光学基本检测【教学目的】①加深对薄透镜成像规律的理解。②掌握光学系统的共轴调节和简单光路的剖析及调整方式。③掌握薄透镜焦距的常用测定方式。【教学重点】光学系统的同轴等高的调节。【教学难点】掌握测凸透镜焦距的方式及实验数据的处理。【教学方式】以中学生实验操作为主，适当讲授、讨论、演示相结合。【实验仪器】光具座及附件、白炽光源、平面反射镜、待测凸透镜。【学时】3学时【课程讲授】提问簿透镜满足哪些条件?提示：簿透镜是指透镜中心长度远大于其焦距的透镜。簿透镜成像公式创立的条件?回答：近轴光线──通过透镜中心部份并与主光轴倾角很小的那一部分光线。自准法测凸透镜焦距的原理?回答：物体处在焦平面上时，物上任一点发出的光线通过凸透镜后弄成各组平行光线；这种平行光线经与透镜垂直的平面镜反射（没原路）回去再经凸透镜后凝聚在原物平面（凸透镜的焦平面）上。一、实验原理在满足薄透镜和近轴光线的条件下，物距、像距和焦距之间的关系为（1）这就是薄透镜成像的公式，又称高斯公式。并规定式（1）中，物距，实物为正，虚物为负；像距，虚像为正，实像为负；对凸透镜为正值，对凹透镜为负值。凸透镜的成像规律：像的大小和位置是根据物体离透镜的距离而决定的。
①当时，极远处的物体经过透镜，在后焦点附近成缩小的倒立虚像。②当时，物体越紧靠前焦点，像渐渐远离后焦点且逐步变大。③当时，物体坐落前焦点，像存在于无穷远处。④当时，物体坐落前焦点以内，像为正立放大的实像，与物体坐落同侧，因为实像点是光线反方向延长的交点，因而不能用像屏接收，只能通过透镜观察。自准直法测凸透镜焦距：如图1所示，当物体A处在凸透镜的焦距平面时，其上各点发出的光束，经透镜后成为不同方向的平行光束。若用一与主光轴垂直的平面镜M将平行光反射回来，则反射光再经透镜后仍会聚焦于透镜的焦平面上光学凸透镜成像规律表格，此关系就称为自准直原理。所成像是一个与原物等大的倒立虚像A'。所以自准直法的特征是：物、像在同一焦平面上。自准直法不仅用于检测透镜焦距外，还是光学仪器调节中常用的重要方式。图1自准直法则凸透镜焦距为（2）式中，为物体在光具座上位置的读数，为凸透镜在光具座上位置的读数。=2*GB3②物距像距法测凸透镜焦距：光路图如右图2所示，只要，就可得到一个倒立的虚像，在光具座上分别测出物体、透镜L及像的位置，就可以得到、，因而依据式（1）求出。图2物距像距法为去除透镜的光心位置恐怕不准带来的偏差，可以将透镜转动再进行检测，取两次检测的平均值。
检测光路图如图3所示，此时、。=3*GB3③共轭法测凸透镜焦距：借助凸透镜物像共轭对称成像的性质检测凸透镜焦距的方式叫共轭法（又称为贝塞尔法、二次成像法）。所谓“物像共轭”，是指物与像的位置可以互换，透镜位置与像的大小一一对应。光路图如右图3所示。设保持物体（屏）与像屏的相对位置不变，并使其距离，当凸透镜放在物体（屏）与像屏之间时，可以找到两个位置，像屏上都能得到清晰的像，如图3所示。透镜两个位置（O与O1）之间的距离的绝对值为（问：为什么要求？）。运用物像的共轭对称性质，容易证明。图3共轭法透镜联通的距离为，物屏、像屏之间的距离为D=，运用物像共轭的对称性质有（3）只要测出和，就可以算出。因为是通过透镜两次成像而求得的，因此此法又称为两次成像法。同时可以看出，成像时都是把透镜看成无限薄的，物距与像距都近似地用从透镜光心算起的距离来取代，而这些方式中则不必考虑透镜本身的长度。因而，用这种方式测出的焦距通常较为确切。以上3种方式中，共轭法测出的焦距通常较为确切，它防止了物距像距法恐怕光心位置不准带来的偏差，它不用考虑透镜本身的长度，也不用再将透镜转动检测。二、实验内容与步骤（1）、同轴等高的调节为了防止毋须要的像差和读数确切，须要对光学系统进行共轴调节，使各透镜的光轴重合且与光具座的滑轨严格平行，物面中心处于光轴上，且物面、屏面垂直于光轴。
据悉，照明光束也应大体沿光轴方向。共轴调节的具体方式是：=1*GB3①粗调。把光源、物、透镜、像屏等器件放置于光具座上，并使它们尽量靠拢，用嘴巴观察，调节各器件的上下、左右位置，使各器件的中心大致在与滑轨平行的同仍然线上，并使物平面、透镜面和像屏平面两者互相平行且垂直于光具座的滑轨。=2*GB3②细调。照亮光源，借助透镜共轭法（见图3）来判定是否共轴，并进一步调至共轴。若物的中心偏离透镜的光轴，则联通透镜两次成像所得的大像和小像的中心将不重合，如图4所示。就垂直方向而言，假若大像的中心低于小像的中心，说明此时透镜的中心过高（或物过高），这时应将透镜增加（或将物下降）。反之，假如高于，便应将透镜下降（或将物增加）。调节时，以小像中心为目标，调节透镜（或物）的上下位置，逐步ⅠⅡⅠⅡPP图4使大像中心紧靠小像中心光学凸透镜成像规律表格，直到与完全重合。同理，调节透镜的左右（即纵向）位置，使与二者中心重合。假如系统中有两个以上的透镜，则应先调节只含一个透镜在内的系统共轴，之后再加入另一个透镜，调节该透镜与原系统共轴。（2）、实验内容：检测凸薄透镜的焦距，按实验表格进行。1．用自准直法测凸透镜焦距开启白炽灯光源，照耀物屏，适当联通凸透镜，让反射镜紧靠透镜并调整反射镜的俯仰和左右，直至在物屏“1”字下（或旁）听到清晰、等大倒立的“1”字像，即实现自准直。
记下透镜位置和物屏位置，重复测3次。由式（2）估算焦距及其平均值和不确定度。2．用物距像距法测凸透镜焦距开启白炽灯光源，将物屏、透镜和像屏依次放在光具座上，调其共轴等高。按照自准直法测得的焦距，致使物屏到透镜的距离，保持透镜位置不动，联通像屏，直至在像屏上得到清晰虚像，记下各光学器件位置读数，重复检测3次，估算出、，按照式（1）求平均值及不确定度。3．用共轭法测凸透镜焦距开启白炽灯光源，将光学器件依次置于光具座上，将各器件调至共轴等高，按照自准直法测得的透镜焦距，使物屏与像屏之间的距离小于4，记下物屏位置、像屏位置，透镜在物屏与像屏间联通，当凸透镜在光具座的处和处时，像屏上分别成清晰放大倒立虚像和缩小倒立虚像，再记下和位置的数值，重复检测3次。由式（3）求焦距及其平均值和不确定度。三、数据记录及处理1．自准直法测凸透镜焦距数据表自准直法测凸透镜焦距数据表物屏位置=cm。检测次数透镜位置（cm）123平均cm，%。2．物距像距法测凸透镜焦距数据表物距像距法测凸透镜焦距数据表物屏位置=cm，透镜位置=cm。检测次数像屏位置123平均cm，%。3．共轭法测凸透镜焦距数据表共轭法测凸透镜焦距数据表物屏位置=cm，像屏位置=cm，D＝cm。
检测次数透镜位置（cm）透镜位移（cm）123平均=cm，%。四、实验数据处理五、注意事项1、注意同轴等高的调节。有些光具的轴不能固定，要注意随时纠正物平面和镜平面就与光轴垂直。2、作长矛物的木袋子有些固定不太好，会涉及到修正值△x,因而也应悉心调节长矛物的位置与托架平行。3、测量物或像或光心的座标时，要注意用“左右迫近法”准确检测：先测物或像或透镜基座的右侧的座标再求平均值作为它们的座标。六、思考题①什么是透镜的光轴？为何要对光学元件进行等高共轴调整？答：构成透镜的两个球面中心的连线称为透镜光轴。若不共轴，成像质量都会增长，形成像差。不平行的轨道，读数不准，影响检测偏差。?因而须要对光学元件进行等高共轴调整。②在用共轭法测凸透镜的焦距时，D变大，标准偏差是变大还是变小？为何？答：D变大，标准偏差变小。由于，D减小，则变小。③如果进行单凸透镜成像的共轴调节时，放大像和缩小像的中心在像屏上重合，是否意味着共轴？为何？答：共轴。若物的中心偏离透镜的光轴，则联通透镜两次成像所得的大像和小像的中心将不重合，调节时，以小像中心为目标，调节透镜（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用共轭法测凸透镜的焦距时,假如大像中心在上,小像中心在下,说明物位偏上还是偏下?答：物位偏下。⑤何为像差,球差和色差？答：像差：因为光源的非单色性和无法满足近轴光线的要求，促使成像质量下滑。实际成像与单色近轴光线成像之间的差别称像差。球差：假如光轴上物点发出张角较大的单色光经过透镜的不同部位折射而成像不在同一点上，此差别称球差。色差：因为光源不是单色光，这样不同波长的光线经过透镜折射不一样，所形成像点也不重合，称此差别为色差。