典型光学系统设计实验报告

南昌大学物理实验报告课程名称：普通物理实验（2）实验名称：典型光学系统设计学院：专业班级：学生姓名：学号：实验地点：座位号：实验时间：一、实验目的：1、通过实验掌握望远镜和显微镜的基本原理，并在导轨和光具座上用透镜自组望远镜和显微镜。2、通过实际测量，了解显微镜的主要光学参量。3、了解视觉放大率的概念并学习期测量方法。二、实验原理：在近轴光束（靠近主光轴且与主光轴的夹角很小的光线）的条件下，薄透镜的成像公式：1𝑢+1𝑣=1𝑓……（1）（一）凸透镜焦距的测量方法（1）自准法从（1）式可知，当像距𝑣=∞时，𝑢=𝑓，即当物体上各点发出的光经透镜后，变为不同方向的平行光时，物距即为透镜的焦距。该方法利用实验装置本身产生平行光，故为自准法，见图（1）。（2）物距像距法由实验分别测出物距u及像距v，利用（1）式，求出焦距：𝑓=𝑢𝑣𝑢+𝑣……（2）（3）共轭法（位移法）由图（2）可见，物屏和像屏距离为L（L4f），凸透镜在𝑂1、𝑂2两个位置分别在像屏上成放大和缩小的像，由凸透镜成像公式，成放大的像时，有1𝑢+1𝑣=1𝑓，成缩小的像时，有1𝑢−D+1𝑣−D=1𝑓，又由于𝑢+𝑣=𝐷，可得𝑓=𝐿2+𝐷24𝐿。图（1）图（2）（二）物距像距法测凹透镜焦距将凹透镜与凸透镜组成透镜组，用成像法测凹透镜的焦距。如图（3）所示，先用凸透镜L1使物AB成缩小倒立的实像，然后将待测凹透镜L2置于凸透镜L1与像之间，如果𝑂𝑓2（其中𝑓2为凹透镜焦距），则通过L1的光束经过L2折射后，仍能成一实像。但应注意，对凹透镜L2来讲，为虚物，物距𝑢=𝑂，像距𝑣=𝑂，代入成像公式（1）即能计算出凹透镜焦距𝑓2。图（3）（三）典型光学系统设计1、开普勒望远镜是由一片长焦距的凸透镜作为物镜，用一短焦距的凸透镜作为目镜组合而成，如下图。远处的物经过物镜在其后焦面附近成一缩小的倒立实像，物镜的像方焦平面与目镜的物方焦平面重合，光学间距为0。在公共焦平面上可置分划板以测量像的尺寸和位置。平行光射入平行光射出。开普勒望远镜可观测到远处倒立的像。2、伽利略望远镜是由一片长焦距的凸透镜作为物镜，用一短焦距的凹透镜作为目镜组合而成，如下图。物镜的像方焦平面与目镜的物方焦平面重合，光学间距为0。平行光射入平行光射出。伽利略望远镜可观测到远处正立的像。3、显微镜由物镜和目镜组成，特点是物镜的焦距很短。显微镜的原理示意如下图。从图中可见，显微镜由物镜及目镜构成，显微镜的特点是有较大的光学间隔且其物镜的焦距不大，目镜的焦距也比较小。被观测的物体首先经显微镜的物镜放大后其像再经目镜放大以供人眼观察，其成像过程是一个二次成像过程。三、实验仪器：光学导轨、平行光管、标尺、透镜组、白炽灯、光具座、半反半透镜、光屏等。四、实验数据及数据分析处理：（一）测量凸透镜焦距自准法物象法共轭法物透镜𝑂物透镜𝑂像物透镜𝑂透镜𝑂像凸透镜𝑂127.333.327.335.952.427.336.144.952.8凸透镜𝑂227.348.327.354.6144.327.355.87100.4128.7焦距𝑓16.05.67.1焦距𝑓221.020.930.2𝑓1̅=6.23cm;𝑓2̅=24.03cm（二）测量凹透镜焦距`𝑓3=3.43cm;𝑓4=6.48cm（三）典型光学系统设计1、开普勒望远镜2、伽利略望远镜物物镜𝑂1目镜𝑂2物物镜𝑂1目镜𝑂232.356.077.932.365.3113.23、显微镜物物镜𝑂1像目镜𝑂232.365.6118.1122.6物凸透镜凹透镜像像焦距凹透镜𝑂327.376.7107.7111.7131.63.43凹透镜𝑂427.376.7103.3111.7131.66.48五、注意事项：实验使用的仪器种类很多，实验对象大多为玻璃制品，容易碎裂，要特别意爱护，轻拿轻放，切勿手摸镜面。六、思考题：1、用同一台望远镜观测不同距离的物体时，其放大率是否会变化？答：对于无焦系统𝛤𝑇=𝑓0𝑓𝑒，改变物距，视放大率不变。物像共面时的视放大率，𝛤𝑇=𝑓0(𝐿+𝑓𝑒)𝑓𝑒(𝐿1−𝑓0)，物距增大，视放大率减小；物距减小，视放大率增大。2、如何用实验方法使望远镜的物镜的像方焦点与目镜的物方焦点重合？答：先将平行光管置于物镜𝐿0左侧，𝐿0右侧放一接收屏P，调节P的位置，使其上出现一个亮点，记下P位置，该处即为𝐹0。固定接受屏P，在P右侧放置目镜𝐿𝑒，𝐿𝑒右侧放置平行光管，调节𝐿𝑒位置，使P上出现一个亮点，则此时𝐹0和𝐹𝑒重合，即𝐿0和𝐿𝑒组成无焦系统七、原始数据：