楊氏模量實驗望遠鏡調(diào)節(jié)方法研究

馮隆林，李志坤

(淮陰工學院，江蘇 淮安 223003)

拉伸法測金屬絲楊氏模量實驗是理工科大學物理實驗中的一個重要實驗［1-2］。目前，已經(jīng)有很多人對該楊氏模量實驗調(diào)節(jié)技巧進行了研究［3-9］，探討的內(nèi)容大多是先目測粗調(diào)，然后再通過望遠鏡細調(diào)。但是對細調(diào)過程中望遠鏡調(diào)焦手輪應(yīng)作如何調(diào)節(jié)，則未予以討論，這就導致了學生在調(diào)節(jié)望遠鏡調(diào)焦手輪時候，無法確定該是順時針還是逆時針轉(zhuǎn)動，從而使調(diào)節(jié)變得非常盲目。從尺讀望遠鏡內(nèi)部結(jié)構(gòu)和成像原理的角度，分析在不同情況下應(yīng)該如何調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)望遠鏡調(diào)焦手輪。使學生在調(diào)節(jié)的時候具有明確的目的性，減少不必要的時間浪費。

1 尺讀望遠鏡內(nèi)部結(jié)構(gòu)

尺讀望遠鏡由目鏡、分劃板、物鏡和調(diào)焦透鏡組成。目鏡是由兩塊凸透鏡組成的透鏡組;物鏡是有焦距比較大的凸透鏡構(gòu)成;調(diào)焦透鏡是有一塊凹透鏡組成。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 尺讀望遠鏡內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

調(diào)焦透鏡通過齒輪與調(diào)焦手輪聯(lián)系起來，并且調(diào)焦手輪順時針轉(zhuǎn)動時調(diào)焦透鏡向分劃板移動，逆時針轉(zhuǎn)動時調(diào)焦透鏡向物鏡移動。在該系統(tǒng)中分劃板和物鏡的位置固定不變，即遠處的物體在望遠鏡中所成的實像位置不變。

2 尺讀望遠鏡的成像原理分析

在該望遠鏡系統(tǒng)中，遠處的物體經(jīng)過物鏡(凸透鏡)和調(diào)焦透鏡(凹透鏡)兩次成像后，在分劃板上成立清晰的像，實現(xiàn)對物體的測量，示意圖如圖2所示。

圖2 望遠鏡成像原理示意圖

首先分析遠處物體在物鏡(凸透鏡)成像規(guī)律。設(shè)物鏡焦距為f1，物鏡對應(yīng)的物距、像距分別為u1、v1，并且 u1遠大于2f1。由透鏡成像公式得像距v1表達式，且f1＜v＜2f1。

由此表達式可以看出像距隨物距的增大而減小，換句話說，物體離物鏡越遠，其所成的像離物鏡越近，如圖2所示。

其次分析經(jīng)過調(diào)焦透鏡(凹透鏡)成像規(guī)律。由于要對物體進行測量，則通過凹透鏡所成的像應(yīng)該是實像并且位置只能在分劃板上。所以凹透鏡成像時對應(yīng)的物體應(yīng)在透鏡的出射光線一則，即對應(yīng)的物體應(yīng)是虛物，如圖2所示。以下分析物體到分劃板的距離與凹透鏡像距的關(guān)系。假設(shè)凹透鏡的焦距為f2;物體到分劃板的距離為x;由于凹透鏡成像置固定，所以像距就是凹透鏡到分化板的距離v2;則凹透鏡成像時的物距為:－u2=－(v2－x);根據(jù)凹透鏡成像公式:

得像距v2與物體到分劃板的距離x之間的關(guān)系:

解此方程，得解v2為:

其中根據(jù)符號法則，對本次凹面鏡成像中的像距v2應(yīng)大于零，故表達式中只取正號。由此公式可以看出v2隨著x增大而增大。所以當物體與分劃板距離變大時，對應(yīng)的像距v2會變大，要想看到該物體必須使凹透鏡遠離分劃板。反之則應(yīng)將凹透鏡靠近分劃板。

綜上所述，物體距離望遠鏡越遠，在物鏡中所成的像到分劃板的距離越大，要想看到此物體，應(yīng)將調(diào)焦透鏡移向物鏡，需要逆時針調(diào)節(jié)調(diào)焦手輪。反之，如要看清近處的物體，應(yīng)順時針調(diào)節(jié)調(diào)焦手輪使調(diào)焦透鏡移向分劃板。

3 望遠鏡調(diào)節(jié)步驟

首先，目測粗調(diào)。使望遠鏡軸線處于水平狀態(tài)，并與鏡面中心等高，與鏡面垂直。沿著望遠鏡鏡筒外表面的瞄準系統(tǒng)觀察平面鏡時，能夠看到清晰的標尺像。

其次，調(diào)節(jié)目鏡直至清晰地觀察到分劃板上的分劃線。然后仔細觀察標尺前后環(huán)境物體以作調(diào)節(jié)參考。

再次，調(diào)節(jié)調(diào)焦手輪直至從望遠鏡中清晰地觀察到環(huán)境中的物體，然后根據(jù)物體與標尺位置的遠近，調(diào)節(jié)調(diào)焦手輪。如果物體比標尺遠則應(yīng)逆時針旋轉(zhuǎn)調(diào)焦手輪，反之，則應(yīng)順時針調(diào)節(jié)調(diào)焦手輪，直至在分劃板上看到清晰的標尺像。此時望遠鏡調(diào)焦工作完畢。然后根據(jù)成倒立實像的關(guān)系，對標尺進行上下左右調(diào)節(jié)，將其調(diào)到合適位置，即可進行實驗測量。

4 結(jié) 論

通過對尺讀望遠鏡結(jié)構(gòu)和成像原理的分析，掌握在觀察不同遠近物體時，如何改變調(diào)焦透鏡(凹透鏡)的位置，即如何轉(zhuǎn)動調(diào)焦手輪。使學生在做拉伸法測楊氏模量實驗時，對尺讀望遠鏡的調(diào)節(jié)具有明確的目標，做到有的放矢，避免盲目，加快調(diào)節(jié)速度，節(jié)省實驗時間，提高實驗效率，達到事半功倍的效果。

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