光学试验预备知识光学试验是普通物理试验的一个重要部分这里先.docx
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光学试验预备知识光学试验是普通物理试验的一个重要部分这里先
光学实验预备知识
光学实验是普通物理实验的一个重要部分。
这里先介绍光学实验中
经常用到的知识和调节环节。
初学者在做实验前应认真阅读这些内容,
并且在实验中遵守有关规则和灵活运用有关知识。
一、光学元件和仪器的维护
透镜、棱镜等光学元件,大多数是用光学玻璃制成的,它们的光学
表面都是经过仔细研磨和抛光,有些还镀有一层或多层薄膜。
对这些元
件或其材料的光学性能(如折射率、反射率、透射率等)都有一定要求,
但它们的机械性能和化学性能可能较差,若使用和维护不当,则会降低
光学性能甚至损坏报废。
造成损坏的常见原因有:
摔坏、磨损、污损、
发霉、腐蚀等。
为了安全使用光学元件和仪器,必须遵守以下规则:
1、必须在了解仪器的操作和使用方法后方可使用。
2、轻拿轻放,勿使仪器或光学元件受到冲击或震动,特别要防止摔落。
不使用的光学元件应随时装入专用盒内并放入平台的箱子里,最好放入干燥器中保存。
3、切忌用手接触元件的光学表面。
如必须用手拿光学元件,只能接
触其磨沙面,如棱镜的边缘、棱镜的上下底面等。
见图1。
图1手持光学元件的方式Ⅰ—光学面,Ⅱ—磨砂面
4、光学表面如有灰尘,用实验室专备的干燥脱脂棉轻轻拭去或用橡皮球吹掉。
5、光学表面上若有轻微的污痕或指印,用清洁的镜头纸轻轻拂去,但不要加压擦拭,更不准用手帕、普通纸片、衣服等擦拭。
若表面有较
1
严重的污痕或指印,应由实验室人员用丙酮或酒精清洗。
所有镀膜面均
不能接触或擦拭。
6、防止唾液或其它溶液溅落在光学表面上。
7、调整光学仪器时,要耐心细致,一边观察一边调整,动作要轻、慢,严禁盲目及粗鲁操作。
8、仪器用完后应放回箱内或加罩,防止灰尘玷污。
二、消视差
光学实验中经常要测量像的位置和大小,经验告诉我们
,要测准物
体的大小,必须将量度标尺与被测物体紧贴在一起。
如果标尺远离被测
物体,读数将随眼睛的位置不同而有所改变,难以测准,如图
2所示。
可是在光学实验中被测物往往是一个看得见摸不着的像,怎样才能确定
标尺和待测像是紧贴在一起的呢?
利用“视差”现象可以帮助我们解决
这个问题。
为了认识“视差”现象,我们可做一个
简单实验:
双手各伸
出一只手指,并使一指在前,一指在后相隔一定距离,且两指平行。
用
一只眼睛观察,当左右(或上下)晃动眼睛时(眼睛移动方向应与被观
察手指垂直),就会发现两指间有相对移动,这种现象称为“视差”
。
而
且还会看到离眼近者,其移动方向与眼睛移动方向相反;离眼远者则与
眼睛移动方向相同。
若将两指紧贴在一起,则无上述现象,即无“视差”
。
由此可以利用视差现象来判断待测像与标尺是否紧贴。
若待测像和标尺
间有视差,说明它们没有紧贴在一起,则应该稍稍调节像或标尺位置,
并同时微微晃动眼睛观察,直到它们之间无视差后方可进行测量。
在光学实验中,“消视差”常常是测量前必不可少的操作步骤。
图2眼睛位置不同所得测量结果不同
2
三、共轴调节
光学实验中经常要用一个或多个透镜成像。
为了获得质量好的像,
必须使各个透镜的主光轴重合(共轴),并使物体位于透镜的主光轴附近。
此外透镜成像公式中的物距、像距等都是沿主光轴计算长度的,为了测
量准确,必须使透镜的主光轴与带有刻度的标尺平行,因此要进行共轴
调节。
具体调节方法如下:
1、粗调。
将光源、物和透镜靠拢,调节它们的取向和高低左右位置,凭眼睛观察,使它们的中心处在一条和标尺平行的直线上,使透镜的主
光轴与标尺平行,并且使物和成像平面与平台垂直。
因调节效果与实验者的经验有关,称为粗调。
2、细调。
这一步骤要靠其他仪器或成像规律来判断和调节,不同的
装置可能有不同的具体调节方法,以物与单个凸透镜共轴的调节方法为
例。
使物体与单个凸透镜共轴实际上是指将物上某一点调到主光轴上。
首先要知道如何判断物上的点是否在透镜的主光轴上。
根据凸透镜成像
规律即可判断。
如图3所示,当物AB与像屏之间的距离b大于4f时,
将凸透镜光轴移到O1或O2位置都能在屏上成像,一次成大像A1B1,一次
成小像A2B2。
物点A位于光轴上,则两次像的A1和A2点都在光轴上而且
重合。
物点B不在光轴上,则两次像的B1和B2一定都不在光轴上,而且
不重合。
但是,小像的B2点总是比大像的B1点更接近光轴。
图3共轴调节的光路图
可见,若要将B点调到凸透镜光轴上,只需记住像屏上小像的B2点
位置(可用坐标纸作参照物),调节透镜(或物)的高低左右,使B1向B2
3
靠拢。
反复调节几次直到B1与B2重合,说明B点已调到透镜的主光轴上
了。
若要调多个透镜共轴,则应先将物上B点调到一个凸透镜的主光轴
上,然后,同样根据轴上物点的像总在轴上的原理,逐个增加待调透镜,
调节它们使其与第一个透镜共轴。
4
实验一用自准法测薄凸透镜焦距
一、实验目的
(1)掌握简单光路的分析和调整方法
(2)了解、掌握自准法测凸透镜焦距的原理及方法
二、实验原理
当发光点(物)处在凸透镜的焦平面时,它发出的光线通过透镜后
将成为一束平行光。
若用与主光轴垂直的平面镜将此平行光反射回去,
反射光再次通过透镜后仍会聚于透镜的焦平面上,会聚点将在发光点相
对于光轴的对称位置上。
三、实验仪器
1、带有毛玻璃的白炽灯光源S
2、品字形物象屏P:
SZ-14
3、凸透镜L:
f=190mm(f=150mm)
4、二维调整架:
SZ-07(两个)
5、平面反射镜M
6、通用底座:
SZ-04(三个)
7、二维底座:
SZ-02
四、仪器实物图及原理图
5
图4实物及原理图
五、实验步骤
1、把全部元件按图4的顺序摆放在平台上,靠拢,调至共轴,而后
拉开一定距离,可调成图4所示的距离。
2、前后移动凸透镜L,使在物像屏P上成一清晰的品字形像。
3、调M的倾角,使P屏上的像与物重合。
4、再前后微动透镜L,使P屏上的像既清晰又与物同大小。
5
、分别记下
P屏和透镜L的位置a1,a2。
6、把P屏和透镜L都转180度,重复做前四步。
7
、再记下
P和L的新位置b1,b2。
8、分别把f=150mm和f=190mm的透镜各做一遍,并比较实验值和真实值的差异,并分析其原因。
9、可选择更多规格的透镜进行实验。
六、数据处理
faa2
a1
fb
b2b1
被测透镜焦距为:
f
fa
fb
2
6
实验二用位移法测薄凸透镜焦距
一、实验目的
了解、掌握位移法测凸透镜焦距的原理及方法。
二、实验原理
对凸透镜而言,当物和像屏间的距离L大于4倍焦距时,在它们之
间移动透镜,则在屏上会出现两次清晰的像,一个为放大的像,一个为
缩小的像。
分别记下两次成像时透镜距物的距离O1,O2eO1O2,距
屏的距离O1,O2,根据光路可逆的原理,这两个位置是“对称”的。
即
O
1
O
2,
O
2
O
,则:
Le
O
O
2O
2O
O
OLe2
1
2
1
2
1
2
而O1
LO1LLe
2
Le
2,把结果代入透镜的牛顿公式
1s
1s
1f,得到透镜的焦距为:
f
L2
e2
4L
由此便可算得透镜的焦距,这个方法的优点是
:
把焦距的测量归结为对
于可以精确测定的量
L和e的测量,避免了在测量
u和v时,由于估计
透镜中心位置不准确所带来的误差。
三、实验仪器
1、带有毛玻璃的白炽灯光源S
2、品字形物象屏P:
SZ-14
3、凸透镜L:
f=190mm(f=150mm)
4、二维调整架:
SZ-07
5、白屏H
6、通用底座:
SZ-04(三个)
7、二维底座:
SZ-02
四、仪器实物图及原理图(见图5)
五、实验步骤
7
1、把全部元件按图5的顺序摆放在平台上,靠拢后目测调至共轴,
而后再使物屏
P和像屏H之间的距离l大于4倍焦距。
2、沿标尺前后移动凸透镜
L,使品字形物在像屏
H上成一清晰的放
大像,记下
1
L的位置a。
3、再沿标尺向后移动L,使物再在像屏H上成一缩小像,记下L的位
置a2。
4、将P、L、H都转180度,重复做前三步,又得到L的两个位置b1,b2。
5、分别把f=150mm和f=190mm的透镜各做一遍,比较实验值和真实值的差异,并分析其原因。
6、可选择更多规格的透镜进行实验。
图5实物及原理图
8
六、数据处理
eaa1a2ebb1b2
af
2
2
4l
bf
2
l
2
l
ea
bel4
被测透镜焦距为:
ffa
fb
2
9
实验三自组望远镜
一、实验目的
了解望远镜的基本原理和结构,并掌握其调节、使用和测量它的放
大率的两种方法。
二、实验原理
最简单的望远镜是由一片长焦距的凸透镜作为物镜,用一短焦距的
凸透镜作为目镜组合而成。
远处的物经过物镜在其后焦面附近成一缩小
的倒立实像,物镜的像方焦平面与目镜的物方焦平面重合。
目镜起放大
镜的作用,把这个倒立的实像再放大成一个正立的像,如图6所示。
三、实验仪器
1、带有毛玻璃的白炽灯光源S
2、毫米尺F,L=7mm
3、物镜L0:
f0=225mm)
4、二维调整架:
SZ-07(两个)
5、测微目镜Le:
(去掉其物镜头的读数显微镜)
6、读数显微镜架:
SZ-38
7、通用底座:
SZ-04(四个)
8、白屏:
SZ-13
四、仪器实物图及原理图(见图6)
10
图6实物及原理图
五、实验步骤
1
、把全部元件按图
6的顺序摆放在平台上,靠拢后目测调至共轴
。
2
、把F和Le的间距调至最大,沿导轨前后移动
L0,使一只眼睛看到
清晰的分划板F上的刻线。
3、再用另一只眼睛直接看毫米尺F上的刻线,读出直接看到的F上
的满量程28条线对应于通过望远镜所看到F上的刻线格数e。
4、分别读出F、L0、Le的位置a、b、d。
5
、去Le,用屏H找到F通过L0
所成的像,读出
H的位置c。
六、数据处理
M
ABU2
ABU1
V1U2
AB
U1
V1
U2
AB
U2
又
AB
V1
AB
U1
MV1U1V1
U2
U1U2
望远镜的测量放大率:
M
140e
望远镜的计算放大率:
M
V1U1
V1
U2
U1
U2
其中,
cb
U2dc
AB
、
AB
见图中所示。
U1baV1
11
实验四自组投影系统
一、实验目的
了解幻灯机的原理和聚光镜的作用,掌握对透射式投影光路系统的
调节。
二、实验原理
幻灯机能将图片的像放映在远处的屏幕上,但由于图片本身并不发
光,所以要用强光照
亮图片,因此幻灯机的构造总是包括聚光和成像两
个主要部分。
在透射式的幻灯机中,图片是透明的
,成像部分主要包括
物镜L、幻灯片P和远处的屏幕。
为了使这个物镜能在屏上产生高倍放大
的实像,P必须放在物镜
L的物方焦平面外很近的地方,使物距稍大于
L
的物方焦距。
聚光部分主要包括很强的光源和透镜
L1、L2构成的聚光镜。
聚光镜
的作用一方面是:
要在未插入幻灯片时,能使屏幕上有强烈而均匀的照
度,并且不出现光源本身
结构的像;一旦插入幻灯片后,能够在屏幕上
单独出现幻灯图片的清晰
像。
另一方面,聚光镜要有助于增强屏幕上的
照度。
因此,应使从光源发出并通过聚光镜的光束能够全部到达像面
,
即聚光镜使光源成实像,成实像后的那些光束继续前进时,不超过透镜
L
边缘范围。
光源大小以能够使光束完全充满
L的整个面积为限。
聚光镜
焦距的长短是无关紧要的。
通常将幻灯片放在聚光镜前面靠近
L2
的地方,
而光源则置于聚光镜后
2倍于聚光镜焦距之处。
聚光镜焦距等于物镜焦
距的一半,这样从光源发出的光束在通过聚光镜前后是对称的,而在物
镜平面上的光源的像和光源本身的大小相等。
三、实验仪器
1、带有毛玻璃的白炽灯光源S
2、聚光镜L1:
f1=50mm
3、二维调整架:
SZ-07(两个)
4、幻灯底片P
12
5、干板架:
SZ-12
6、放映物镜L2:
f2=190mm
7、白屏H:
SZ-13
8、三维底座:
SZ-01
9、一维底座:
SZ-03(二个)
10、通用底座:
SZ-04
11、二维底座:
SZ-02
四、仪器实物图及原理图
图7实物及原理图
五、实验步骤
1、把全部仪器按图7的顺序摆放在平台上,靠拢后目测调至共轴。
2、将L2与H的间隔固定在间隔所能达到的最大位置,前后移动P,
使其经L2在屏H上成一最清晰的像。
3、将聚光镜L1紧挨幻灯片P的位置固定,拿去幻灯片P,沿导轨前后移动光源S,使其经聚光镜L1刚好成像于白屏H上。
13
4、再把底片P放在原位上,观察像面上的亮度和照度的均匀性,并
记下所有仪器的位置,并算出U、U、V、V的大小。
1212
5、把聚光镜L1拿去,再观察像面上的亮度和照度的均匀性。
注意:
演示其现象时的参考数据为:
U1=35、U2=300、V1=35、V2520,
和计算焦距时的数据并不相同。
六、数据处理
f2
M
M
2
D2
放映物镜的焦距:
1
聚光镜的焦距为:
f1
D1
M
1
D1
M
1
2
其中:
D2U2
、
D1
U1
、
Mi
Vi
Ui
、
fi
Ui
Vi
i1,2
V2
V
1
=
Vi
Ui
14
实验五测节点位置及透镜组焦距
一、实验目的
了解透镜组节点的特性,掌握测透镜组节点的方法。
二、实验原理
光学仪器中的共轴球面系统、厚透镜、透镜组,常把它作为一个整
体来研究。
这时可以用三对特殊的点和三对面来表征系统在成像上的性
质。
若已知这三对点和三对面的位置,则可用简单的高斯公式和牛顿公
式来研究成像规律。
共轴球面系统的这三对基点和基面是:
主焦点F,F
和主焦面,主点H,H和主平面,节点N,N和节平面。
如图8所示。
图8三对基点和基面
图9入射光与透镜组光轴倾斜
实际使用的共轴球面系统—透镜组,多数情况下透镜组两边的介质
都是空气,根据几何光学的理论,当物空间和像空间介质折射率相同时,
15
透镜组的两个节点分别与两个主点重合,在这种情况下,主点兼有节点
的性质,透镜组的成像规律只用两对基点(焦点、主点)和基面(焦面、
主面)就完全可以确定了。
根据节点定义,一束平行光从透镜组左方入射,如图9所示,光束
中的光线经透镜组后的出射方向,一般与入射方向不平行,但其中有一
根特殊的光线,即经过第一节点N的光线PN,折射后必须通过第二节点
N,且出射光线NQ平行于原入射光线PN。
设NQ与透镜组的第二焦平面相交于F点,由焦平面的定义知,PN
方向的平行光束经透镜组会聚于F点。
若入射的平行光的方向PN与透镜
组光轴平行时,F点将与透镜组的主焦点F重合,如图10所示。
图10入射光平行透镜组光轴
因此节点具有如下性质:
当平行光入射透镜组时,如果绕透镜组的
第二节点N微微转过一个小角a,则平行光经透镜组后的会聚点F在屏
上的位置将不横移,只是变得稍微模糊一点,这是因为转动透镜组后入
射于节点N的光线并没有改变原来入射的平行光的方向,因而NQ的方
向也不改变,又因为透镜组是绕N点转动,N点不动,所以NQ线也不
移动,而像点始终在NQ上,故F点不会有横向移动,至于NF的长度,
当然会随着透镜组的转动有很小的变化,所以F点前后稍有移动,屏上
的像会稍微模糊一点。
反之,如果透镜组绕N点以外的点转动,则F点
会有横向移动,利用节点的这一特性构成的测量方法如下:
使用一个能够转动的导轨,导轨侧面装有刻度尺,这个装置就是节
16
点架。
把透镜组装在可以旋转的节点架导轨上,节点架前是一束平行光,
平行光射向透镜组。
接着将透镜组在节点架上前后移动,同时使架做微
小移动。
两个动作配合进行,直到能得到清晰的像,且不发生横移为止。
此时转动轴必通过透镜组的像方节点N,它的位置就被确定了。
并且当
N与H重合时,从转动轴到屏的距离为NH,即为透镜组的像方焦距
f。
把透镜转180度,使光线由L2进入,由L1射出,利用同样的方法可
测出物方节点N的位置。
三、实验仪器
1、带有毛玻璃的白炽灯光源S
2、1/10分化板F1
3、物镜L0:
f0=190mm)
4、二维调整架:
SZ-07(两个)
5、透镜组L1、L2:
f1=220mm,f2=300mm
6、测微目镜Le:
(去掉其物镜头的读数显微镜)
7、读数显微镜架:
SZ-38
8、节点架:
SZ-25
9、通用底座:
SZ-04
10、白屏:
SZ-13
11、三维底座:
SZ-1
12、一维底座:
SZ-03(三个)
四、仪器实物图及原理图(见图11)
17
图11实物及原理图
五、实验步骤
1、调节由F、L0组成的“平行光管”使其出平行光,可借助于对无穷远调焦的望远镜来实现。
2、将“平行光管”、待测透镜组、测微目镜,按图11的顺序摆放在
平台上,靠拢后目测调至共轴。
3、前后移动测微目镜,使之能看清F处分划板刻线的像。
4、沿节点调节架导轨前后移动透镜组(同时也要相应地移动测微目镜),直至转动平台时,F处分划板刻线的像无横向移动为止,此时像方节点N落在节点调节架的转轴上。
5、用白屏H代替测微目镜,使分划板刻线的像清晰地成于白屏上,
分别记下屏和节点调节架在标尺上的位置a、b,再在节点调节架的导轨
上记下透镜组的中心位置(用一条刻线标记)与调节架转轴中心(0刻线
的位置)的偏移量
d。
6、把节点架转
180度,使入射方向和出射方向相互颠倒,
重复3,4,
5步,从而得到另一组数据
a、b、d。
六、数据处理
1、像方节点N偏离透镜组中心的距离为:
d
透镜组的像方焦距:
f
a
b
物方节点N偏离透镜组中心的距离为:
d
透镜组的物方焦距为:
f
a
b
2、用1:
1的比例画出该透镜组及其各个节点的相对位置。
18
实验六测量空气折射率(选做)
一、实验目的
学习组装迈克尔逊干涉仪,掌握用以测量气体折射率的原理及方法。
二、实验原理
迈克尔逊干涉仪的典型光路由图12所示,光源S射出的光经过分光
板P1被分成强度大致相等、沿不同方向传播的两束相干光束
(1)和
(2),
它们分别经固定反射镜M2和移动反射镜M1反射后,返回分光板,射向观
察系统,在一定的条件下,观察系统(屏、望远镜或人眼)中将呈现出
特定的干涉图样,由于分光板的玻璃基板有一定的厚度,其折射率随波
长而异,因此需要在光路
(2)中放入一块与分光板材料、厚度完全相同
的平行玻璃补偿板2,这样就可以使
(1)、
(2)两束光的光程差始终相等,
且与入射光波完全无关。
当入射光为单色光而不需要确定零光程位置时,
补偿板可以省略,但对于需要确定两路光程相等时的位置(又称零光程
差位置)的某些实验,如观测白光干涉实验时,补偿板是必不可少的。
图12迈克尔逊干涉仪的典型光路图
非定域干涉:
若将短焦距的发散激光束入射至迈克尔逊干涉仪,经
M1、M2反射后,相当于由两个相干性极好的虚光源S1和S2发出的球面波
形成的干涉。
由于在M2与接受屏之间的空间中传播的光波处处相干,故
19
干涉图像的形状与接受屏的位置和取向有关。
当M1平行于M2,接收屏垂
直于S1S2,条纹为同心圆环;当接收屏不垂直于S1S2时,条纹为椭圆簇
或直线簇。
此外,干涉环的“吞吐”、移动的规律与等倾干涉时相同。
在调出非定域圆条纹的基础上,将小气室插入到图13所示的位置
中,把小气室加压,使气压变化P1,从而使气体的折射率改变n。
当
气室内压逐渐升高时,气室所在范围内光程差变化2Dn,在白屏上可观
察到干涉条纹也在不断
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- 光学 试验 预备 知识 普通 物理 一个 重要 部分 这里