如何测量凸透镜的焦距:利用太阳光粗测的实操记录

如何测量凸透镜的焦距:利用太阳光粗测的实操记录

那次在物理实验室,老师布置任务,要搞清楚如何测量凸透镜的焦距,手里就一块凸透镜、一张白纸,还有刻度尺。最开始想当然,直接拿透镜对着窗户,以为看到清晰像就能读数,折腾半天,数值来回跳,根本稳不住。

窗边的阳光斜着进来,灰尘在光束里飘。把透镜举起来,对着太阳,白纸放在透镜后面,慢慢挪动纸片,光斑一会大一会散,直到缩成一个极小、很亮的圆点,那个点就是焦点。按住白纸不动,拿尺子量透镜镜片中心到这个光点之间的距离,读出的长度,就是焦距。

这里很容易出错,我当时就踩了。太阳光不是完全平行,而且手会抖,稍微一动,光斑就变大。一开始以为只要亮就行,结果把光晕当成焦点,测出来的数值比真实焦距大不少。反复调整透镜角度,保证太阳光垂直照在透镜面上,不能歪着,一倾斜,光斑就会拉长变形,不再是小圆点,测出来的数据自然不准。

旁边同学选的透镜度数不一样,测出来的结果差很多。有人嫌麻烦,光斑还没缩到最小就急着量,得到的数值每次都不一样。反复试了三四次,取相对接近的一组数,这样误差能小一点。这只是我的个人感受,不是标准答案,这种太阳光法只能粗测,精度有限,做精密测量不能用这个办法。

还有另一种方式,用光具座测。光源、凸透镜、光屏依次固定在滑轨上,移动光源和光屏,直到光屏上出现倒立、等大的实像。这个时候物距和像距相等,焦距就是物距的一半。光具座的优势是不受阴天影响,没有太阳的时候也能操作,就是设备多,调起来麻烦。

那次用光具座的时候,光屏没有和透镜保持平行,成像边缘模糊,看着像等大,实际不是。来回拧底座的旋钮,一点点校正,直到整个像都清晰锐利,没有发虚的边缘。滑轨上的刻度读数也要留意,要看滑块对齐的刻度线,不能估读的太随意。

粗测法适合快速得到大概数值,课堂上做练习足够。要是要更可靠的数据,就得用光具座成像法,多测几组数据对比。两种方法原理不一样,太阳光法靠平行光会聚,成像法依靠凸透镜成像规律,不能混为一谈。

做完实验收拾器材的时候,才想起,不能长时间盯着那个会聚后的亮斑,光线太强,容易伤到眼睛。当时只顾着找最小光斑,差点低头直视,还好及时反应过来。凸透镜会聚的阳光温度很高,纸片放久了甚至会烤出焦痕,这点操作的时候一定要留心。

同一枚透镜,用两种方法测出来的结果,也不会完全一模一样。环境光线、刻度尺本身的精度,还有手移动时产生的微小偏移,都会带来误差。不需要强求数值完全一致,只要偏差在合理范围之内就可以。

后来整理实验记录,没有把单次测量的数字直接写上去,挑选了几次稳定的读数,记录下来。整个过程没有什么花哨技巧,大部分时间都耗在反复调整位置,判断什么时候的像或者光斑才算清晰。

合上实验记录本,透镜放回盒子里。粗测的办法门槛低,随手就能试,但精度先天不足。想要更准,就得借助光具座慢慢调试。