聯通，當凸透鏡在光具座的處和處時，像屏上分別成清晰放大倒立虛像和縮小倒立虛像，再記下和位置的數值，重復檢測3次。由式（3）求焦距及其平均值和不確定度。三、數據記錄及處理1．自準直法測凸透鏡焦距數據表自準直法測凸透鏡焦距數據表物屏位置=cm。檢測次數透鏡位置（cm）123平均cm，%。2．物距像距法測凸透鏡焦距數據表物距像距法測凸透鏡焦距數據表物屏位置=cm，透鏡位置=cm。檢測次數像屏位置123平均cm，%。3．共軛法測凸透鏡焦距數據表共軛法測凸透鏡焦距數據表物屏位置=cm，像屏位置=cm，D＝cm。
檢測次數透鏡位置（cm）透鏡位移（cm）123平均=cm，%。四、實驗數據處理五、注意事項1、注意同軸等高的調節。有些光具的軸不能固定，要注意隨時糾正物平面和鏡平面就與光軸垂直。2、作長矛物的木袋子有些固定不太好，會涉及到修正值△x,因而也應悉心調節長矛物的位置與托架平行。3、測量物或像或光心的座標時，要注意用“左右迫近法”準確檢測：先測物或像或透鏡基座的右側的座標再求平均值作為它們的座標。六、思考題①什么是透鏡的光軸？為何要對光學元件進行等高共軸調整？答：構成透鏡的兩個球面中心的連線稱為透鏡光軸。若不共軸，成像質量都會增長，形成像差。不平行的軌道，讀數不準，影響檢測偏差。?因而須要對光學元件進行等高共軸調整。②在用共軛法測凸透鏡的焦距時，D變大，標準偏差是變大還是變小？為何？答：D變大，標準偏差變小。由于，D減小，則變小。③如果進行單凸透鏡成像的共軸調節時，放大像和縮小像的中心在像屏上重合，是否意味著共軸？為何？答：共軸。若物的中心偏離透鏡的光軸，則聯通透鏡兩次成像所得的大像和小像的中心將不重合，調節時，以小像中心為目標，調節透鏡（或物）的上下位置，逐步使大像中心向小像中心迫近，直到完全重合。
④用共軛法測凸透鏡的焦距時,假如大像中心在上,小像中心在下,說明物位偏上還是偏下?答：物位偏下。⑤何為像差,球差和色差？答：像差：因為光源的非單色性和無法滿足近軸光線的要求，促使成像質量下滑。實際成像與單色近軸光線成像之間的差別稱像差。球差：假如光軸上物點發出張角較大的單色光經過透鏡的不同部位折射而成像不在同一點上，此差別稱球差。色差：因為光源不是單色光，這樣不同波長的光線經過透鏡折射不一樣，所形成像點也不重合，稱此差別為色差。