利用光路图研究凸透镜在不同物距下的像距

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在光学研究中，透镜被定义为一块用于成像的玻璃或透明物质。此外，它由两个表面构成。它仅仅通过聚焦来自特定物体的光线就能形成任何物体的图像。它具有若干特性，例如主轴、焦点、透镜的曲率中心、孔径和光心。在这两种透镜中，实验将使用凸透镜，它可以形成实像或虚像。通过本实验，可以找到使用光路图在不同物距下凸透镜的像距。

实验目的

本实验旨在找到凸透镜在不同物距下的像距，并利用光路图展示成像的性质。

理论

凸透镜

凸透镜的结构中间厚边缘薄。它可以定义为表面向外弯曲的透镜 (Mao et al. 2022)。凸透镜也称为双凸透镜或会聚透镜。这种类型的透镜会聚射在其上的光束。主要可以找到三种类型的凸透镜：双凸、平凸和凹凸。

透镜公式

物距（表示为“u”）、像距（表示为“v”）和焦距（表示为“f”）之间的关系被称为透镜公式（openstax，2022）。它可以表示为：

[1/f] = [(1/v)- (1/u)]

在这个等式中，f=焦距，v=像距（从透镜的光心），u=物距（物体到透镜光心的距离）。

所需材料

在进行实验的过程中，一些材料是必须的 (teachoo, 2022)。需要一个焦距为12到20厘米的凸透镜，一把用于测量的刻度尺，光具座，一根针和最重要的一个蜡烛。

实验过程

图1：物体的摆放位置

1. 如果物距无穷大 u=∞，像距将等于焦距 f，即 v=f。如图 (a) 所示，当光线平行传播时，它们在另一侧形成图像。此图像形成在透镜的另一侧，并以真实、缩小且倒置的方式出现。

2. 如果物体放置在2F之外，则图像将形成在F和2F之间。如图 (b) 所示，图像将是缩小的、倒置的，并形成在透镜的另一侧。

3. 如果物体放置在2F点，u将是焦距的两倍，v也将相同。如图 (c) 所示，所形成的像是位于透镜的另一侧，与物体大小相同，但倒置。

图2：物体的 位置和像

4. 如果物体放置在F和2F之间，则形成的像是真实的、倒置的，并且比物体大。如图 (d) 所示。

5. 如果u等于f，并且物体放置在F点，则图像将形成在透镜的另一侧，并且是真实的、倒置的，并且尺寸极大。图 (e) 显示了它是如何工作的。

6. 物体可以放置在C和F之间。在这种情况下，所形成的像是正立的、虚的、放大的，并且在透镜的同一侧 (studyrankers, 2022)。这个像最不好的地方是它不能呈现在屏幕上。如图 (f) 所示。

光路图

图3：光路图

观察结果

序号	透镜光心位置 (cm)	蜡烛位置 (cm)	光屏精确位置 (cm)	物距 (cm)	像距 (cm)	焦距 (cm)

表1：透镜观察结果

计算

这意味着焦距将为10厘米。简而言之，给定透镜（图3）的焦距为10厘米。

结论

这个实验需要一些注意事项，例如焦距必须在15到20厘米之间，它必须具有小孔径，最重要的是屏幕不能晃动。凸透镜形成的像是总是真实的、倒置的，并且在另一侧可见。只有一个例外，如果物体放置在F点和C点之间。在这个位置，形成的像是物体的虚像和放大像，最重要的是它在透镜的同一侧。

常见问题

Q1. 什么是凸透镜？

表面向外弯曲的透镜称为凸透镜。它也称为会聚透镜或双凸透镜。

Q2. 透镜公式是什么？

透镜公式是[1/f] = [(1/v)- (1/u)]，其中，f=焦距，v=物距，u=像距。

Q3. 什么是焦距？

透镜的焦距是焦点和透镜光心之间的距离。