【目的和要求】
观察球面镜对入射光线的反射情况:
1.凹镜能使平行光会聚于焦点;
2.从凹镜焦点发出的光被反射后,平行射出;
3.凸镜能使平行光发散。
【仪器和器材】
光具盘(J2501型),低压电源(J1201型),凹镜、凸镜和平面镜。
【实验方法】
1.把光具盘中的平行光源、矩形光盘按图2.6-1所示组装并调整好。选择光盘左侧的拦光片数目,使得有3-5条平行光线照到光盘上。实验时,先让学生观察光盘上显示的平行光线的特性。然后,再在矩形光盘的中部挂凹柱面镜,调整凹镜的位置(包括上下移动凹柱面镜或绕悬挂点左右移动凹柱面镜),使中间一条光线经凹镜反射后,沿原路返回,这条光线就是凹镜的主轴。这时可以观察到,平行主轴的光线经凹镜反射后,会聚于主轴上一点,这点叫焦点。
2.在光盘缝隙右侧的圆孔铁架上放置四个小平面镜,调整小平面镜的方位,使得由缝隙进来的光线经一对小平面镜反射后过凹镜的焦点,如图2.6-2所示。可以看到,这两条通过焦点的光线经凹镜反射后,成为平行光。
8.演示汽车前灯照亮远处的原理。在凹镜前移动点亮的小灯泡,当它的灯丝位于凹镜焦点时,远处墙上得到面积与凹镜口径相近的亮斑。
4.把凹柱面镜换成凸柱面镜,可以看到,平行光经凸镜反射后,不能会聚于一点,而是变得发散了。
5.演示凸镜能够扩大视野。在同一张硬纸板上挖两个大小相同的圆孔,分别盖在平面镜和凸镜上,两个镜面通过圆孔露出的面积相同,让同学比较平面镜和凸镜的观察范围。例如,分别从平面镜和凸镜中看到的同学的数目不同,可知,同面积的凸镜比平面镜的观察范围大。
【注意事项】
1.光具盘的调整应注意下述问题:
(1)平行光源采用12V 45W直丝灯泡,用低压电源(J1201型)供电。考虑到灯丝的冷电阻较小,开始供电时,应选用10伏特左右的电压。如灯光不够强,在灯泡点燃后,再提高供电电压(不应超过额定电压12伏特)。由于光源的散热情况不好,平行光源连续使用的时间不宜过长。
(2)平行光源和光具盘的调整。
①矩形光盘左边设有拦光装置,上面有七条缝隙,每条缝隙上都可以插入拦光片,选择插入拦光片的数目,可以得到3-5条缝隙。平行光透过这些缝隙后,在光盘上显示出一条条亮线。这些亮线表示了光透过缝隙后的传播路线。调整平行光源与光盘的相对位置,使得平行光源的中心正对中间的缝隙,光源的中心轴线与光盘平面成较小的夹角,这样,在光盘上可以看到几条亮线纵贯整个光盘。
②调整光源灯泡的位置,使得灯丝位于光源凸透镜的焦平面上,灯丝和光盘平面垂直。灯丝位于焦平面上,它所发出的光,经凸透镜成为平行光;由于灯丝不是一个点,而是近于一条直线段,因此,灯丝上每一点形成的平行光束的轴线与透镜主轴的夹角不同,如图2.6-3所示。这样,由平行光源发出的光在不同截面内的特性也就不相同。当灯丝与光盘平面垂直时,即灯丝与光盘左侧的通光缝隙平行时,在光盘上见到的亮线边缘清晰,发散角最小;当灯丝与光盘平面平行时,即灯丝与通光缝隙垂直时,在光盘上见到的亮线边缘不清晰,发散角最大。
③考虑到像差的影响,实验时所取的平行光带应尽量选取靠近光源透镜主轴的近轴光线。
上述调整应反复进行,直到光盘上显示出清晰、明亮的几条近于平行的光线,纵贯整个光盘。
2.本实验用圆柱面镜来演示球面镜主截面内的光路。圆柱面镜的圆柱面母线和光盘平面垂直,圆柱面镜的镜面与光盘平面的交线是一段圆弧,光盘上显示出与光盘平面平行的截面内的光路,它与球面镜主截面内的光路相同。
编者提示:本小实验可辅以“光现象”部分的物理实验教学,以此培养和提高学生的实验能力和素养。
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