光学实验理论课.pptx

光学实验光学实验 关于本学期光学实验关于本学期光学实验 一、实验内容一、实验内容 *实验一实验一 薄透镜焦距的测定薄透镜焦距的测定*实验三实验三 1、分光计的调节及棱镜角的、分光计的调节及棱镜角的测定；测定；2、分光计测棱镜折射率、分光计测棱镜折射率*实验五实验五 显微镜；显微镜；实验六实验六 单色仪的定标；单色仪的定标；实验七实验七 用双棱镜干涉测光波波长用双棱镜干涉测光波波长*实验八实验八 牛顿环测平凸透镜的曲率半径牛顿环测平凸透镜的曲率半径 *实验九实验九 用透射光栅测光波波长用透射光栅测光波波长*实验十四实验十四 1、迈克尔逊干涉的调节及、迈克尔逊干涉的调节及测氦氖激光波长；测氦氖激光波长；2、迈克耳逊干涉仪测、迈克耳逊干涉仪测钠双线的波长差钠双线的波长差 二、实验安排和实验进度二、实验安排和实验进度轮轮次次周周实验内容实验内容仪器仪器套数套数小组数（以每小组数（以每轮的第一周为轮的第一周为例。供参考）例。供参考）12、3、4薄透镜焦距的测定薄透镜焦距的测定1512分光计的调节及棱镜角的测定分光计的调节及棱镜角的测定1512显微镜显微镜151127、8、9分光计测棱镜折射率分光计测棱镜折射率1512迈克耳逊干涉仪的调节及测激光波长迈克耳逊干涉仪的调节及测激光波长1512牛顿环测平凸透镜的曲率半径牛顿环测平凸透镜的曲率半径1511310、11、12透射光栅测光波波长透射光栅测光波波长1512迈克耳逊干涉仪测钠双线的波长差迈克耳逊干涉仪测钠双线的波长差1512二选一二选一（尽量选单色（尽量选单色仪的定标）仪的定标）单色仪的定标单色仪的定标66双棱镜干涉测光波波长双棱镜干涉测光波波长125 本周三将分组名单发给我。本周三将分组名单发给我。绪论绪论 光学实验基础知识光学实验基础知识一一、常用光学仪器、常用光学仪器 1、光具座、光具座（1）调节要求：）调节要求：各光学元件共轴且等高；各光学元件共轴且等高；光束满足傍轴条件（光束傍轴、物象傍轴）。光束满足傍轴条件（光束傍轴、物象傍轴）。共轴与等高共轴与等高 共轴：各元件主光轴共线：共轴：各元件主光轴共线：等高：共轴的主光轴与导轨平行：等高：共轴的主光轴与导轨平行：（2）调节：粗调；细调。）调节：粗调；细调。粗调：将导轨上所有元件靠拢，靠目测调粗调：将导轨上所有元件靠拢，靠目测调节，令其初步共轴和等高。节，令其初步共轴和等高。细调：细调：目标目标:在物象屏距离大于四倍焦距时，在物象屏距离大于四倍焦距时，移动透镜所得的两次成像（大像和小像）移动透镜所得的两次成像（大像和小像）中心应重合。中心应重合。调节：调节：透镜在透镜在 1位时成大像。若大像偏离中位时成大像。若大像偏离中心时，调节物位置或透镜位置（高低、心时，调节物位置或透镜位置（高低、左右），使大像位于像屏中心；左右），使大像位于像屏中心；1调节：调节：再把透镜移到再把透镜移到 2位，此时成小像。若位，此时成小像。若小像偏离像屏中心，可调节像屏，使小小像偏离像屏中心，可调节像屏，使小像位于像屏中心。像位于像屏中心。12 以上两步反复调节，即可实现共轴与以上两步反复调节，即可实现共轴与等高。等高。12 2、测微目镜、测微目镜 作用：装在各种显微镜、望远镜上，测作用：装在各种显微镜、望远镜上，测量经物镜所成的中间像（实像）的大小。量经物镜所成的中间像（实像）的大小。显微镜成像原理图：显微镜成像原理图：中间像测微目镜原理图（详图见测微目镜原理图（详图见 P7图图 0-2-2）接物镜接物镜可上下移动可上下移动目镜组带十字叉丝的分度板手动鼓轮可左右移动可左右移动带刻度的固定分划板 视场中看到的清晰的分划板上的视场中看到的清晰的分划板上的毫米刻度与分度板上的十字叉丝：毫米刻度与分度板上的十字叉丝：调节步骤：调节步骤：上下调节目镜，清晰地见到毫米刻度上下调节目镜，清晰地见到毫米刻度和十字叉丝；和十字叉丝；调节物镜与待测像的距离，使之清晰调节物镜与待测像的距离，使之清晰地成像在分度板上（像与十字叉丝无地成像在分度板上（像与十字叉丝无视视差差）转动目镜镜筒，使得毫米刻度的标尺方转动目镜镜筒，使得毫米刻度的标尺方向与待测长度方向平行，以便测量；向与待测长度方向平行，以便测量；鼓轮周边刻度鼓轮周边刻度100格，每转一圈能使分格，每转一圈能使分划板移动划板移动1mm。已知鼓轮转动格数即可知。已知鼓轮转动格数即可知分划板移动长度（估算到分划板移动长度（估算到10分之分之1格）格）注意事项：注意事项：测量时应始终保持鼓轮朝同一方向转测量时应始终保持鼓轮朝同一方向转动，避免中途改变鼓轮的转动方向，以动，避免中途改变鼓轮的转动方向，以免造成螺距误差（详见免造成螺距误差（详见 P7）。）。3、分光计、分光计 分光计是一种可精密测量角度的光学仪分光计是一种可精密测量角度的光学仪器。几何光学中，主要用于测量：棱镜顶器。几何光学中，主要用于测量：棱镜顶角、光束的偏向角等。在波动光学中，主角、光束的偏向角等。在波动光学中，主要用于观察和测量：光谱、光谱线的波长要用于观察和测量：光谱、光谱线的波长等。等。分光计的结构分光计的结构 详见详见 P9图图 0-2-5。实物图及原理图：。实物图及原理图：中心轴中心轴调节：调节：目的：通过调节，使得三个平面：读目的：通过调节，使得三个平面：读值平面、待测平面与光束平面平行，此值平面、待测平面与光束平面平行，此时三个平面已与分光计中心轴垂直。时三个平面已与分光计中心轴垂直。读值平面：读值平面就是刻度盘和游标读值平面：读值平面就是刻度盘和游标内盘旋转形成的平面，固定且与分光计中内盘旋转形成的平面，固定且与分光计中心轴垂直。心轴垂直。读值平面 观察平面：准直管与转动的望远镜形观察平面：准直管与转动的望远镜形成的平面，要求望远镜成的平面，要求望远镜与中心轴垂直。与中心轴垂直。光束平面：入射光、反射光、折射光光束平面：入射光、反射光、折射光都必须在同一平面内。都必须在同一平面内。粗调：粗调：调节分粗调和细调两步。调节分粗调和细调两步。调节望远镜目镜，使能看清十字叉丝。调节望远镜目镜，使能看清十字叉丝。用望远镜观察远处物体，并调节物镜使用望远镜观察远处物体，并调节物镜使远处物体和十字叉丝都清晰。此时望远远处物体和十字叉丝都清晰。此时望远镜已能粗略观察平行光。镜已能粗略观察平行光。通过目测，调节望远镜轴和载物平台，通过目测，调节望远镜轴和载物平台，使之尽量与中心轴垂直。此步骤要求尽使之尽量与中心轴垂直。此步骤要求尽量细致准确。量细致准确。细调：细调：应用自准直原理调节望远镜适合观察平应用自准直原理调节望远镜适合观察平行光：行光：将平面反射镜置于载物平台上，详见将平面反射镜置于载物平台上，详见 P12图图0-2-9a。如此放置只需调节一颗螺。如此放置只需调节一颗螺丝即可（如图中的丝即可（如图中的 或或 ）点亮点亮“小十字叉丝小十字叉丝”照明灯。照明灯。将望远镜垂直对准反射镜面，直到看到将望远镜垂直对准反射镜面，直到看到绿色的绿色的“小十字叉丝小十字叉丝”反射像，调节物镜，反射像，调节物镜，使得该反射像与测量用十字叉丝间无视差。使得该反射像与测量用十字叉丝间无视差。此时望远镜已适合观察平行光，不得再此时望远镜已适合观察平行光，不得再改变其调焦状态。改变其调焦状态。用逐步逼近法（二分之一调节法）进行用逐步逼近法（二分之一调节法）进行调节，使得望远镜光轴与中心轴垂直。调节，使得望远镜光轴与中心轴垂直。目的：最终要使经反射镜两个反射面反目的：最终要使经反射镜两个反射面反射进入望远镜的绿色射进入望远镜的绿色“小十字叉丝小十字叉丝”反射反射像都与调整用十字叉丝重合。像都与调整用十字叉丝重合。方法：当两者不重合时，分别调节载物方法：当两者不重合时，分别调节载物平台螺丝及望远镜倾斜调整螺丝，各使两平台螺丝及望远镜倾斜调整螺丝，各使两者之间距离减小原距离的一半。者之间距离减小原距离的一半。对反射镜的两个反射面所成的绿色叉丝对反射镜的两个反射面所成的绿色叉丝像反复用此法进行调节，直至使其与调整像反复用此法进行调节，直至使其与调整用十字叉丝完全重合。用十字叉丝完全重合。调节准直管使之产生平行光，并使其光调节准直管使之产生平行光，并使其光轴与望远镜光轴重合：轴与望远镜光轴重合：照亮准直管狭缝，前后调节狭缝，使从照亮准直管狭缝，前后调节狭缝，使从望远镜中能看到清晰的狭缝像，且与测量望远镜中能看到清晰的狭缝像，且与测量叉丝之间无视差。此时准直管出射的已是叉丝之间无视差。此时准直管出射的已是平行光。平行光。调节准直管的倾斜螺丝，使得狭缝像调节准直管的倾斜螺丝，使得狭缝像的中心位于测量叉丝的交点处。此时望的中心位于测量叉丝的交点处。此时望远镜和准直管的光轴已平行，并近似重远镜和准直管的光轴已平行，并近似重合。至此，整个调节过程结束。合。至此，整个调节过程结束。问题：为何上述讲近似重合，而不是完问题：为何上述讲近似重合，而不是完全重合？全重合？答：因目测限制，在满足近轴条件时，答：因目测限制，在满足近轴条件时，近似重合与完全重合的观察结果是一样的。近似重合与完全重合的观察结果是一样的。故观测者无法分辨之。故观测者无法分辨之。二、实验规范二、实验规范 1、实验前写好预习报告（写在专用实验、实验前写好预习报告（写在专用实验纸上），包括：纸上），包括：实验名称、实验目的、实验仪器、实验实验名称、实验目的、实验仪器、实验原理（文字和光路图）、实验步骤、原始原理（文字和光路图）、实验步骤、原始数据记录表格。数据记录表格。请老师检查。请老师检查。2、布置和调整光路（参照、布置和调整光路（参照P18）3、测量（参照、测量（参照 P18）4、归整（、归整（参照参照 P18）三、实验后的数据处理三、实验后的数据处理1、列表法、列表法 将所有的直接测量数据（原始数据）、将所有的直接测量数据（原始数据）、间接测量数据、平均值、误差及误差平均间接测量数据、平均值、误差及误差平均值及标准不确定度等都填在表格中。值及标准不确定度等都填在表格中。如长度测量：如长度测量：被被测测量量LiL Li-L L LL L次次数数1231.951230.031.95 0.03数数据据1.961.98 1.950.01 0.030.042、作图法、作图法 优点：直观、简洁、适合一些函数关优点：直观、简洁、适合一些函数关系复杂和未知函数关系的间接测量量的数系复杂和未知函数关系的间接测量量的数据处理。据处理。四个点必须在曲线上找。四个点必须在曲线上找。作图规则和步骤：作图规则和步骤：（1）取合适的作图比例，尽量不使有效数字）取合适的作图比例，尽量不使有效数字由于作图而改变。由于作图而改变。（2）用细铅笔画出的交叉点来表示实验点。用细铅笔画出的交叉点来表示实验点。（3）画出的曲线或直线使实验点均匀分布在画出的曲线或直线使实验点均匀分布在曲线或直线两侧。为什么？曲线或直线两侧。为什么？（4）需要计算的点必须在曲线或直线上找。需要计算的点必须在曲线或直线上找。为什么？为什么？原始数据纪录；数据处理（间接测量量原始数据纪录；数据处理（间接测量量的计算、作图、误差处理等）；结果分析；的计算、作图、误差处理等）；结果分析；回答思考题。回答思考题。3、数据处理的要求、数据处理的要求 不许伪造、随意涂改或抄袭原始数据；不许伪造、随意涂改或抄袭原始数据；原始数据用钢笔纪录；图表要用铅笔、尺、原始数据用钢笔纪录；图表要用铅笔、尺、曲线板等工具完成；最后应对实验精度的曲线板等工具完成；最后应对实验精度的提高和减小误差等方面进行讨论。提高和减小误差等方面进行讨论。四、注意事项四、注意事项1、光学元件与光学仪器的使用和维护、光学元件与光学仪器的使用和维护（参照（参照P18）（1）实验既可以是对理论的验证，又可以实验既可以是对理论的验证，又可以是根据理论公式对实际物理量的测量。实验是根据理论公式对实际物理量的测量。实验中所用到的公式都是理论课上学过的公式。中所用到的公式都是理论课上学过的公式。2、实验与理论的异同、实验与理论的异同 原因：原因：理论公式成立的前提是物理实体的理想性。理论公式成立的前提是物理实体的理想性。实验公式要考虑到实际物理实体的非理想性。实验公式要考虑到实际物理实体的非理想性。（2）实验因为要考虑到测量的精度和减实验因为要考虑到测量的精度和减小误差，所用的公式又和理论课上学过的小误差，所用的公式又和理论课上学过的公式不同。公式不同。实验一实验一 薄透镜焦距的测定薄透镜焦距的测定 一、实验目的一、实验目的 1、掌握光学系统共轴的调节、视差原、掌握光学系统共轴的调节、视差原理的应用；理的应用；2、掌握薄透镜焦距常用的测定方法。掌握薄透镜焦距常用的测定方法。二、实验原理二、实验原理可视为薄透镜，记为：可视为薄透镜，记为：当当很小（和透镜焦距比）时，透镜很小（和透镜焦距比）时，透镜正透镜（会聚透镜）正透镜（会聚透镜）负透镜（发散透镜）负透镜（发散透镜）薄透镜的光心、焦点、焦距及其性质薄透镜的光心、焦点、焦距及其性质1照明灯；照明灯；2平行光管；平行光管；3、待测物（带有刻度的、待测物（带有刻度的玻板）；玻板）；4待测透镜，焦距为：待测透镜，焦距为：（待测）（待测）5读数目镜；读数目镜；6光具座导轨；光具座导轨；7平行光管透镜，平行光管透镜，8带有十字叉丝的分划板，玻板刻度成像处；带有十字叉丝的分划板，玻板刻度成像处；9读读数鼓轮。数鼓轮。设物高（玻板上刻线之间的距离设物高（玻板上刻线之间的距离）为）为，像高为，像高为据此式可算出待测透镜焦距。据此式可算出待测透镜焦距。（分划板上（分划板上所成的玻板上刻线的像之间的距离所成的玻板上刻线的像之间的距离），则据几何光学原理，有：），则据几何光学原理，有：三、实验内容（三、实验内容（参考参考P22）1、调节调节 粗调；细调共轴、等高；粗调；细调共轴、等高；2、焦距、焦距测量测量 公式法，重复测三次取平均值；公式法，重复测三次取平均值；3、误差分析：对测量结果进行误差分、误差分析：对测量结果进行误差分析。析。一一、实验目的（、实验目的（参照参照 P31）实验三实验三 分光计的调节及棱镜顶角分光计的调节及棱镜顶角的测量的测量 自准直法测棱镜角自准直法测棱镜角 二二、实验原理、实验原理 1、分光计的调节和使用；、分光计的调节和使用；2、棱镜顶角的测定、棱镜顶角的测定 图为等边棱镜图为等边棱镜ABC及其棱镜角及其棱镜角准直管准直管望远镜望远镜望远镜望远镜 三、实验内容三、实验内容参照参照 P31 1、分光计的调节；、分光计的调节；2、棱镜顶角的测定。、棱镜顶角的测定。要求：自准直法重复侧三次，取平均要求：自准直法重复侧三次，取平均值并计算标准不确定度；值并计算标准不确定度；一一、实验目的、实验目的 实验五实验五 显微镜（望远镜不作要求）显微镜（望远镜不作要求）实验原理及实验内容详见教材及补充讲实验原理及实验内容详见教材及补充讲义。义。1、熟悉显微镜的构造及放大原理；、熟悉显微镜的构造及放大原理；2、学会一种测定显微镜放大率的方法；、学会一种测定显微镜放大率的方法；3、显微镜的使用并测微小长度。、显微镜的使用并测微小长度。一一、实验目的、实验目的 实验八实验八 牛顿环（劈尖干涉不作要求）牛顿环（劈尖干涉不作要求）两束满足相干条件的光相遇，会产生干涉现两束满足相干条件的光相遇，会产生干涉现象象有的地方始终加强，有的地方始终减弱，有的地方始终加强，有的地方始终减弱，出现明暗相间的干涉条纹。（出现明暗相间的干涉条纹。（视频课第二集视频课第二集2911”）牛顿环的干涉条纹牛顿环的干涉条纹明暗相间的、疏密渐变的明暗相间的、疏密渐变的同心圆环，同心圆环，二二、实验原理、实验原理 测量平凸透镜的曲率半径测量平凸透镜的曲率半径薄膜干涉原理薄膜干涉原理正入射时：正入射时：等厚条纹等厚条纹 等倾条纹等倾条纹牛顿环形成一空气薄膜，光牛顿环形成一空气薄膜，光线正入射，光程差公式为：线正入射，光程差公式为：设观察暗条纹，则有：设观察暗条纹，则有：牛顿环干涉原理牛顿环干涉原理半径能直接测量吗？半径能直接测量吗？代入，得：代入，得：圆心如何确定？圆心如何确定？实验的灵魂是减小误差！实验的灵魂是减小误差！牛顿环的级次数很难确定（详见牛顿环的级次数很难确定（详见P62）。能否避开对环的级次的计数？）。能否避开对环的级次的计数？对第对第 k级环外面的第级环外面的第 k+m级环，有：级环，有：实验中采用钠灯照明，纳黄光波长给定：实验中采用钠灯照明，纳黄光波长给定：取取和和 则直接测量量为则直接测量量为 的两的两 个坐标：个坐标：二、实验内容及注意事项二、实验内容及注意事项 1、牛顿环的调节：注牛顿环的调节：注意分光板的角度。意分光板的角度。3、测、测 20个暗环的直径，个暗环的直径，共共 40个读数。得到个读数。得到 10个个 为什么？为什么？实际中，平凸透镜的曲率并非处处相等，实际中，平凸透镜的曲率并非处处相等，故测量时最少故测量时最少测量测量 40个牛顿环个牛顿环的直径坐标，的直径坐标，得到得到 20个直径，个直径，10个直径的平方差，取平个直径的平方差，取平均值。均值。20个个 20个个10个个鼓轮转动引起的螺杆推进方向鼓轮转动引起的螺杆推进方向 20个个 20个个 2、测暗环直径时，必须注意读数显微镜方、测暗环直径时，必须注意读数显微镜方向旋钮应始终向一个方向转动。为什么？向旋钮应始终向一个方向转动。为什么？三、数据处理（参照三、数据处理（参照 P62）环环序序数数X(cm)X(cm)D=x-xD2u=D2k+m-D2ku平平均均 u u平均平均R(m)R（m）u=D222-D2km345.2122实验三实验三 2、棱镜玻璃折射率的测定棱镜玻璃折射率的测定此实验为第一轮实验三中的实验此实验为第一轮实验三中的实验 1、（棱镜角、（棱镜角的测定）的继续。的测定）的继续。参照书中内容即可。需要提醒的是：参照书中内容即可。需要提醒的是：1、第一轮实验中已经测得的棱镜角、第一轮实验中已经测得的棱镜角 A可作为已可作为已知条件使用；知条件使用；2、实验中以汞灯中最亮的绿色光谱线为准进、实验中以汞灯中最亮的绿色光谱线为准进行测量。行测量。需要修改的部分详见补充讲义。需要修改的部分详见补充讲义。一、迈克尔逊干涉仪原理一、迈克尔逊干涉仪原理1、光的干涉原理、光的干涉原理视频视频 1：光的干涉。：光的干涉。视频视频 2：麦氏干涉原理。：麦氏干涉原理。实验十四实验十四 1、迈克耳逊干涉仪的调节迈克耳逊干涉仪的调节及氦氖激光波长的测定及氦氖激光波长的测定迈克尔逊干涉仪迈克尔逊干涉仪原理图原理图2、干涉条纹、干涉条纹等倾条纹等倾条纹等厚条纹等厚条纹3、应用于长度的精密测量、应用于长度的精密测量 波长要单一并稳定。波长要单一并稳定。计数要准确。计数要准确。需要修改的部分详需要修改的部分详见补充讲义。见补充讲义。严格平行光程严格相等 内容及需要修改的部分详见补充讲义。内容及需要修改的部分详见补充讲义。实验九实验九 用透射光栅测光波波长用透射光栅测光波波长 需要修改的部分详见补充讲义。需要修改的部分详见补充讲义。实验十四实验十四 2、迈克耳逊干涉仪测钠双线、迈克耳逊干涉仪测钠双线的波长差的波长差干涉条纹衬比度（对比度）干涉条纹衬比度（对比度）同一光源含有两个波同一光源含有两个波长，通过迈克尔逊干涉长，通过迈克尔逊干涉以后各自形成一套干涉以后各自形成一套干涉条纹。条纹。当屏上任意处，薄膜形成的当屏上任意处，薄膜形成的光程差既满足一套干涉条纹的明光程差既满足一套干涉条纹的明纹条件，又同时满足另一套干涉纹条件，又同时满足另一套干涉条纹的暗纹条件时，干涉条纹衬条纹的暗纹条件时，干涉条纹衬比度（对比度）为最低。比度（对比度）为最低。若两套波长的光在屏上某处的光若两套波长的光在屏上某处的光程差同时满足明纹条件时，干涉条程差同时满足明纹条件时，干涉条纹衬比度（对比度）为最高。纹衬比度（对比度）为最高。若有：若有：（m和和 n分别为正整数）分别为正整数）则为：两套波长的光在屏上某处的光程差同时满足则为：两套波长的光在屏上某处的光程差同时满足明纹条件，干涉条纹衬比度（对比度）为最高。明纹条件，干涉条纹衬比度（对比度）为最高。若有：若有：（m和和 n及及 k分别为正整数）分别为正整数）则两光的光程差既满足一套干涉条纹的明纹条件，则两光的光程差既满足一套干涉条纹的明纹条件，又同时满足另一套干涉条纹的暗纹条件，干涉条纹衬比又同时满足另一套干涉条纹的暗纹条件，干涉条纹衬比度（对比度）为最低。度（对比度）为最低。演示图演示图 波长差公式为：波长差公式为：为减小误差，实验中要求测十个模糊区的移动距离，为减小误差，实验中要求测十个模糊区的移动距离，即：即：则波长差公式为：则波长差公式为：估算：估算：则：则：实验六实验六 单色仪的定标单色仪的定标 需要修改的部分需要修改的部分详见补充讲义。详见补充讲义。参考颜色参考颜色波长波长/nm参考强度参考强度紫404.66强435.84强蓝绿491.6强绿546.07强黄576.96强橙607.26弱红623.44中深红671.62中