光学原理与实验复习课件

光学原理与实验复习课件欢迎大家参加光学原理与实验的复习课程光学是物理学中研究光及其与物质相互作用的重要分支，对我们理解自然现象、发展科学技术具有重要意义本课件将系统地回顾光学的基本原理和实验方法，帮助大家巩固所学知识，为后续的学习和研究打下坚实基础我们将从光学基础知识入手，逐步深入探讨几何光学、波动光学的核心概念，并通过丰富的实验内容加深对理论的理解希望这份复习材料能够成为大家学习过程中的有力助手课程概述光学基础知识探讨光的本质、传播特性及光谱等基础概念，为后续学习奠定理论基础了解光的波粒二象性以及电磁波特性，认识光在不同媒质中的传播规律几何光学研究光的反射、折射等现象及应用，包括透镜成像规律和光学仪器原理通过几何作图和数学公式描述光路，理解光学系统的工作机制波动光学阐述光的干涉、衍射和偏振等波动现象，揭示光的波动本质深入研究光波的相干性、干涉条件以及衍射原理，理解光波传播的复杂机制光学实验通过系列实验验证光学理论，培养实验技能和科学探究能力学习实验设计、数据处理和误差分析方法，提升科学研究素养第一部分光学基础知识光学的研究对象光学发展历史光学主要研究光的产生、传播、从古希腊时期的简单光学观察，探测和应用，是物理学的重要分到牛顿的光的粒子说，再到杨氏支基础光学知识为理解自然界的波动说，光学理论经历了漫长中多种光学现象提供了理论框架，的发展过程现代量子光学则将也是发展现代光学技术的基础波动说和粒子说统一起来，形成了完整的理论体系学习方法学习光学需要结合理论与实验，注重概念理解和数学描述，培养实验技能和问题分析能力良好的空间想象力和抽象思维能力有助于理解复杂的光学现象光的本质电磁波波粒二象性光本质上是一种电磁波，是电场和磁场在空间的周期性变化和传光既表现出波动性，又具有粒子性，这种特性称为波粒二象性播它由振荡的电场和磁场组成，这两个场相互垂直，并且都垂在传播过程中，光表现为波；在与物质相互作用过程中，光又表直于传播方向现为粒子（光子）光的电磁波性质由麦克斯韦方程组描述，不同波长的光对应不同爱因斯坦的光电效应实验证明了光的粒子性，每个光子携带的能的电磁波可见光的波长范围约为380-780纳米，是电磁波谱中量与其频率成正比E=hν，其中h为普朗克常数，ν为光的频率的一小部分光的波粒二象性是量子力学的重要基础光的传播直线传播1在均匀介质中，光沿直线传播这一特性使我们能够看到物体的形状和位置光的直线传播原理是几何光学的基础，也是光学成像的前提条件光的直线传播可以通过小孔成像、影子形成等现象得到验证在精确计算中，我们通常使用光线概念，即假设光沿着无限细的直线传播光速2光在真空中的传播速度约为299,792,458米/秒，通常简化为3×10^8米/秒这是宇宙中已知的最大速度，也是爱因斯坦相对论的重要常数光在不同介质中的传播速度不同，与介质的折射率有关介质的折射率n等于真空中光速c与介质中光速v的比值n=c/v因此，折射率越大，光在该介质中传播的速度越慢光谱380550紫光波长绿光波长可见光谱的短波长端，以纳米为单位人眼最敏感的波长，以纳米为单位780红光波长可见光谱的长波长端，以纳米为单位光谱是按波长（或频率）排列的电磁辐射可见光仅占电磁波谱的一小部分，波长范围约为380-780纳米从短波长到长波长，可见光呈现出紫、蓝、绿、黄、橙、红等颜色紫外线的波长短于可见光，通常在10-380纳米之间，具有较高的能量，可以引起某些物质发光，也会对生物组织造成伤害红外线的波长长于可见光，通常在780纳米至1毫米之间，主要表现为热辐射，被广泛应用于热成像、通信等领域第二部分几何光学反射折射透镜研究光线在界面上改变传播探讨光线穿过不同介质界面研究各种透镜的成像规律，方向返回原介质的现象，包时发生方向改变的规律，以建立物距、像距和焦距之间括平面镜和球面镜的反射规及全反射等特殊现象的数学关系，分析像的特性律及成像特性仪器了解显微镜、望远镜等光学仪器的工作原理，学习其结构特点和使用方法几何光学是光学的基础分支，主要研究光的反射、折射等现象及其应用它以光线为研究对象，通过几何方法描述光的传播路径和成像规律，为设计光学系统和理解光学仪器提供理论基础光的反射1反射定律2漫反射与镜面反射3平面镜成像反射定律指出1入射光线、反射镜面反射发生在光滑表面，遵循反射平面镜成像的特点1像是虚像；2光线和法线在同一平面内；2反射定律，产生清晰的像；漫反射发生在像与物等大；3像与物到镜面的距角等于入射角这一定律适用于所有粗糙表面，入射光向各个方向反射，离相等；4像与物关于镜面对称波长的光和各种反射表面，是几何光使我们能看到非发光体日常生活中平面镜成像是理解其他光学成像系统学的基本定律之一大多数物体可见是因为漫反射的基础光的折射折射定律1光从一种介质斜射入另一种介质时，传播方向发生改变，这种现象称为折射折射定律（斯涅尔定律）指出入射光线、折射光线和法线在同一平面内；入射角正弦与折射角正弦之比等于两种介质折射率之比折射率2折射率是描述光在介质中传播速度的物理量，定义为真空中光速与介质中光速之比不同介质的折射率不同，光从折射率小的介质进入折射率大的介质时，折射光线向法线方向偏折全反射当光从折射率大的介质射向折射率小的介质，且入射角大于临界角时，3光线不再发生折射而是全部反射回原介质，这种现象称为全反射临界角与两种介质的折射率有关sinθc=n₂/n₁（n₁n₂）棱镜棱镜结构光的色散棱镜是由两个非平行平面围成的透明光学白光通过棱镜时，不同波长的光发生不同1元件，常见的有三棱镜、五棱镜等不同程度的折射，导致白光分解为彩色光谱，2形状的棱镜具有不同的光学特性和应用这种现象称为色散色散的本质是介质折射率对波长的依赖性棱镜的应用最小偏向角棱镜广泛应用于光谱仪、双筒望远镜、潜4光线通过棱镜时的偏转角度与入射角有关望镜等光学仪器中，用于改变光路、分光当光线对称地通过棱镜时，偏向角达到最3或组合光束棱镜分光系统是研究物质光小值，这个角度称为最小偏向角，用于精谱特性的重要工具确测量介质的折射率透镜凸透镜凹透镜薄透镜凸透镜中间厚、边缘薄，对通过的光线有会凹透镜中间薄、边缘厚，对通过的光线有发当透镜厚度远小于焦距时，可简化为薄透镜聚作用光线通过凸透镜时，平行于主光轴散作用平行于主光轴的光线经凹透镜折射模型在薄透镜近似下，透镜的光学特性主的光线经折射后通过焦点；通过光心的光线后沿着与焦点连线的方向发散；通过光心的要由焦距决定，这极大简化了光学计算薄不发生偏折；通过焦点的光线经折射后平行光线不发生偏折；向凹透镜焦点方向射入的透镜公式是几何光学中的重要工具，用于计于主光轴光线经折射后平行于主光轴算成像位置和放大率透镜成像规律物距厘米像距厘米透镜成像规律是描述物体通过透镜形成像的数学关系最重要的是物距、像距和焦距之间的关系，由高斯公式表达1/u+1/v=1/f，其中u为物距，v为像距，f为焦距成像公式不仅适用于凸透镜，也适用于凹透镜，只是对于凹透镜，焦距为负值当物距小于焦距时，形成正立放大的虚像；当物距大于焦距时，形成倒立的实像透镜的线性放大率定义为像高与物高之比m=h/h=-v/u，负号表示实像是倒立的光学仪器照相机照相机是基于凸透镜成像原理的光学仪器主要由物镜（凸透镜）、光圈、快门和感光元件（底片或数字传感器）组成物镜的焦距决定了视场角，光圈控制进光量和景深，快门控制曝光时间现代数码相机使用CCD或CMOS传感器代替传统底片，但基本光学原理保持不变相机镜头往往由多个透镜组成，以校正各种光学像差放大镜放大镜是最简单的光学仪器，由单个凸透镜构成当物体位于凸透镜焦距以内时，形成正立放大的虚像，使观察者能够看到物体的放大图像放大镜的放大倍数与焦距有关，计算公式为M=25/f（厘米），其中25厘米是正常视力的近点距离焦距越短，放大倍数越大，但视场也越小放大镜广泛应用于精细工作和物体细节观察光学仪器（续）显微镜望远镜显微镜是用于观察微小物体的光学仪器，主要由物镜和目镜两个望远镜用于观察远距离物体，主要有折射式和反射式两种折射凸透镜系统组成物镜位于被观察物体附近，形成物体的放大实式望远镜由物镜（凸透镜）和目镜组成，物镜收集并汇聚来自远像；目镜位于观察者眼睛附近，将物镜形成的实像进一步放大，处物体的光线形成实像，目镜将这个实像放大供观察形成虚像供观察反射式望远镜使用凹面镜作为物镜收集光线，避免了色差问题，显微镜的总放大倍数等于物镜放大倍数与目镜放大倍数的乘积适合制作大口径望远镜望远镜的放大倍数等于物镜焦距与目镜现代显微镜还配备复杂的照明系统、机械平台和多种物镜，以适焦距之比望远镜的性能主要由口径（影响集光能力和分辨率）应不同观察需求显微镜的分辨率受衍射限制，与使用光的波长和焦距决定天文望远镜通常配有赤道仪以跟踪天体运动和物镜数值孔径有关人眼虹膜与瞳孔晶状体虹膜是眼睛中有色的部分，中央的开口晶状体是双凸透镜结构，通过睫状肌控为瞳孔瞳孔大小可根据光线强度调整，制可改变曲率，调节焦距实现对不同距类似相机的光圈，控制进入眼内的光量离物体的清晰成像，这一过程称为调节视网膜角膜强光下瞳孔缩小，弱光下瞳孔扩大作用随年龄增长，晶状体弹性减弱，视网膜位于眼球后部，由感光细胞（视调节能力下降角膜是眼球最外层的透明组织，具有保杆细胞和视锥细胞）组成，负责将光信护眼球和折射光线的作用角膜的折射号转换为神经信号视杆细胞主要负责能力约占眼睛总折射能力的2/3，是眼暗视觉，视锥细胞负责色彩视觉和高分睛最重要的折射结构辨率视觉2314人眼是一个精密的光学系统，通过角膜和晶状体等折射结构将光聚焦在视网膜上，形成倒立的实像视网膜上的感光细胞将光信号转换为神经信号，经视神经传递至大脑视觉中枢，形成视觉感知视觉缺陷及矫正近视（近视眼）是最常见的视力缺陷，患者能看清近处物体但看不清远处物体近视眼的眼轴过长或角膜曲率过大，使平行光线聚焦在视网膜前方矫正方法是使用凹透镜（负透镜），使光线发散后再进入眼睛，从而将焦点后移至视网膜上远视（远视眼）与近视相反，患者看远处较清晰但看近处模糊远视眼的眼轴过短或角膜曲率过小，平行光线聚焦在视网膜后方矫正方法是使用凸透镜（正透镜），增加光线会聚度，使焦点前移至视网膜上老花眼是由于年龄增长晶状体弹性减弱导致的调节能力下降，需要凸透镜矫正第三部分波动光学光的干涉研究相干光波叠加产生的强度分布规律，验证光的波动性干涉现象是波动光学的核心内容，通过干涉条纹的分析可以精确测量波长和光程差光的衍射探讨光波绕过障碍物或通过小孔、狭缝时的传播特性衍射现象是波动的普遍特性，证明了光的波动本质，也解释了光学仪器分辨率的极限光的偏振研究光波振动方向的特性及应用偏振现象表明光是横波，即振动方向垂直于传播方向，这一特性在显示技术、光通信等领域有重要应用波动理论应用利用波动光学原理解释和分析复杂光学现象，发展先进光学技术波动光学为设计高精度光学仪器、光学元件和光学系统提供了理论基础光的干涉1干涉现象2干涉条件光的干涉是指两束或多束相干产生稳定干涉图样的必要条件光波叠加时，在空间形成稳定是光源相干，即光波的频率相的强度分布图样干涉条纹中，同（单色性）、振动方向相同亮条纹处光强增强（相长干（同偏振）且相位差恒定实涉），暗条纹处光强减弱（相际中，完全相干的光源很难获消干涉）光的干涉现象直接得，通常通过分波方法（如分证明了光的波动性振幅或分波前）从同一光源获取相干光束3干涉公式两束相干光叠加的光强分布可用公式表示I=I₁+I₂+2√I₁·I₂·cosδ，其中δ为相位差当δ=2mπ（m为整数）时，相长干涉形成亮条纹；当δ=2m+1π时，相消干涉形成暗条纹光程差与相位差的关系为Δ=λ·δ/2π杨氏双缝干涉实验实验装置干涉条纹光强分布杨氏双缝干涉实验是托马斯·杨于1801年设在观察屏上可以看到明暗相间的干涉条纹干涉条纹的光强分布呈现正弦平方函数形式计的经典实验，用于证明光的波动性实验相邻亮条纹之间的距离表示为Δx=λL/d，I=4I₀·cos²πdsinθ/λ，其中I₀为单个装置包括单色光源、单缝屏（S₀）、双缝其中λ为光的波长，L为双缝到观察屏的距缝的光强从中心亮条纹向两侧，条纹间距屏（S₁和S₂）和观察屏单缝的作用是离，d为双缝间距亮条纹位置满足基本相等，但由于衍射效应的影响，条纹强产生相干光源，双缝分别作为两个次级光源，d·sinθ=mλ（m=0,±1,±2,...），暗条度逐渐减弱通过测量条纹间距，可以精确在观察屏上形成干涉条纹纹位置满足d·sinθ=m+1/2λ测定光的波长薄膜干涉肥皂泡牛顿环肥皂泡表面呈现彩色条纹是薄膜干涉的典型例子光线在肥皂泡牛顿环是光在平凸透镜与平板玻璃间的空气薄层中发生干涉形成膜的前后表面发生反射，两束反射光产生干涉由于膜厚度的变的同心环状条纹从中心向外，空气层厚度逐渐增加，导致反射化和入射角的不同，不同波长的光在不同位置发生相长干涉，形光在不同位置的相位差不同，形成明暗相间的同心环成彩色图案在反射光中观察到的牛顿环，中心为暗斑（因反射波相位差为π，肥皂泡顶部通常看起来较黑，这是因为膜在顶部最薄，厚度远小相消干涉）；在透射光中观察到的牛顿环，中心为亮斑（相长干于可见光波长，几乎所有波长的光都因反射波相位差接近π而发生涉）相邻环之间的半径关系可表示为r²=m-1/2λR（反ₘ相消干涉随着重力作用，肥皂泡下部膜较厚，形成彩色干涉条射）或r²=mλR（透射），其中R为透镜曲率半径，用于精确ₘ纹测量波长或曲率半径光的衍射衍射现象单缝衍射光的衍射是指光波绕过障碍物边缘或通过小孔、窄缝时偏离直线传播路径的现单缝衍射是最基本的衍射现象当平行光通过宽度为a的窄缝时，在远处屏幕上象衍射是波动的普遍特性，不仅光波，声波、水波等都表现出衍射现象衍形成明暗相间的衍射图样中央为明亮的主极大，两侧是强度逐渐减弱的次极射解释了为什么光能够拐弯，进入几何光学中的阴影区大，暗条纹位置满足公式a·sinθ=mλ（m=±1,±2,...）123惠更斯-菲涅耳原理衍射现象可以用惠更斯-菲涅耳原理解释波阵面上的每一点都可以看作次级球面波源，在空间某点的波动是所有次级波源发出的波的相干叠加这一原理是理解和分析衍射现象的理论基础光栅光栅应用1分光仪、光谱分析、波长测量光栅方程2d·sinθ=mλm=0,±1,±

2...光栅光谱3零级谱、一级谱、二级谱...光栅结构4等间距平行狭缝或刻线光栅是由大量等间距平行狭缝或刻线组成的光学元件，是研究光的衍射和干涉的重要工具光栅可分为透射光栅和反射光栅两种当平行光束通过透射光栅时，每个缝都成为次级光源，这些次级光源发出的光波在特定方向上相长干涉，形成明亮的主极大，这些方向由光栅方程确定光栅的分光能力远优于棱镜，能够将不同波长的光分离得更为彻底光栅的分辨本领与光栅总缝数N成正比，表示为R=λ/Δλ=mN，其中m为谱线级次光栅广泛应用于光谱分析、波长测量等领域，是现代光学仪器中的关键元件光的偏振偏振概念偏振类型偏振片光的偏振是指光波振动方向呈现一定规律性的现偏振光可分为线偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光偏振片是制造和分析偏振光的主要工具，它只允象自然光中，电场振动方向随机分布在垂直于线偏振光的电场振动仅限于一个方向；圆偏振光许特定振动方向的光通过当自然光通过偏振片传播方向的平面内当电场振动被限制在特定方的电场矢量端点在垂直于传播方向的平面内沿圆时，强度减为一半，转变为线偏振光两个偏振向或呈现一定规律时，光波就发生了偏振偏振周运动；椭圆偏振光的电场矢量端点沿椭圆轨迹片叠加时，透射光强度与两偏振片的偏振方向夹现象证明光是横波，振动方向垂直于传播方向运动不同类型的偏振光在光学系统中有不同的角θ有关，遵循马吕斯定律I=I₀cos²θ，当传播特性两偏振片的偏振方向垂直时，光不能透过第四部分光学实验实验设备实验方法数据分析光学实验需要各种专业设备，光学实验方法包括直接观察法、实验数据的处理和分析是实验如光学平台、光源、透镜、棱测角法、干涉测量法等不同的重要环节，包括误差分析、镜、分光计等了解这些设备的实验目的需要采用不同的实图像处理、数据拟合等通过的性能特点和操作方法是进行验方法和数据处理技术科学统计方法评估实验精度，通过实验的前提现代光学实验还的实验设计和严谨的操作是获理论模型解释实验结果，形成常用激光器、光电探测器等精得准确结果的关键完整的实验报告密仪器安全注意光学实验中需注意激光安全、电气安全和玻璃器材使用安全激光可能对眼睛造成伤害，应避免直视光源；精密光学元件需小心操作，避免划伤或污染光学表面实验一光的直线传播实验目的实验原理实验器材验证光在均匀介质中沿直线传播的特性，光在均匀透明介质中沿直线传播当光本实验需要以下器材点光源（可使用理解光的直线传播是几何光学的基础源发出的光线被不透明物体阻挡时，会带小孔的灯箱）、直尺、不透明屏幕通过观察光线的路径和影子的形成，加形成几何阴影通过观察小孔成像和针（带有细缝或小孔）、白色观察屏、米深对光传播规律的认识，掌握光路描绘孔照相原理，可直接验证光的直线传播尺、激光笔（注意避免激光直射眼睛）、的基本方法特性支架等实验一光的直线传播（续）准备工作在暗室或光线较暗的环境中进行实验，将点光源、狭缝屏和观察屏安装在同一直线上调整好各部件的高度，确保光线能够通过狭缝照射到观察屏上实验步骤首先，打开点光源，调整狭缝屏位置，使光线通过狭缝形成明显的光带改变观察屏的位置，记录在不同距离处观察到的光带宽度和亮度变化然后，在光路中放入不透明物体，观察形成的阴影，验证几何阴影的形成原理数据记录记录狭缝宽度、狭缝到光源的距离、观察屏到狭缝的距离以及观察屏上光带的宽度对不同配置下获得的数据进行比较分析，验证光直线传播规律注意事项实验过程中避免眼睛直视强光源，特别是激光光源保持实验环境足够暗，以便清晰观察光路和光斑确保光学元件表面清洁，避免灰尘影响观察效果实验后正确收纳器材，关闭电源实验二平面镜成像实验目的实验原理研究平面镜成像的规律，验证像与物到镜光线从物体出发，经平面镜反射后，反射面距离相等且像与物关于镜面对称的特性光线的延长线与入射光线的延长线相交于1通过实验掌握平面镜成像的基本原理，培镜后，形成虚像根据反射定律和几何作2养光路分析和光路作图的能力图可知，像与物到镜面的距离相等，像与物关于镜面对称预期结果实验器材通过实验测量，应验证像距等于物距，且平面镜、光学台、白纸、直尺、铅笔、大4像与物关于镜面对称无论物体位置如何头针、图钉、指针（或其他小物体）、支3变化，这一规律始终成立测量结果的误架等平面镜质量要好，表面平整无划痕，差应在合理范围内，反映实验精度可使用光学平板镜进行精确实验实验二平面镜成像（续）实验步骤一在白纸上画一条直线，将平面镜竖直放置在直线上在直线一侧放置物体（如大头针），从镜子另一侧观察物体的像改变观察位置，注意像的位置是否变化实验步骤二固定观察位置，用另一支大头针在镜后标记像的位置（视觉定位法）重复多次测量，取平均值以减小误差通过测量物体和像到镜面的垂直距离，验证像距等于物距实验步骤三改变物体到镜面的距离，重复上述测量过程记录不同物距下的像距数据，绘制物距-像距关系图，分析两者之间的关系是否符合理论预期实验步骤四在白纸上标记物体的位置，移开物体后，根据平面镜成像原理，通过作图方法确定像的位置然后放回物体，用视觉定位法验证实际像的位置与作图结果是否一致实验三折射定律验证实验目的实验原理实验器材验证光的折射定律（斯涅尔定律），即当光从一种介质斜射入另一种介质时，传播半圆形透明介质块（如玻璃、有机玻璃等）、n₁sinθ₁=n₂sinθ₂通过测量不同入方向发生改变，这种现象称为折射折射定光具座、激光器或准直光源、旋转支架、角射角下的折射角，确定介质的折射率，理解律表明入射角正弦与折射角正弦之比等于两度测量装置（如分度盘）、白纸、铅笔、直光在不同介质界面上的传播特性种介质折射率之比通过测量不同入射角对尺等半圆形设计使光线从圆心入射到平面应的折射角，可以验证这一定律并计算介质时，在圆弧面上不发生偏折，便于准确测量的相对折射率折射角实验三折射定律验证（续）入射角°折射角°实验步骤首先包括将半圆形透明介质块放在白纸上，沿平面边界画一条直线，并标注圆心位置从圆心向半圆形介质块的平面作一条垂直线，作为法线，并标记角度为0°的位置然后从圆心开始，每隔10°或15°画一条射线，作为入射光线实验时，将激光器或光源对准圆心，沿着预先画好的射线方向射入介质观察并记录折射光线与法线的夹角（折射角）对不同入射角重复测量过程，获得一组入射角和折射角的数据数据分析中，计算各组数据的sinθ₁/sinθ₂值，验证其是否为常数若为常数，则说明折射定律成立，该常数即为相对折射率实验四全反射临界角测量实验目的1测定光从折射率较大的介质射向折射率较小的介质时的全反射临界角，并根据临界角计算介质的相对折射率理解全反射现象的物理机制及其应用条件，加深对折射定律的理解实验原理当光从折射率较大的介质（n₁）射向折射率较小的介质（n₂）时，如果入射角增大到某一2值，折射角将达到90°，此时对应的入射角称为临界角θc继续增大入射角，光线不再发生折射而是全部反射回原介质，即发生全反射根据折射定律，临界角与两种介质的折射率关系为sinθc=n₂/n₁实验器材半圆形透明介质块（如玻璃、有机玻璃等）、光具座、激光器或准直3光源、旋转支架、角度测量装置（如分度盘）、白纸、铅笔、直尺等实验设置与折射定律验证实验类似，但关注点在于观察全反射现象发生的临界条件实验四全反射临界角测量（续）实验步骤首先将半圆形介质块放在纸上，标记圆心位置和法线方向激光从圆弧面入射，经圆心后从平面边界射出缓慢增大入射角，观察折射光线的变化当折射光线恰好沿平面边界传播（折射角为90°）时，记录下对应的入射角，即为临界角θc为提高测量精度，可采用多次测量取平均值的方法，或使用更精确的角度测量装置根据测得的临界角，利用公式n=1/sinθc计算介质的折射率（假设另一介质为空气，n₂≈1）还可以测量不同颜色激光的临界角，研究折射率与波长的关系，验证色散现象结果分析中应讨论可能的误差来源，如角度测量误差、介质表面不平整等，并分析其对最终结果的影响实验五凸透镜成像规律实验目的实验原理研究凸透镜的成像规律，验证物距、像距和焦距之间的关系（高凸透镜的成像满足高斯公式1/u+1/v=1/f，其中u为物距，v为斯公式）观察物体在不同位置时像的大小、性质（实像或虚像）像距，f为焦距当物体位于二倍焦距以外时，形成缩小的倒立实和位置变化，加深对凸透镜成像原理的理解像；位于一倍焦距到二倍焦距之间时，形成放大的倒立实像；位于焦点以内时，形成正立放大的虚像通过实验掌握光学测量和光路分析方法，培养实验操作技能和数据处理能力验证放大率公式m=-v/u（像高与物高之比等于像实验中通过改变物体位置，测量像的位置和大小，验证上述理论距与物距之比的负值）的正确性关系透镜成像规律是光学仪器设计的基础，对理解照相机、显微镜、望远镜等光学仪器的工作原理至关重要。