利用光路圖研究凸透鏡在不同物距下的像距

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在光學研究中，透鏡被定義為一塊用於成像的玻璃或透明物質。此外，它由兩個表面構成。它僅僅透過聚焦來自特定物體的光線就能形成任何物體的影像。它具有若干特性，例如主軸、焦點、透鏡的曲率中心、孔徑和光心。在這兩種透鏡中，實驗將使用凸透鏡，它可以形成實像或虛像。透過本實驗，可以找到使用光路圖在不同物距下凸透鏡的像距。

實驗目的

本實驗旨在找到凸透鏡在不同物距下的像距，並利用光路圖展示成像的性質。

理論

凸透鏡

凸透鏡的結構中間厚邊緣薄。它可以定義為表面向外彎曲的透鏡 (Mao et al. 2022)。凸透鏡也稱為雙凸透鏡或會聚透鏡。這種型別的透鏡會聚射在其上的光束。主要可以找到三種類型的凸透鏡：雙凸、平凸和凹凸。

透鏡公式

物距（表示為“u”）、像距（表示為“v”）和焦距（表示為“f”）之間的關係被稱為透鏡公式（openstax，2022）。它可以表示為：

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

在這個等式中，f=焦距，v=像距（從透鏡的光心），u=物距（物體到透鏡光心的距離）。

所需材料

在進行實驗的過程中，一些材料是必須的 (teachoo, 2022)。需要一個焦距為12到20釐米的凸透鏡，一把用於測量的刻度尺，光具座，一根針和最重要的一個蠟燭。

實驗過程

圖1：物體的擺放位置

1. 如果物距無窮大 u=∞，像距將等於焦距 f，即 v=f。如圖 (a) 所示，當光線平行傳播時，它們在另一側形成影像。此影像形成在透鏡的另一側，並以真實、縮小且倒置的方式出現。

2. 如果物體放置在2F之外，則影像將形成在F和2F之間。如圖 (b) 所示，影像將是縮小的、倒置的，並形成在透鏡的另一側。

3. 如果物體放置在2F點，u將是焦距的兩倍，v也將相同。如圖 (c) 所示，所形成的像是位於透鏡的另一側，與物體大小相同，但倒置。

圖2：物體的 位置和像

4. 如果物體放置在F和2F之間，則形成的像是真實的、倒置的，並且比物體大。如圖 (d) 所示。

5. 如果u等於f，並且物體放置在F點，則影像將形成在透鏡的另一側，並且是真實的、倒置的，並且尺寸極大。圖 (e) 顯示了它是如何工作的。

6. 物體可以放置在C和F之間。在這種情況下，所形成的像是正立的、虛的、放大的，並且在透鏡的同一側 (studyrankers, 2022)。這個像最不好的地方是它不能呈現在螢幕上。如圖 (f) 所示。

光路圖

圖3：光路圖

觀察結果

序號	透鏡光心位置 (cm)	蠟燭位置 (cm)	光屏精確位置 (cm)	物距 (cm)	像距 (cm)	焦距 (cm)

表1：透鏡觀察結果

計算

這意味著焦距將為10釐米。簡而言之，給定透鏡（圖3）的焦距為10釐米。

結論

這個實驗需要一些注意事項，例如焦距必須在15到20釐米之間，它必須具有小孔徑，最重要的是螢幕不能晃動。凸透鏡形成的像是總是真實的、倒置的，並且在另一側可見。只有一個例外，如果物體放置在F點和C點之間。在這個位置，形成的像是物體的虛像和放大像，最重要的是它在透鏡的同一側。

常見問題

Q1. 什麼是凸透鏡？

表面向外彎曲的透鏡稱為凸透鏡。它也稱為會聚透鏡或雙凸透鏡。

Q2. 透鏡公式是什麼？

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

Q3. 什麼是焦距？

透鏡的焦距是焦點和透鏡光心之間的距離。