光路分析在杨氏模量实验调节中的作用

陈 煜

(岭南师范学院基础教育学院，广东 湛江 524037)

光路分析在杨氏模量实验调节中的作用

陈 煜

(岭南师范学院基础教育学院，广东 湛江 524037)

杨氏模量测量实验中光路的调节是关键一步。为实现杨氏模量实验中快速调节望远镜观测清晰的标尺像，文章在光杠杆测定仪进行粗调的关键步骤给出图示指引，形象直观便于实验者理解和操作。对初学者在望远镜调节中常遇到的两个难题：望远镜的手轮该如何调节去寻找标尺的像和标尺像不在望远镜的视场内该如何调整。文章从系统成像的光路对这两种情况进行分析，并给出望远镜的调节方法，避免盲目操作，初学者能够自主快速完成望远镜的调节。

望远镜；光路分析；调节方法

杨氏模量实验是普通物理实验中的传统力学实验之一[1-4]，其目的是使学生掌握测量物体微小伸长量的方法。测量装置由光杠杆和望远镜尺组组成，在这个测量装置中光路的调节需要相当的技巧和光路知识，如何调节望远镜观测到清晰尺子的像是关键一步。很多文献[5-8]对杨氏模量实验调整技巧作了探讨，但对初学者常遇到的望远镜手轮如何调节和尺像不在望远镜的视场内该如何调整没有作讨论。本文从系统成像的光学线路图对这两种情况进行分析，给出望远镜的调节方法，并在粗调的一些关键步骤给出图示指引，以利于初学者快速掌握调节，提高实验效果。

实验步骤如下：

1 粗调

(1) 调节光杠杆平面镜与平台铅直。

(2) 把望远镜尺组调到平面镜的正前方，调节望远镜的光轴水平调节螺丝使望远镜水平并调节望远镜高度使其与光杠杆平面镜同水平高度,见图1。

图1 光杠杆示意图

(3) 把望远镜调到离平面镜的适当距离约为1.5m左右(本实验的望远镜的最短视距2m)并移动望远镜支架使从望远镜的准星往平面镜看过去可以看到刻度标尺和望远镜的像出现在平面镜中央，见图2。

图3 望远镜成像光路图

图2 视场示意图

2 望远镜的手轮调节

粗调完后开始调节望远镜手轮去寻找尺子的像，但往往很多初学者在找到清晰的平面镜的像时不知道该顺时针旋转望远镜的手轮还是逆时针旋转去找尺子的像，在这里花费了很多时间调节，其实根据望远镜成像的原理图3可以知道，物体离望远镜越远，在物镜所成的像到分划板的距离越大，要想看到此物体，应将调焦透镜移向物体，需要逆时针调焦手轮，反之，要看清近处的物体应顺时针调焦手轮使调焦透镜移向分划板。因此在指导初学者调节手轮的过程中可以巧借图1中的A柱体或者B柱体，因为它们比平面镜离物镜的距离远，而尺子通过平面镜成的虚像在柱体后方，如果先看到清晰的柱体，继续旋转手轮时柱体变得模糊而可以看到清晰的平面镜的像，此刻要逆时针调节手轮去寻找尺子的像，反之如果先看到清晰的平面镜的像，继续旋转手轮时平面镜变得模糊而可以看到清晰的柱体的像，那么要顺时针调节手轮去寻找尺子的像。这样实验者有依据和目的去调节望远镜手轮，能快速完成调节。

3 望远镜的上下左右调节

在望远镜的调节过程中有时候怎么调节手轮都无法看到尺子的像，这可能是尺像不在望远镜的视场范围内，常有图4～图7所示的4种情况。

图4 望远镜调节偏左

图5 望远镜调节偏右

图6 望远镜调节偏上

图7 望远镜调节偏下

对于图4、图5所示的情况，根据光反射原理，在实验过程中可以指引初学者在一边调节望远镜手轮的过程中一边伸出手在尺子的左边或者右边观察能否看到，如在图4中伸出的左(右)手在尺子的左(右)边被看到但看不到尺子的像，这说明望远镜的调节偏左(右)，这时可以把望远镜镜筒沿顺时(逆时)针转动一定角度，或者移动望远镜支架向左(右)，使尺子的像出现在视场中即可观察到尺子的像。

对于图6、图7所示的情况，在调节的时候看到的是天花板上的物体则说明望远镜调节偏上，如果看到的地板上的物体，则是望远镜的调节偏下。这两种情况，实验者只要调节望远镜光轴水平调节螺丝使望远镜水平，与平面镜等高共轴然后按照望远镜手轮调节的方法很容易快速找到尺子的像。

4 结语

在上述3步的调节中本文给出了一些关键步骤的调节图示指引，并引导实验者从系统成像的原理对操作中出现的问题进行分析。这样，初学者能快速领悟和掌握调节原理与技巧，高效完成实验内容，进而实验课质量得以有效提高。

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An Yukuan. A laser aiming device of the optical lever[J]. Physics and Engineering, 2014, 24(1): 28-30.(in Chinese)

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简讯

清华大学物理系段文晖教授当选中国科学院院士

2017年11月28日，中国科学院公布了2017年中国科学院院士增选院士名单。根据《中国科学院院士章程》和《中国科学院院士增选工作实施细则》的规定，2017年中国科学院选举产生了61名中国科学院院士和16名中国科学院外籍院士。清华大学物理系段文晖教授当选中国科学院院士。

段文晖，1967年1月生。清华大学物理系教授。1981—1992年在清华大学学习，先后于1986、1988与1992年获得学士、硕士与博士学位。1992—1994年在钢铁研究总院做博士后。1994年至今在清华大学任教，期间于1996—1999年在美国明尼苏达大学、2002—2003年在美国加州大学伯克利分校从事访问研究。2003年获国家杰出青年科学基金，2008年被聘为教育部“长江特聘教授”。长期致力于材料微观结构与物性的计算设计研究；从原子、电子层次的理论计算出发，揭示凝聚态物质和材料的微观结构和宏观物性之间的内在联系，开展材料性质及其物理机制的理论预测和计算设计。发表SCI收录学术论文280余篇，曾获得叶企孙物理奖(2013年)，两次获得国家自然科学二等奖(2000年、2014年)。

THESIGNIFICANCEOFOPTICALANALYSISINTHEADJUSTMENTOFYOUNG’SMODULUSEXPERIMENT

CHENYu

(College of Basic Education, Lingnan Normal University, Zhanjiang Guangdong 524037)

The adjustment of optical path in the experiment of Youngis Modulus is a key step. To aim at a clear imagination of the ruler on the adjustment of the telescope in the experiment of Young’s Modulus, this paper present a graphic guidance to the key step of the rough adjustment of the optical lever, which can assist manipulators in understanding and manipulation. This measure can help manipulator deal with two problems as follow. One is how to exactly adjust the wheel of the telescope at sake of seeking the imagination of the ruler. Another is what to do when the imagination of the ruler is not visible in the viewing field of the telescope. This article brings analysis of these two cases from the optical path of imaging system, and offers the adjustment method of the telescope to avoid the blind manipulation, which help the beginners to complete the adjustment of the telescope independently and quickly.

telescope; optical analysis; adjustment method

2016-12-26；

2017-01-20

陈煜，男，实验员，主要从事物理实验的教学和研究工作，93643594@qq.com。

陈煜. 光路分析在杨氏模量实验调节中的作用[J]. 物理与工程，2017，27(6)：75-77.

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