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国中学生物理竞赛实验指导书思考题参考答案-光学



实验二十八
【思考题参考答案】

测定玻璃的折射率

1.视深法和光路法测量时,玻璃砖两个界面的平行度对测量结果有什么影响?为 什么? 答:玻璃砖两个界面的平行度对光路法测量结果没有影响。这是因为如果两个界面 不平行,可以看成三棱镜,出射线偏向厚度增加方向(相当于底部) ,只要用光路法找 到入射线、出射线和两个界面,都能 确定对应

的入射角和折射角,从而按 折射定律计算折射率。 对视深法测量结果是否影响,请 自己根据测量原理思考。 2.视深法和光路法测量时,玻璃砖厚些还是薄些好?为什么? 答:厚些好。在视深法中,玻璃砖越厚 h?越大,这样由于像的位置不准引起的相对 误差越小。在光路法中,玻璃砖越厚,由于 ABCD 位置定的不准,引起入射角和折射角 的误差越小,折射率的相对测量误差越小。 3.光路法测量时,为什么入射角不能过大或过小? 答:折射率决定于两个角度的正弦比,入射角太小时,角度误差引起正弦函数的误 差变大,入射角和折射角测量误差对测量结果的误差影响变大。入射角太大时,折射角 也变大,折射能量太小,同时由于色散严重,出射光束径迹不清晰(或在利用大头针显 示光路时,大头针虚像模糊)折射角不易定准。 4.光路法测量时,若所画直线 ab 和 cd 的间距大于玻璃砖的真实厚度,那么,折 射率的测量值偏大还是偏小?为什么? 答:折射率的测量值偏小。如果所画直线 ab 和 cd 的间距大于玻璃砖的真实厚度,如图所示。实际折 射线如图中虚线,而作图的折射线为图中实线,测量 的折射角大于实际折射角,折射率 n ? sin i sin r ,测
c a r d ?D ?A ?B i b

量折射率值偏小。 间距小于玻璃砖的真实厚度的问题,自己回答。

?C

实验二十九
【思考题参考答案】

测定薄透镜的焦距

1.作光学实验为何要调节共轴?共轴调节的基本步骤是什么?对多透镜系统如何 处理? 答: 光学实验中经常要用一个或多个透镜成像。 由于透镜在傍轴光线 (即近轴光线) 下成像质量好,基本无像差,可以减小测量误差,必须使各个透镜的主光轴重合 (即共
1

轴)。否则,会造成成像质量低,甚至光路不通。共轴调节的基本步骤是: ( 1)粗调。 将物、透镜、屏等元件靠近光源,调节它们的取向和高低、左右位置,使它们的中心处 在一条和水平导轨平行的直线上,且这些元件的面要与导轨垂直; (2)细调。借助于其 它仪器和成像规律,按一定顺序,仔细调节每个元件的中心位置和中心面,最大限度做 到共轴。例如利用位移法成像的规律进行共轴调节,保持物不动,成小像时调光屏,使 光屏中心与小像中心重合;成大像时调透镜,使大像中心与光屏中心重合。如此反复几 次即可调节共轴。 对多透镜系统,先调节单个透镜的共轴,再逐次放入其它透镜,每放入一个透镜调 节成像和它的高低左右,使同一物点在屏上的像点位置不变。 2.位移法测透镜焦距,为何物屏间距离要大于四倍焦距?此法有何优点?物屏距 离为何不可取的太大? 答:物屏间距离要大于四倍焦距是两次成实像的条件。如果物屏间距离小于四倍焦 距,当移动凸透镜时不能两次成实像,无法用位移法测量焦距。位移法的优点是:通过 测量两次成像时凸透镜的位移测量焦距,克服了透镜光心与滑块刻痕不一致引起的系统 误差。另外位移法测量时,像的清晰容易判断。一旦屏上出现清晰的像,当透镜的位置 稍有变化时,它总是同时影响到物距和像距,并且是一个变小,另一个变大,像的清晰 程度变化明显. 在位移法测量焦距时,如果物屏距离太大,势必造成大像太大,小像太小,这样大 像模糊不清,很难准确判断成大像时凸透镜的准确位置,使测量误差变大。 3.怎样用视差法确定实像位置? 答:用“针尖”取代像屏,置于实像附近。观察者眼睛左右、上下移动,观察针尖 与实像之间的视差,若像的移动方向与眼睛移动方向相同,说明像在针尖与透镜之间, 将针尖推向透镜;反之,则将针尖推向观察者。直至眼睛移动时,像和针尖不错位,即 无视差,这时针尖的位置就是实像的位置。 4.能否用眼睛直接观察实像?为什么人们喜欢用毛玻璃(或白屏)看实像? 答:当然能,但是,只能迎着光在一狭窄范围内(主轴附近)看到实像。用毛玻璃 (或白屏)看实像,由于漫反射,可以从更大范围内看到实像。 5.物像距法测凹透镜焦距二次成像的前提条件是什么? *答:放入凹透镜后组合透镜应为正透镜,组合透镜焦距为 f ?
f1 f 2 ,则当 f1 ? f 2 ? d

f1 ? f 2 ? d 时就能成实像。 (1) ?f ? f1 ? f 2 ? 0 , d ? ?f ; (2) f1 ? f 2 。
6.自准直法测凸透镜焦距,当物距远小于焦距时,也 会在物屏上生成一倒立、等大的实像,且取走平面镜后, 此像依然存在,请予以解释。

2

答:假设凸透镜是一个薄的双凸面透镜,这个像是由于物体发出的光经第一个凸面 折射进入玻璃内,第二个面反射,再经第一个面折射形成的。 [补充思考题]自准直法测凸透镜焦距,当像在物与透镜之间时,怎么调节? 答:将物体缓慢推向透镜,或将透镜缓慢推向物体,直至像和物出现在同一位置。 【实验拓展】设计自准直法测量 凹透镜焦距的实验方案,画原理性光 路,说明测量原理,写出操作步骤。 提示:考虑凸透镜辅助。参考光 路如图。 答:凸透镜 L1 将物物体发出的光 成像于像屏 P 记下位置,将待测凹透镜 L2 置于 Ll 与像屏 P 之间,当移动 L2 并使其光心 到屏 P 之间距等于凹透镜 L2 的焦距时,光线经 L2 后将成为平行光束,这时,若在 L2 与 P 之间放一平面镜 M,这束平行光被 M 反射,将在物平面上成一与物体等大倒立的 实像。因此,只要测量 L2 与 P 之间的距离,即可求得凹透镜 L2 的焦距。
P

实验三十一
【思考题参考答案】

光的干涉现象

1.如果狭缝和双棱镜的棱脊不平行,是否能观察到干涉条纹?为什么? 答:不能。可以证明对于点光源,双棱镜的两个虚光源是一对相干点光源,得到的 干涉条纹是明暗相间的条纹。对于缝光源,如果缝光源与棱脊平行,两个虚光源是两个 对称的缝光源,把缝光源看成一系列相互独立的点光源,观察屏上一点的光强是各个点 光源产生的强度之和,由于每对点光源的干涉条纹重合,干涉条纹亮度增大。如果狭缝 和双棱镜的棱脊不平行,每对点光源的干涉条纹不重合,导致干涉条纹的可见度下降, 甚至消失。 2.干涉条纹的间距与哪些因素有关?当狭缝 S 与双棱镜 B 之间的距离加大时,条 纹间距是变大还是变小? 答:条纹间距与狭缝到观察屏的距离 D、虚光源间距 l 和波长?有关。当狭缝 S 与 双棱镜 B 之间的距离 R 加大时,虚光源间距 l 增大,由于条纹间距与 l 成反比,所以条 纹间距变小。 3.如果在双棱镜前面用一小孔代替狭缝,得到的干涉条纹是什么形状?为什么本 实验中用狭缝而不用小孔? 答:如果在双棱镜前面用一小孔代替狭缝,得到的干涉条纹是明暗相间的条纹。由 于小孔透射的光强很小,干涉条纹明纹亮度很低,位置不易测准,所以实际实验中用狭 缝,狭缝光源可以无穷多点光源,如果狭缝和棱镜平行,这些电源的干涉条纹重合,干 涉条纹明亮。 4.用白炽灯代替钠光灯作光源时,干涉条纹有何特点?
3

答:只有单色光才相干,白炽灯作光源时,不同的单色光的干涉条纹错开,形成彩 色干涉条纹,从中间往外看条纹颜色是紫色在里面,红色在外面。 5.用双棱镜测量波长时怎样减小误差? 答:双棱镜测量波长的误差主要是狭缝到观察屏的距离 D、虚光源间距 l 测量不准 和测微目镜读数错误。为减小误差,测量 D 时,要注意狭缝与狭缝的滑块中心不在一个 位置,干涉条纹在目镜的分划板上,而目镜的分划板与滑块中心不在一个位置,需要估 计出它们之间的距离。 测量 l 时, 由于是 0.1mm 级的数字, 又不能用测长仪器直接测量, 为减小误差用成像的位移法(二次成像)测量,要注意大小像不要差别过大。测量条纹 位置时超一个方向进行测量,细心读测微目镜。

实验三十三
【思考题参考答案】

调节分光计并用掠入射法测定折射率

1.平面镜转动时,目镜中“十”字像的运动轨迹与 MN 线不平行,原因何在?如何 解决? 答:这有可能是 MN 线不水平。转动望远镜目镜使 MN 线水平即可。 2.三棱镜调好后,为何不能拿下再放上? 答: 这样容易破坏三棱镜的主截面与分光计的转轴垂直, 导致顶角 A 的测量不准确。 原因是, 棱镜顶角是棱镜主截面上三角形的一个角, 如果棱镜主截面与仪器主轴不垂直, 也就与待测光路平面(望远镜和平行光管光轴或入射光所在平面)不一致。 3.如何判断物和像(例如“十”字和它的反射像)是否在同一平面内?若亮“十”字 反射像位于“ 十 ”准线之前,距观察者更远,应怎样调节分划板? 答:利用视差判断。松开望远镜套筒锁定螺钉,前后移动望远镜套筒,直到亮“十” 字反射像最清晰,并与“ 十 ”准线无视差。若亮“十”字反射像位于“ 十 ”准线之前,应将套 筒前移。 4. 平面镜旋转 180?前后的两个亮“十”字反射像分别位于 MN 线下方 a 和 5a 处, 试 问: (1)平面镜是否平行于转轴?(2)望远镜是否垂直于转轴?(3)设计一种方法, 使望远镜光轴与仪器转轴垂直的调节最迅速。 答: (1)平面镜与转轴不平行; (2)望远镜与转轴不垂直; (3)先就后一情况,调 节望远镜倾角,使 5a 处的亮“十”字反射像到 MN 的下方大约 a 的位置。再将平面镜转 动 180?,按减半逐步逼近法调节。当按减半逐步逼近法调节反复几次后,直到平面镜旋 转 180?前后,亮“十”字反射像始终落到 MN 线上。 [补充] (1) 借助平面镜调节望远镜光轴使之垂直于分光计主轴时,为什么要旋转 180 度使平面镜两面的法线先后都与望远镜的光轴平行?只调节一面行吗? 答:调节两面是为了防止出现虽然望远镜光轴垂直于分光计主轴,但他们都没有达 到水平,而是同时倾斜,只是处于倾斜角度相同的状态的情况。所以只调节一面不行。
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(2)调节望远镜光轴与分光计的中心轴相垂直时,如果只对一个光学面观察到反 射的十字像,如何调节? 答:当望远镜光轴和载物台都倾斜,但望远镜的光轴垂直或大致垂直于光学平行 平板的镜面时,从望远镜中可观察到反射的十字像。将光学平行平板随载物台转过 180 度后,望远镜的光轴与光学平行平板的镜面不再有垂直或大致垂直的关系,反射的十字 像则可能无法进入望远镜。因此,只能观察到一个光学面反射的十字像。根据望远镜光 轴和载物台的倾斜方向,可分析判断反射的未进入望远镜的十字像,是在望远镜筒外的 上方还是下方。由此,可决定进一步的调节方向,或者重新进行粗调。

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