光路分析在楊氏模量實驗調節中的作用

陳 煜

(嶺南師范學院基礎教育學院，廣東 湛江 524037)

光路分析在楊氏模量實驗調節中的作用

陳 煜

(嶺南師范學院基礎教育學院，廣東 湛江 524037)

楊氏模量測量實驗中光路的調節是關鍵一步。為實現楊氏模量實驗中快速調節望遠鏡觀測清晰的標尺像，文章在光杠桿測定儀進行粗調的關鍵步驟給出圖示指引，形象直觀便于實驗者理解和操作。對初學者在望遠鏡調節中常遇到的兩個難題：望遠鏡的手輪該如何調節去尋找標尺的像和標尺像不在望遠鏡的視場內該如何調整。文章從系統成像的光路對這兩種情況進行分析，并給出望遠鏡的調節方法，避免盲目操作，初學者能夠自主快速完成望遠鏡的調節。

望遠鏡；光路分析；調節方法

楊氏模量實驗是普通物理實驗中的傳統力學實驗之一[1-4]，其目的是使學生掌握測量物體微小伸長量的方法。測量裝置由光杠桿和望遠鏡尺組組成，在這個測量裝置中光路的調節需要相當的技巧和光路知識，如何調節望遠鏡觀測到清晰尺子的像是關鍵一步。很多文獻[5-8]對楊氏模量實驗調整技巧作了探討，但對初學者常遇到的望遠鏡手輪如何調節和尺像不在望遠鏡的視場內該如何調整沒有作討論。本文從系統成像的光學線路圖對這兩種情況進行分析，給出望遠鏡的調節方法，并在粗調的一些關鍵步驟給出圖示指引，以利于初學者快速掌握調節，提高實驗效果。

實驗步驟如下：

1 粗調

(1) 調節光杠桿平面鏡與平臺鉛直。

(2) 把望遠鏡尺組調到平面鏡的正前方，調節望遠鏡的光軸水平調節螺絲使望遠鏡水平并調節望遠鏡高度使其與光杠桿平面鏡同水平高度,見圖1。

圖1 光杠桿示意圖

(3) 把望遠鏡調到離平面鏡的適當距離約為1.5m左右(本實驗的望遠鏡的最短視距2m)并移動望遠鏡支架使從望遠鏡的準星往平面鏡看過去可以看到刻度標尺和望遠鏡的像出現在平面鏡中央，見圖2。

圖3 望遠鏡成像光路圖

圖2 視場示意圖

2 望遠鏡的手輪調節

粗調完后開始調節望遠鏡手輪去尋找尺子的像，但往往很多初學者在找到清晰的平面鏡的像時不知道該順時針旋轉望遠鏡的手輪還是逆時針旋轉去找尺子的像，在這里花費了很多時間調節，其實根據望遠鏡成像的原理圖3可以知道，物體離望遠鏡越遠，在物鏡所成的像到分劃板的距離越大，要想看到此物體，應將調焦透鏡移向物體，需要逆時針調焦手輪，反之，要看清近處的物體應順時針調焦手輪使調焦透鏡移向分劃板。因此在指導初學者調節手輪的過程中可以巧借圖1中的A柱體或者B柱體，因為它們比平面鏡離物鏡的距離遠，而尺子通過平面鏡成的虛像在柱體后方，如果先看到清晰的柱體，繼續旋轉手輪時柱體變得模糊而可以看到清晰的平面鏡的像，此刻要逆時針調節手輪去尋找尺子的像，反之如果先看到清晰的平面鏡的像，繼續旋轉手輪時平面鏡變得模糊而可以看到清晰的柱體的像，那么要順時針調節手輪去尋找尺子的像。這樣實驗者有依據和目的去調節望遠鏡手輪，能快速完成調節。

3 望遠鏡的上下左右調節

在望遠鏡的調節過程中有時候怎么調節手輪都無法看到尺子的像，這可能是尺像不在望遠鏡的視場范圍內，常有圖4～圖7所示的4種情況。

圖4 望遠鏡調節偏左

圖5 望遠鏡調節偏右

圖6 望遠鏡調節偏上

圖7 望遠鏡調節偏下

對于圖4、圖5所示的情況，根據光反射原理，在實驗過程中可以指引初學者在一邊調節望遠鏡手輪的過程中一邊伸出手在尺子的左邊或者右邊觀察能否看到，如在圖4中伸出的左(右)手在尺子的左(右)邊被看到但看不到尺子的像，這說明望遠鏡的調節偏左(右)，這時可以把望遠鏡鏡筒沿順時(逆時)針轉動一定角度，或者移動望遠鏡支架向左(右)，使尺子的像出現在視場中即可觀察到尺子的像。

對于圖6、圖7所示的情況，在調節的時候看到的是天花板上的物體則說明望遠鏡調節偏上，如果看到的地板上的物體，則是望遠鏡的調節偏下。這兩種情況，實驗者只要調節望遠鏡光軸水平調節螺絲使望遠鏡水平，與平面鏡等高共軸然后按照望遠鏡手輪調節的方法很容易快速找到尺子的像。

4 結語

在上述3步的調節中本文給出了一些關鍵步驟的調節圖示指引，并引導實驗者從系統成像的原理對操作中出現的問題進行分析。這樣，初學者能快速領悟和掌握調節原理與技巧，高效完成實驗內容，進而實驗課質量得以有效提高。

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簡訊

清華大學物理系段文暉教授當選中國科學院院士

2017年11月28日，中國科學院公布了2017年中國科學院院士增選院士名單。根據《中國科學院院士章程》和《中國科學院院士增選工作實施細則》的規定，2017年中國科學院選舉產生了61名中國科學院院士和16名中國科學院外籍院士。清華大學物理系段文暉教授當選中國科學院院士。

段文暉，1967年1月生。清華大學物理系教授。1981—1992年在清華大學學習，先后于1986、1988與1992年獲得學士、碩士與博士學位。1992—1994年在鋼鐵研究總院做博士后。1994年至今在清華大學任教，期間于1996—1999年在美國明尼蘇達大學、2002—2003年在美國加州大學伯克利分校從事訪問研究。2003年獲國家杰出青年科學基金，2008年被聘為教育部“長江特聘教授”。長期致力于材料微觀結構與物性的計算設計研究；從原子、電子層次的理論計算出發，揭示凝聚態物質和材料的微觀結構和宏觀物性之間的內在聯系，開展材料性質及其物理機制的理論預測和計算設計。發表SCI收錄學術論文280余篇，曾獲得葉企孫物理獎(2013年)，兩次獲得國家自然科學二等獎(2000年、2014年)。

THESIGNIFICANCEOFOPTICALANALYSISINTHEADJUSTMENTOFYOUNG’SMODULUSEXPERIMENT

CHENYu

(College of Basic Education, Lingnan Normal University, Zhanjiang Guangdong 524037)

The adjustment of optical path in the experiment of Youngis Modulus is a key step. To aim at a clear imagination of the ruler on the adjustment of the telescope in the experiment of Young’s Modulus, this paper present a graphic guidance to the key step of the rough adjustment of the optical lever, which can assist manipulators in understanding and manipulation. This measure can help manipulator deal with two problems as follow. One is how to exactly adjust the wheel of the telescope at sake of seeking the imagination of the ruler. Another is what to do when the imagination of the ruler is not visible in the viewing field of the telescope. This article brings analysis of these two cases from the optical path of imaging system, and offers the adjustment method of the telescope to avoid the blind manipulation, which help the beginners to complete the adjustment of the telescope independently and quickly.

telescope; optical analysis; adjustment method

2016-12-26；

2017-01-20

陳煜，男，實驗員，主要從事物理實驗的教學和研究工作，93643594@qq.com。

陳煜. 光路分析在楊氏模量實驗調節中的作用[J]. 物理與工程，2017，27(6)：75-77.

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