【凸透镜成像实验原理及步骤】在光学实验中，凸透镜成像实验是一项基础且重要的内容。通过该实验，可以直观地理解光的折射规律以及凸透镜对光线的汇聚作用。本实验主要研究物体通过凸透镜所形成的像的性质，包括像的大小、正倒、虚实等特征，并验证凸透镜成像的规律。
一、实验原理
凸透镜是一种中间厚、边缘薄的透明介质，对光线具有会聚作用。当平行光射向凸透镜时，光线会在另一侧会聚于一点，称为焦点。根据物体与凸透镜之间的距离不同，凸透镜可以形成不同的像：
- 当物距大于2倍焦距（u > 2f）：成倒立、缩小的实像；
- 当物距等于2倍焦距（u = 2f）：成倒立、等大的实像；
- 当物距介于1倍焦距和2倍焦距之间（f < u < 2f）：成倒立、放大的实像；
- 当物距小于1倍焦距（u < f）：成正立、放大的虚像。
这些成像规律可通过“物像公式”和“放大率公式”进行定量分析：
- 物像公式：
$$
\frac{1}{f} = \frac{1}{u} + \frac{1}{v}
$$
其中，$ f $ 为焦距，$ u $ 为物距，$ v $ 为像距。
- 放大率公式：
$$
m = \frac{v}{u}
$$
表示像的大小相对于物体的放大倍数。
二、实验步骤
| 步骤 | 操作说明 |
| 1 | 准备实验器材：凸透镜、光屏、蜡烛（光源）、刻度尺、光具座等。 |
| 2 | 将凸透镜固定在光具座上，调整高度使透镜中心与蜡烛火焰在同一水平线上。 |
| 3 | 将蜡烛放在透镜的一侧，调节其位置，使光线能通过透镜。 |
| 4 | 在透镜另一侧放置光屏，调整光屏的位置，直到屏幕上出现清晰的像。 |
| 5 | 记录此时的物距 $ u $ 和像距 $ v $，并观察像的大小、正倒和虚实。 |
| 6 | 改变物距，重复上述步骤，记录不同情况下的像的性质。 |
| 7 | 根据记录的数据，计算放大率，并验证物像公式是否成立。 |
三、实验结论
通过本实验，可以得出以下结论：
- 凸透镜成像的性质取决于物距与焦距的关系；
- 实像总是倒立的，而虚像则是正立的；
- 当物距大于焦距时，可形成实像；当物距小于焦距时，只能形成虚像；
- 实验数据应与理论公式相符，从而验证了凸透镜成像的基本规律。
四、注意事项
- 实验过程中应保持环境光线较暗，以便更清晰地观察像；
- 调整光屏位置时要缓慢移动，以确保图像清晰；
- 使用蜡烛作为光源时要注意防火安全；
- 实验结束后应整理器材，避免损坏光学元件。
通过本次实验，不仅加深了对凸透镜成像规律的理解，也提高了动手操作能力和科学探究能力。
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