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中学物理成像实验操作指导书

引言

光学是物理学的重要分支，而成像实验则是中学阶段理解光的传播与透镜作用的基础。通过亲手操作与细致观察，同学们将能直观感受光线如何通过透镜发生偏折，并最终形成各种不同性质的像。本指导书旨在引导大家规范、安全地完成实验，深入理解实验原理，培养科学探究精神与动手能力。请务必在实验前仔细阅读本指导，并在教师指导下进行操作。

一、实验目的

1.理解凸透镜对光线的会聚作用及凹透镜对光线的发散作用。

2.掌握凸透镜成像的基本规律，包括不同物距情况下像的位置、大小、正倒及虚实。

3.学会正确使用光具座、凸透镜、凹透镜、光屏、光源等实验器材。

4.培养观察现象、记录数据、分析归纳并得出结论的科学实验能力。

二、实验原理

1.透镜的基本作用：

*凸透镜：中间厚、边缘薄的透镜，对光线有会聚作用，能将平行于主光轴的光线会聚于焦点。

*凹透镜：中间薄、边缘厚的透镜，对光线有发散作用，能将平行于主光轴的光线发散，其反向延长线交于虚焦点。

2.凸透镜成像规律：

凸透镜成像的性质（像的大小、正倒、虚实）取决于物体到凸透镜光心的距离（物距，用u表示）与凸透镜焦距（f）之间的关系。一般我们将物距与焦距的关系分为几种典型情况，每种情况对应不同的成像特点：

*当物体位于凸透镜的二倍焦距以外（u2f）时，在透镜的另一侧一倍焦距与二倍焦距之间（fv2f）成倒立、缩小的实像。

*当物体位于凸透镜的二倍焦距处（u=2f）时，在透镜的另一侧二倍焦距处（v=2f）成倒立、等大的实像。

*当物体位于凸透镜的一倍焦距与二倍焦距之间（fu2f）时，在透镜的另一侧二倍焦距以外（v2f）成倒立、放大的实像。

*当物体位于凸透镜的焦点处（u=f）时，不成像，此时光线经透镜折射后平行射出。

*当物体位于凸透镜的焦点以内（uf）时，在透镜的同侧成正立、放大的虚像，此时无法在光屏上承接，需透过透镜观察。

三、实验器材

光具座（带刻度）、凸透镜（常用的如某厘米焦距的凸透镜，具体以实验室提供为准）、凹透镜（可选，用于对比或拓展）、光屏（白色，中心带孔或不带孔）、光源（如蜡烛及火柴，或带“F”形或箭头形遮光罩的白炽灯光源）、支架（若光源、透镜、光屏不直接固定在光具座上）、抹布（用于清洁透镜或桌面）。

四、实验步骤

（一）实验前准备与调整

1.检查器材：清点并检查所提供的实验器材是否完好，特别是凸透镜是否有破损、污渍，光具座刻度是否清晰，光屏是否洁净。

2.熟悉器材：将光具座平稳放置在水平桌面上，了解光具座上各滑块的固定与移动方法。

3.共轴调节：这是保证实验成功的关键步骤。

*将蜡烛（或其他光源）、凸透镜、光屏依次安装在光具座的滑块上，确保它们的中心大致在同一条与光具座导轨平行的直线上。

*点燃蜡烛（若使用烛焰光源），调整蜡烛的高度，使烛焰中心、凸透镜光心、光屏中心（或光屏上预设的观察点）三者在同一高度。可以通过移动各滑块的高低位置来实现。简单的判断方法是：从光具座的侧面水平看去，三者的中心应重合。这一步称为“等高共轴”调节，目的是使烛焰的像能成在光屏的中央区域。

（二）凸透镜成像规律探究

1.粗测凸透镜焦距（可选，快速定位用）：

*方法一（平行光聚焦法）：将凸透镜正对着远处的窗户或室外明亮的物体（这些物体可视为无穷远光源，发出的光近似平行光），在透镜的另一侧移动光屏，直到光屏上出现一个最清晰、最小的亮点（或光斑），此时亮点到透镜光心的距离即为该凸透镜的焦距f。记录下此估计值，以便后续实验中快速找到大致的成像区域。

*方法二（二倍焦距成像法）：若时间允许，也可在后续步骤中通过成等大实像时物距等于二倍焦距来精确测量。

2.探究u2f时的成像情况：

*将凸透镜固定在光具座的某一刻度处（例如，50.0cm刻度线，记录此位置为透镜位置）。

*移动蜡烛，使其位于凸透镜的二倍焦距以外区域。具体操作是：使蜡烛到凸透镜的距离（物距u）大于刚才粗测的焦距的两倍。例如，若f约为某厘米，则使u大于该厘米数的两倍。

*沿光具座移动光屏，直到在光屏上出现一个清晰的烛焰的像。仔细观察像的大小、正倒。

*记录此时的物距u（蜡烛位置刻度减去透镜位置刻度，注意单位）和像距v（光屏位置刻度减去透镜位置刻度），并记录像的性质（倒立/正立，放大/缩小/等大，实像/虚像——能在光屏上呈现的为实像）。

3.探究u=2f时的成像情况：

*移动蜡烛，使物距u等于刚才粗测的二倍焦距（或通过缓慢移动，找到成等大实像的位置）。

*移动光屏，找到最清晰的像，观察像的大小（与物比较）、正倒。

*记录物距u、像距v及像的性质。此