【免费下载】大学物理实验仿真实验实验报告

仿真实验

（单摆测重力加速度和单透镜焦距的测定）

引言

随着计算机应用的普及，在各个应用领域都采用计算机设计和仿真，在大

学物理实验课教学中，除了实际操作外还可以进行计算机仿真实验，对有些内

容采用仿真实验也可以起到很好的效果。

一、实验目的：

1、了解仿真实验特点

2、学会用仿真实验完成单摆测重力加速度

3、学会用仿真实验完成单透镜焦距的测定

二、实验仪器：

计算机、仿真软件

三、实验原理

1、单摆的工作原理

单摆在摆动过程中，当摆角小于5度时，其运动为简谐运动，周期

，通过测定摆长与可测定加速度。2224L

T g T

π

π=⇒=L T g 详细请见：课本240-243页

2、单透镜焦距测定的原理

凸透镜的成像规律为：像的大小和位置是依照物体离透镜的距离而决定的当时，极远处的物体经过透镜在后焦点附近成缩小的倒立实像。

u f >>当时，物体越靠近前焦点，像逐渐远离后焦点且逐渐变大。

u f >当时，物体位于前焦点，像存在于无穷远处。

u f =当时，物体位于前焦点以内，像为正立放大的虚像，与物体位于同侧，

u f <由于虚像点是光线反方向延长的交点，因此不能用像屏接收，只能通过透镜观

察。

（１）、自准直法测凸透镜的焦距

光路图如下图1所示。当物体A 处在凸透镜的焦距平面时，物A 上各点发

出的光束，经透镜后成为不同方向的平行光束。若用一与主光轴垂直的平面镜

M 将平行光反射回去，则反射光再经透镜后仍会聚焦于透镜的焦平面上，此关

系就称为自准直原理。所成像是一个与原物等大的倒立实像A′。所以自准直

法的特点是，物、像在同一焦平面上。自准直法除了用于测量透镜焦距外，还

是光学仪器调节中常用的重要方法。

x 1

x 2

图1自准直法光路图

凸透镜焦距： (1)

12f x x =-x 1为物屏在光具座上位置读数，x 2为凸透镜在光具座上位置读数。

（２）、贝塞尔法（共轭法，二次成像法）测凸透镜的焦距

利用凸透镜物像共轭对称成像的性质测量凸透镜焦距的方法，叫共轭法。

所谓“物像共轭”是指物与像的位置可以互换，透镜位置与像的大小一一对应。

固定物与像屏间的距离不变，并使间距D 大于4f ，则当凸透镜置于物体与

像屏之间时，移动凸透镜可以找到两个位置，使白屏上都能得到清晰的实像。

一个大像，一个小像。如图2。

透镜第一次位置

透镜第二次位置

透镜移动的距离为，物屏、像屏之间的距离为，运

23d x x =-14D x x =-用物像共轭的对称性质有：

（2）

22

4D d f D

-=只要测出和，即可求出。

d D f 以上两种方法，共轭法测出的焦距一般较为准确，它避免了物距像距法估

计光心位置不准带来的误差，它毋须考虑透镜本身的厚度。

（３）、物距像距法测凹透镜的焦距

凹透镜是发散透镜，无法成实像，因而无法直接测量其焦距，往往采用一

凸透镜作辅助透镜来测量。

测量方法：辅助透镜成像法

设物屏发出的光，经辅助凸透镜成实像于处，放入待测焦距的凹透

A 1L A '镜成实像于处，则和相对于来说分别是虚物和实像。分别测出

2L A ''A 'A ''2L 到和的距离和，根据(1)式，就可以算出焦距。如图3所示。

2L A 'A ''u v f

图3测量凹透镜焦距光路图

实物AB 经凸透镜L 1成像于A′B′。在L 1和A′B′之间插入待测凹透镜

L 2，就凹透镜L 2而言，虚物A’B′又成像于A″B″。实验中，调整L 2及像屏

至合适的位置，就可找到透镜组所成的实像A″B″。因此可把O 2A′看为凹透

镜的物距u ，O 2A″看为凹透镜的像距v ，则由成像公式可得

（虚物的物距为负）111

u v f

-+= （3）u v

f u v

⋅=

-

由于，求出的凹透镜L 2的焦距f 为负值。

u v <四、实验内容

1、单摆测重力加速度

① 用游标卡尺测量钢球直径6次；

② 选择不同摆长，测量10个全振动所需要的时间；

③ 计算重力加速度，并计算其平均值。

2、单透镜焦距的测定

① 自准直法测凸透镜的焦距；

② 贝塞尔法（共轭法，二次成像法）测凸透镜的焦距；

③ 物距像距法测凹透镜的焦距。

五、实验步骤

请留大约半面空白，在实验室完成（记录自己的实验过程）。

六、数据记录与处理

1、单摆测重力加速度

①用游标卡尺测钢球直径：

序号12

3

456

平均值

摆球直径(cm)

② 摆长与周期关系

摆线长(cm)l 50.00

60.00

70.00

80.00

90.00摆长(cm)L (S)10T (S)

T 22

4L

g T

π== （注意计算过程中的单位换算，结果保留3位有效数

g 2/m s 字）

2、单透镜焦距的测定

表一、自准直法测凸透镜焦距(单位:cm)

次数

物屏1

x 透镜2x 1

2x x f -=1