杨氏模量实验望远镜调节方法研究

2014-12-24冯隆林李志坤

大学物理实验 2014年5期

冯隆林，李志坤

(淮阴工学院，江苏淮安 223003)

拉伸法测金属丝杨氏模量实验是理工科大学物理实验中的一个重要实验［1-2］。目前，已经有很多人对该杨氏模量实验调节技巧进行了研究［3-9］，探讨的内容大多是先目测粗调，然后再通过望远镜细调。但是对细调过程中望远镜调焦手轮应作如何调节，则未予以讨论，这就导致了学生在调节望远镜调焦手轮时候，无法确定该是顺时针还是逆时针转动，从而使调节变得非常盲目。从尺读望远镜内部结构和成像原理的角度，分析在不同情况下应该如何调节旋转望远镜调焦手轮。使学生在调节的时候具有明确的目的性，减少不必要的时间浪费。

1 尺读望远镜内部结构

尺读望远镜由目镜、分划板、物镜和调焦透镜组成。目镜是由两块凸透镜组成的透镜组;物镜是有焦距比较大的凸透镜构成;调焦透镜是有一块凹透镜组成。具体结构如图1所示。

图1 尺读望远镜内部结构图

调焦透镜通过齿轮与调焦手轮联系起来，并且调焦手轮顺时针转动时调焦透镜向分划板移动，逆时针转动时调焦透镜向物镜移动。在该系统中分划板和物镜的位置固定不变，即远处的物体在望远镜中所成的实像位置不变。

2 尺读望远镜的成像原理分析

在该望远镜系统中，远处的物体经过物镜(凸透镜)和调焦透镜(凹透镜)两次成像后，在分划板上成立清晰的像，实现对物体的测量，示意图如图2所示。

图2 望远镜成像原理示意图

首先分析远处物体在物镜(凸透镜)成像规律。设物镜焦距为f1，物镜对应的物距、像距分别为u1、v1，并且 u1远大于2f1。由透镜成像公式得像距v1表达式，且f1＜v＜2f1。

由此表达式可以看出像距随物距的增大而减小，换句话说，物体离物镜越远，其所成的像离物镜越近，如图2所示。

其次分析经过调焦透镜(凹透镜)成像规律。由于要对物体进行测量，则通过凹透镜所成的像应该是实像并且位置只能在分划板上。所以凹透镜成像时对应的物体应在透镜的出射光线一则，即对应的物体应是虚物，如图2所示。以下分析物体到分划板的距离与凹透镜像距的关系。假设凹透镜的焦距为f2;物体到分划板的距离为x;由于凹透镜成像置固定，所以像距就是凹透镜到分化板的距离v2;则凹透镜成像时的物距为:－u2=－(v2－x);根据凹透镜成像公式:

得像距v2与物体到分划板的距离x之间的关系:

解此方程，得解v2为:

其中根据符号法则，对本次凹面镜成像中的像距v2应大于零，故表达式中只取正号。由此公式可以看出v2随着x增大而增大。所以当物体与分划板距离变大时，对应的像距v2会变大，要想看到该物体必须使凹透镜远离分划板。反之则应将凹透镜靠近分划板。

综上所述，物体距离望远镜越远，在物镜中所成的像到分划板的距离越大，要想看到此物体，应将调焦透镜移向物镜，需要逆时针调节调焦手轮。反之，如要看清近处的物体，应顺时针调节调焦手轮使调焦透镜移向分划板。

3 望远镜调节步骤

首先，目测粗调。使望远镜轴线处于水平状态，并与镜面中心等高，与镜面垂直。沿着望远镜镜筒外表面的瞄准系统观察平面镜时，能够看到清晰的标尺像。

其次，调节目镜直至清晰地观察到分划板上的分划线。然后仔细观察标尺前后环境物体以作调节参考。

再次，调节调焦手轮直至从望远镜中清晰地观察到环境中的物体，然后根据物体与标尺位置的远近，调节调焦手轮。如果物体比标尺远则应逆时针旋转调焦手轮，反之，则应顺时针调节调焦手轮，直至在分划板上看到清晰的标尺像。此时望远镜调焦工作完毕。然后根据成倒立实像的关系，对标尺进行上下左右调节，将其调到合适位置，即可进行实验测量。