利用平面镜共轭法 改进测定薄凸透镜焦距实验

陆 旭 陆苗霞

(1. 江苏联合职业技术学院镇江分院，江苏 镇江 212026；2. 应天职业技术学院工学院，江苏 南京 210023)

·实验研究·

利用平面镜共轭法 改进测定薄凸透镜焦距实验

陆 旭1陆苗霞2

(1. 江苏联合职业技术学院镇江分院，江苏 镇江 212026；2. 应天职业技术学院工学院，江苏 南京 210023)

薄凸透镜焦距的测定是光学中的基础实验，中学物理实验中常用成像法测量薄凸透镜的焦距，但误差控制较差.笔者经多次实验探索与尝试，对传统的成像法进行改进，利用平面镜对凸透镜共轭成像进行改进，可得到较好的实验现象与效果，对误差的控制较好，供广大一线教师参考.

凸透镜成像；平面镜；共轭法

薄凸透镜焦距的测定是光学的一个基础实验，在中学以及大学物理实验中广泛开展.常见的薄凸透镜焦距的测定有以下几种方法：成像法(含共轭成像法)、自准直法、光斑法.无论采用成像法或自准直法，最终会落实到人眼对成像质量的判别上，即是否为聚焦良好的像，成为焦距测量误差的主要来源.而透镜成像质量又主要依赖于共轴、等高的调节以及透镜本身像差品质.为了减小对成像质量判断带来的误差，经过理论分析及实验探索尝试，笔者使用平面镜共轭成像对凸透镜成像实验进行了改进，取得了较好的效果.

1 问题的提出

图1

利用自准直法成像，光路如图2所示，所用实验器材有光源(物体)、凸透镜L和平面镜M.调节光源与透镜间距离，在光源处看到等大倒立清晰的像，测量光源与透镜间距即为焦距f,但由于像倒立，且平面镜的方位可调节像的位置移动，不能使光源和像完全重合，因此在测量过程中，要得到等大清晰像也存在一定困难.

图2

2 实验改进与讨论

2.1 实验改进

为了能在成像测量过程中减小人为判断带来的误差，需要引入可比较的因素.虽然在自准直法实验中，像的大小可调节到与光源等大，但倒立像在直观上不太容易与光源比较.因此，笔者将图1中光屏P用平面镜M代替，设法使像与光源重合，因此将像(光斑)是否与光源重合作为实验中光路调节与否的“判定”依据.将“判断”改进为“判定”，能减小实验的人为误差.实验光路由光源(物体)、凸透镜L和平面镜M组成.通过调节平面镜的位置，会在光源所在平面上观察到光斑大小的变化，当光斑缩小到与光源重合，则平面镜所在位置即为光源的成像位置，通过测量物距与像距大小，即可由透镜公式求得焦距.光路如图3所示，因为平面镜不改变光线的聚焦性质而只做轴对称翻转，因此光路图3以平面镜为轴做左右对称翻转.光线描述的具体过程为光源O处的物体AB经透镜L成像为平面镜M上的CD，所有光线经反射后又通过透镜L聚焦，将会到达原出发点AB(A′B′)，与原光源重合.平面镜在此过程中对所有光线进行反射，反射后的光线按各自的路径传播而不是原路返回，注意这与光路可逆不同，但也不矛盾.

图3

2.2 实验讨论

为了能得到较好的实验效果，实验需要在较暗的环境下进行，如图4(a)所示，光源为将高亮度LED嵌入白屏而制得.当平面镜正处于第一次成像CD处，光线通过平面镜反射并通过透镜二次成像，将在光源白屏上得到像斑恰好与光源重合，效果如图4(b)所示.当实验过程中平面镜的位置不在光源一次成像的位置上时，在光源处屏上能看到放大的光斑效果.

图4

当平面镜处于成像点前，如图3中的M1的位置时，平面镜相当于将所成像CD提前到EF处，则二次成像为E′F′；而当平面镜处于成像点后，如图3中的M2的位置时，平面镜相当于将成的像CD拉后到GH处，则二次成像为G′H′.无论平面镜M是否在第一次成像的前或者后，在光源O处的屏上只能看到由不聚焦带来的如图4(c)和(d)光斑效果.只有在共轭的情况下，光源O处的屏上的光斑才与光源重合，这正是改进实验效果减小误差的原因所在.

本实验在不改变现有实验条件的情况下，通过对平面镜的合理使用和实验设置的调整，减少了实验的人为误差，提高了实验效果.

[1] 李迎春，张永春.凸透镜成像实验装置的不足及改进[J].物理通报，2010，(4).

[2] 王正东.“探究凸透镜成像规律”实验器材的改进初探[J].物理教学探讨，2012，(1).

[3] 王宏明，辛春雨.再议对薄透镜焦距测定的进一步研究[J].商丘师范学院学报，2006,(2).

[4] 孙平,张仲.“薄透镜焦距测量中的误差及处理”[J].广西工学院学报，2001,(2).