【实用】物理光学实验指导书

物 理 光 学 实 验 指 导 书 张磊 陈宇等主编长春理工大学光电工程学院 204年1前 言按 照 “ 物 理 光 学 ” 教 学 大 纲 规 定 的 实 验 要 求 ， 并 结 合 光 电 工 程 学 院 的 物 理 光 学 教 学特 点 及 具 体 的 实 验 情 况 ， 我 们 新 编 了 物 理 光 学 实 验 指 导 书 。本 指 导 教 程 着 眼 于 物 理 光 学 实 验 的 原 理 及 内 容 ， 侧 重 于 相 关 实 验 现 象 的 分 析 及 理 解 ， 以提 高 学 生 的 综 合 分 析 能 力 的 培 养 ， 达 到 理 论 教 学 与 实 验 教 学 的 融 合 及 统 一 。 在 该 实 验 指 导 教 程 中 共 包 含 八 项 实 验 ， 系 统 的 介 绍 了 所 有 实 验 的 原 理 、 内 容 、 步 骤 、 装 置 等 ， 并 在 每 个 实 验 中 都 配 备 了 相 应 的 思 考 题 ， 在 编 写 过 程 中 吸 纳 了 过 去 实 验 教 学 的 经 验 与 长 处 ， 具 有 自 己 的 特 色 。 本 教 程 由 光 电 工 程 学 院 张 磊 、 陈 宇 等 主 编 。由 于 本 人 水 平 有 限 ， 教 程 中 难 免 有 不 足 之 处 ， 衷 心 希 望 广 大 读 者 对 教 程 中 的 不 足 之 处 给予 批 评 指 正 。编 者2003年 12月2目 录 实 验 一 用 激 光 照 明 的 迈 克 耳 逊 干 涉 仪 .试 验 二 法 布 里 珀 罗 干 涉 仪 实 验 .实 验 三 扩 展 光 源 的 夫 琅 禾 费 衍 射 .实 验 四 色 散 实 验 .实 验 五 旋 光 实 验 .实 验 六 偏 振 光 演 示 实 验 .实 验 七 激 光 衍 射 光 强 自 动 记 录 系 统 实 验 .实 验 八 激 光 衍 射 演 示 实 验 .实 验 一 用 激 光 照 明 的 迈 克 耳 逊 干 涉 仪一 、 实 验 目 的 1、 掌 握 迈 克 耳 逊 干 涉 仪 的 工 作 原 理 并 学 会 调 整 迈 克 耳 逊 干 涉 仪 ；22、 了 解 在 激 光 照 明 条 件 下 迈 克 耳 逊 干 涉 仪 所 形 成 的 干 涉 条 纹 的 特 征 。二 、 实 验 内 容 1、 调 整 迈 克 耳 逊 干 涉 仪 并 观 察 其 产 生 的 等 倾 及 等 厚 条 纹 形 态 ；22、 学 会 采 用 迈 克 耳 逊 干 涉 仪 测 量 准 单 色 光 的 波 长 。三 、 实 验 仪 器 激 光 照 明 的 迈 克 耳 逊 干 涉 仪 一 台 （ 含 其 附 件 ）四 、 迈 克 耳 逊 干 涉 仪 的 原 理迈 克 耳 逊 干 涉 仪 的 原 理 光 路 如 图 1 1所 示 。光源 的 光 首 先 到 达 分 光 板 ， 的 第 二1 射 面 上 涂 有 半 反 半 透 膜 层 ， 入 射 光 将 在 分 光 面 上 同 时 发 生 反 射 及 折 射 ， 形 成 1、 2两 支 光 路 ， 1光 路 经由 反 射 镜 反 射 、 透 射 进 入 观 察 系 统 ； 2支 光 路1 偿 板 透 射 、 反 射 镜 反 射 及 的 分 光 面 反2G 2 后 进 入 观 察 系 统 ， 1、 2两 支 光 路 相 遇 发 生 干 涉 通过 观 察 系 统 即 可 观 察 到 干 涉 条 纹 。 当 采 用 扩 展 光 源 时 将 形 成 定 域 条 纹 ， 若 此 时 两 个反 射 镜 相 平 行 ， 则 形 成 定 域 于 无 限 远 的 等 倾21, 条 纹 ； 若 之 间 有 一 小 的 夹 角 ， 则 将 产 生21, 条 纹 ， 条 纹 定 域 在 倾 斜 反 射 镜 附 近 。 反 射 镜 可 以 借 助 于 微 动 鼓 轮 在 精 密 导 轨 上 前 后 移21, 当 前 后 移 动 反 射 镜 改 变 的 位 置 时 ， 将 改 变 虚2 （ 或 虚 楔 板 ） 的 厚 度 ， 条 纹 将 发 生 移 动 。 图 1 1当 采 用 的 是 点 光 源 照 明 的 条 件 下 （ 诸 如 本 次 实 验 ）， 将 产 生 非 定 域 条 纹 ， 只 要 在 两 只 光路 重 叠 的 空 间 里 都 能 产 生 干 涉 条 纹 ， 因 此 不 用 任 何 成 像 元 件 只 用 一 个 白 屏 就 能 够 看 见 干 涉 条 纹 。 可 见 当 采 用 激 光 点 光 源 照 明 时 比 较 容 易 观 察 到 干 涉 现 象 。 五 、 测 量 步 骤 、 首 先 接 通 激 光 器 的 电 源 开 关 ， 用 激 光 束 照 明 迈 克 耳 逊 干 涉 仪 ， 调 整 激 光 管 的 高 低 位置 ， 以 便 使 激 光 将 束 能 进 入 系 统 。 、 固 定 反 射 镜 的 位 置 ， 调 整 反 射 镜 后 的 三 个 粗 调 螺 钉 ， 使 两 个 反 射 镜 基 本 垂1M 2 或 基 本 平 行 于 ）， 此 时 在 观 察 屏 上 可 以 观 察 到 弧 状 的 条 纹 ， 如 果 条 纹 很 密 ， 通 过1M 22继 续 调 节 反 射 镜 后 的 三 个 粗 调 螺 钉 能 够 使 条 纹 变 疏 并 使 条 纹 成 圆 形 并 令 环 的 中 心 处 于 视 2 中 心 位 置 处 。 、 转 动 反 射 镜 附 近 的 测 微 鼓 轮 ， 反 射 镜 将 发 生 前 后 的 移 动 ， 此 时 观 察 屏 上2M 2 纹 将 随 着 反 射 镜 的 移 动 不 断 的 收 缩 或 者 冒 出 ， 令 视 场 中 心 的 条 纹 是 亮 条 纹 （ 或 暗 条2， 此 时 读 出 测 微 鼓 轮 上 的 读 数 ； 然 后 再 转 动 测 微 鼓 轮 ， 数 出 冒 出 （ 或 收 缩 ） 的 条 纹 数 1 ， 再 次 读 出 测 微 鼓 轮 上 的 读 数 ， 则 两 次 读 数 之 差 即 为 反 射 镜 移 动 的 距 离20N 2a 2M。h、 利 用 公 式 就 能 够 求 出 激 光 的 波 长 。、 如 此 反 复 测 量 5次 取 其 平 均 值 。六 、 思 考 题 1、 激 光 照 明 的 迈 克 耳 逊 干 涉 仪 实 验 与 用 扩 展 光 源 照 明 的 迈 克 耳 逊 干 涉 仪 实 验 室 内 有 何不 同 ？ 2、 扩 展 光 源 照 明 的 迈 克 耳 逊 干 涉 仪 中 ， 补 偿 板 的 作 用 ？3 实 验 二 法 布 里 珀 罗 干 涉 仪 实 验一 、 试 验 目 的 1、 掌 握 法 布 里 泊 罗 干 涉 仪 使 用 方 法 ；2、 进 一 步 理 解 多 光 束 干 涉 的 理 论 和 条 纹 特 点 ；3、 测 量 单 色 光 的 波 长 。二 、 实 验 内 容 1、 调整 仪 能 够 观 察 到 多 光 束 干 涉 的 条 纹 图 案 ；2、 测 量 钠 黄 光 的 平 均 波 长 。三 、 实 验 仪 器 仪四 、 试 验 原 理 仪 属 于 多 光 束 干 涉 仪 器 。 图 1 1是 该 仪 器 的 光 路 原 理 图 。S 1 1 仪 原 理 图由 扩 展源 S（ 纳 光 灯 ） 发 出 的 光 经 镀 高 反 膜 表面 之 间 的 多 次 反 射 ， 变 成 互 相 平12行 的 多 光 束 并 且 相 干 ， 干 涉 条 纹 的 定 域 在 无 限 远 处 。 人 眼 通 过 由 透 镜 组 成 的 望 远 镜 ，21便 可 观 察 到 同 心 圆 环 状 的 等 倾 干 涉 条 纹 ， 亦 可 用 眼 睛 直 接 观 察 干 涉 条 纹 。 不 动 ， 平 移 ， 因 此 改 变 的 间 距 h。 始 终 保 持 严 格 平 行 。2 1 12 12根 据 多 光 束 干 涉 理 论 ， 则 相 邻 两 束 光 的 光 程 差 为 ： =2 其 中 是 之 间 的 反12射 角 ， 和 的 间 距 ， 则 相 位 差 为12 = （ ） 光 的 干 涉 强 下 式（ ）0当 ， 即2m(m=整 数 ) （ ）产 生 等 倾 两 干 涉 环 。 当 平 板 的 反 射 率 很 高 时 ， 即 ， 条 纹 对 比 度 也 很 高 ， 并 且 亮 环 的 宽度 变 窄 。 因 此 在 同 级 于 涉 条 纹 中 ， 波 长 差 很 小 的 两 条 谱 线 可 以 分 解 开 。 这 对 于 光 谱 分 析 和 提 高 测 量 精 度 都 提 供 了 有 利 的 条 件 。 五 、 实 验 步 骤 、 调 整 法 布 里 一 珀 罗 干 涉 仪 :视 察 现 象（ ） 开 启 钠 光 灯 。 拿 开 毛 玻 璃 ， 移 开 望 远 镜 ， 眼 睛 通 过 直 接 看 钠 光 灯 的 灯 丝 。12若 看 到 一 串 灯 丝 象 ， 则 说 明 不 平 行 ， 应 该 先 调节 面 的 粗 调 螺 钉 ， 直 到 灯1 2 12丝 象 重 合 为 止 。 这 时 。 可 以 看 到 隐 约 可 见 的 圆 环 条 纹 。 调 节 粗 调 螺 钉 ， 使 得 圆 环 的 中 心 大 体 上 在 视 场 中 心 。 （ ） 在 钠 光 灯 前 面 插 入 毛 玻 璃 ， 并 且 把 望 远 镜 对 准 平 板 。 调 节 目 镜 ， 便 条 纹 比 较 清 楚 。然 后 调 节 支 架 上 的 水 平 和 垂 直 微 调 螺 钉 ， 使 得 条 纹 呈 圆 形 ， 并 使 圆 环 的 中 心 刚 好 在 视 场 中 心处 。 如 果 条 纹 不 够 清 楚 ， 应 该 调 节 读 数 鼓 轮 移 动 G， 直 到 条 纹 清 楚 为 止 。1（ ） 向 一 个 方 向 （ 注意 不 要 碰 在 一 起 ， 以 免 破 失 仪 器 ！ )移动 G， 一 会 同 级12 1干 涉 条 纹 出 现 双 环 ， 过 了 一 会 又 出 现 单 环 ;连 续 移 动 G， 单 、 双 环 将 周 期 性 地 出 现 。 想 想 看 1为 什 么 ? 、 测 量 钠 黄 光 的 平 均 波 长 当 角 很 小 时 ， ( 3)式 变 成 2h=m ( 4)将 上 式 微 分 后 得 2= 或 = ( 5)hm对 于 条 纹 变 化 的 个 数 ， 测 量 出 ， 可 以 根 据 上 式 计 算 钠 黄 光 的 平 均 波 长 。m h 六 、 思 考 题1、 用 一 块 不 透 光 的 纸 插 入 和 之 间 ， 挡 住 一 半 。 问 视 场 中 的 条 纹 有 何 变 化 ？ 为 什1 2、 法 布 里 干 涉 仪 和 迈 克 耳 逊 干 涉 仪 所 产 生 的 等 倾 干 涉 环 之 主 要 区 别 是 什 么 ？ 想想 看 为 什 么 ？ 3、 当 干 涉 环 向 中 心 收 缩 时 ， 干 涉 级 次 是 增 加 了 还 是 减 少 了 ？ 如 果 干 涉 环 由 中 心 向 外 冒出 呢 ？5 实 验 三 扩 展 光 源 的 夫 琅 禾 费 衍 射一 、 实 验 目 的 1、 验 证 ： 在 用 透 镜 实 现 夫 琅 禾 费 衍 射 的 条 件 下 ， 光 源 与 夫 琅 禾 费 衍 射 图 （ 即 衍 射 谱 面 ）是 互 为 共 轭 的 关 系 （ 即 物 、 像 关 系 ）； 2、 加 深 理 解 光 源 的 扩 展 对 衍 射 条 纹 的 影 响 。二 、 实 验 内 容 调 整 仪 器 能 够 观 察 到 夫 琅 禾 费 衍 射 现 象 ， 对 有 关 数 据 进 行 测 量 。三 、 实 验 仪 器光 具 座 一 个 ， 读 数 显 微 镜 一 台 ， 钠 光 灯 一 台 ， 柱 面 镜 一 块 ， 单 缝 、 双 缝 和 光 栅 一 个 。四 、 实 验 装 置 与 原 理 实 验 装 置 如 图 。 将 钠 灯 、 单 缝 、 双 缝 、 柱 面 镜 和 读 数 显 微 镜 按 图 号依 次 摆 在 光 具 座 上 ， 用 钠 灯 照 射 单 缝 ， 形 成 系 统 的 光 源 。 设 单 缝 至 柱 面 镜 的 距 离 为 ，0 扩 展 光 源 的 夫 琅 禾 费 衍 射 原 理 图夫 琅 禾 费 衍 射 谱 至 柱 面 镜 的 距 离 为 ， 则 二 者 必 须 满 足 透 镜 规 律 ， 即 ： 2l （ ）02 式 中 ： 表 示 柱 面 镜 的 焦 距 。 一 维 夫 琅 禾 费 衍 射 装 置 。 取 轴 分 别 垂 直 于 和 平 行 于 柱 面 镜 的 母 线 ， 则 夫 琅和 费 衍 射 积 分 为 （ 2）1x(tc)x(u 101 式 中 ， 括 二 次 位 相 因 子 的 常 量 （ 与 积 分 变 量 无 关 ）， 空 间 频 率（ 3）10 210此 处 ， 单 缝 至 距 离 。设 双 缝 的 间 距 为 d， 缝 宽 为 a， 则 它 的 透 射 为（ 4）)22ax(x(t 1111 将 （ 4） 式 代 入 （ 2） 式 得 到 （ 5）d)uu(uu(ax(衍 射 光 的 强 度 为 （ 6）d)uu(ax(U)x(U)x(*22 当 时 ， 1。 这 属 于 双 缝 干 涉 的 问 题 ， 这 时 ，（ 6） 式 变 成)uu(a （ 7）d)x(由 此 可 见 ， 干 涉 条 纹 是 等 距 条 纹 。 相 邻 两 个 条 纹 的 音 频 率 间 距 为 （ 8）条 纹 的 半 宽 度 为（ 9）现 在 考 虑 光 源 扩 展 （ 即 单 缝 有 一 定 的 宽 度 W） 对 干 涉 条 纹 的 影 响 。 由 于 钠 光 是 空 间 非 相干 光 源 。 所 以 可 以 把 单 缝 视 为 由 许 多 线 光 源 组 成 的 。 并 且 它 们 彼 此 之 间 是 不 相 干 的 。 每 一 个 线 光 源 都 产 生 自 己 的 干 涉 图 ， 将 它 们 重 叠 在 一 起 就 形 成 了 扩 展 光 源 的 干 涉 图 。 这 样 一 来 ， 只考 虑 单 缝 中 心 和 两 端 的 三 个 线 光 源 产 生 的 干 涉 图 ， 而 其 它 线 光 源 产 生 的 干 涉 图 分 布 在 其 中 ， 取 即27（ 10）10 对 于 位 于 单 缝 中 心 的 线 光 源 来 说 。 可 见 位 于 单 缝 两 端 的 线 光 源 产 生 的 干 涉 图 (见0 2 3（ a） 和 （ c） )相 对 于 位 于 单 缝 中 心 的 线 光 源 产 生 的 干 涉 图 (见图 2 3（ b） )来 说 ， 在空 间 频 率 上 错 开 的 距 离 ； 图 2 3（ d） 表 示 扩 展 光 源 产 生 的 干 涉 图 ， 可 见 亮 条 纹 对 称 地 向0 展 宽 ； 条 纹 的 空 间 频 率 间 隔 不 变 ， 仍 然 是 。 当 不 大 于 时 ， 可 以 分 辨 出 亮 条 纹 和 ， 即（ 11） （ 10） 式 代 入 （ 11） 式 中 得 到 或 （ 12） w其 中 ， 表 示 干 涉 孔 径 角 。 这 个 结 论 与 杨 氏 双 缝 干 涉 一 致 。 由 此 可 以 推 出 ， 当 1 （ 13）时 ， 干 涉 条 纹 的 对 比 度 不 低 于 1= 慢 轴 偏现 在 我 们 用 多 缝 代 替 双 缝 ， 分 析 光 源 扩 展 的 影 响 ， 仍 然 用 缝 宽 ， 用 相 邻 两8个 缝 之 间 的 距 离 。 设 共 有 ， 则 多 缝 的 透 射 函 数 为 （ 14） aX(x( 14） 式 代 入 积 分 （ 2） 中 ， 可 以 推 导 出（ 15）)uu(uu(ax(I 000202 可 见 ， 相 邻 两 个 条 纹 的 空 间 频 率 间 隔 为 ， 而 条 纹 的 空 间 频 率 宽 度 为 。 也 就 是 说 ， 的 宽 度与 比 ， 亮 纹 的 宽 度 越 窄 ， 特 别 是 光 栅 ， 由于 ，而 大 。因 此 衍 射 条 纹 的 亮 很 窄 。 相 邻 两 个 亮 纹 的 间 距 很 大 。 这 样 ， 光 源 的 扩 展 对 于 双 缝 衍 射 和 多 缝 衍 射 便 有 很 大 的 区 别 。 举 例 来 说 明 ， 设 N=10， 则 扩 展 光 源 的 衍 射 条 纹 如 图 2 。 亮 纹 的空 间 频 率 宽 度 为00 3快轴 慢轴 偏将 （ 3） 式 微 分 得 到 （ 16）2120当 时 ， 便 是 亮 条 纹 的 宽 度 ， 即0 2X （ 17）9此 处 表 示 放 大 率 。（ 17） 式 得 物 理 意 义 是 ， 衍 射 亮 条 纹 实 际 上 就 是 光 源 （ 即02 缝 ） 的 像 。 因 此 ， 对 于 光 栅 或 类 光 栅 物 体 来 说 ， 光 源 的 扩 展 不 会 降 低 条 纹 的 对 比 度 ， 但 使 得 衍 射 条 纹 展 宽 了 。 正 是 这 个 原 因 ， 光 栅 光 谱 仪 的 实 际 分 辨 本 领 与 光 谱 仪 的 狭 缝 有 关 ， 狭 缝 越 窄 分 辨 本 领 越 高 。 但 是 光 谱 仪 器 的 实 际 分 辨 本 领 不 到 理 论 分 辨 本 领 。 五 、 实 验 步 骤 、 用 读 数 显 微 镜 测 量 单 缝 的 宽 度 W， 以 及 双 缝 的 间 距 个 缝 的 宽 度 a， 一 律 测 量 5次 ， 再 求 平 均 值 ， 然 后 将 读 数 显 微 镜 的 镜 筒 水 平 放 置 。 、 先 将 钠 光 灯 ， 单 狭 缝 和 柱 面 镜 按 图 号 摆 在 光 具 座 上 。 调 节 支 架 的 高 度 使 三者 的 中 心 到 导 轨 的 高 度 相 等 。 然 后 ， 接 通 钠 光 灯 的 电 源 ， 摆 上 读 数 显 微 镜 ， 调 节 它 的 高 低 ， 转 动 显 微 镜 的 手 轮 ， 使 镜 筒 左 右 转 动 ， 直 至 光 源 进 入 物 镜 为 止 。 然 后 转 动 读 数 鼓 轮 ， 使 镜 筒前 后 移 动 ， 可 以 看 到 单 狭 缝 的 像 ， 再 旋 转 目 镜 使 单 缝 的 像 清 楚 为 止 。 、 将 双 缝 插 在 单 缝 和 柱 面 镜 之 间 的 支 架 上 ， 调 节 高 低 和 左 右 位 置 ， 通 过 目 镜 可 以 看 到双 缝 的 夫 琅 禾 费 衍 射 条 纹 。 左 、 右 移 动 双 缝 ， 观 察 衍 射 条 纹 是 否 移 动 ， 如 果 移 动 ， 说 明 衍 射 谱 面 不 完 全 与 像 面 重 合 。 这 时 ， 应 该 转 动 鼓 轮 使 镜 筒 前 、 后 移 动 ， 同 时 左 、 右 移 动 双 缝 ， 直 至 衍 射 条 纹 不 动 为 止 。 这 样 ， 衍 射 谱 面 与 物 镜 道 德 像 面 完 全 重 合 。 、 向 单 狭 缝 方 向 移 动 双 缝 ， 直 到 刚 好 能 分 辨 开 衍 射 条 纹 为 止 ， 测 量 ， 然 后 ， 将 双 缝1 面 镜 方 向 移 动 ， 直 至 衍 射 条 纹 最 清 楚 为 止 ， 测 量 。 计 算 二 者 的 干 涉 孔 径 角 ， 与 理 论 值 1 较 ， 看 是 否 满 足 （ 12） 式 和 （ 13） 式 。 、 转 动 单 狭 缝 （ 或 双 缝 ） 观 察 条 纹 有 何 变 化 ？ 并 说 明 理 由 。 、 用 光 栅 代 替 狭 缝 。 前 、 后 、 左 、 右 移 动 光 栅 ， 观 察 衍 射 条 纹 是 否 有 变 ？ 转 动 单 狭 缝 ，观 察 衍 射 条 纹 有 无 变 化 ？ 为 什 么 ？、用读数显微镜测量相邻两个条纹的间距 ，再测量单狭缝至柱面镜的距离 ，2X 0 它 至 双 缝 的 距 离 l， 已 知 钠 黄 光 的 平 均 波 长 为 ， 光 栅 刻 线 数 为 m ， 将 代 入 （ 16） 式 可 以 推 导 出（ 18）1202 将 测 量 数 据 代 入 （ 18） 式 中 ， 计 算 ， 然 后 利 用 （ 1） 式 计 算 柱 面 镜 的 焦 距 f。2 思 考 题1、 在 实 验 过 程 中 ， 利 用 如 下 现 象 判 断 夫 琅 禾 费 衍 射 谱 面 是 否 与 显 微 镜 的 像 面 重 合 。 即 ：左 、 右 移 动 衍 射 物 （ 如 双 缝 、 光 栅 等 ）。 观 察 衍 射 条 纹 是 否 移 动 ， 如 果 不 动 ， 说 明 二 者 重 合 ；10如 果 移 动 ， 说 明 不 重 合 ， 说 明 理 由 。 2、 当 转 动 单 狭 缝 （ 即 光 源 ） 时 ， 双 缝 夫 琅 禾 费 衍 射 实 验 中 ， 观 察 到 什 么 现 象 ？ 而 在 光栅 夫 琅 禾 费 衍 射 中 ， 又 观 察 到 什 么 现 象 ？ 二 者 有 什 么 区 别 ？ 为 什 么 ？1 实 验 四 色 散 实 验一 、 实 验 目 的 1、 掌 握 通 过 测 量 最 小 偏 向 角 来 测 量 光 学 折 射 率 的 方 法 ；2、 用 最 小 二 乘 法 计 算 色 散 方 程 中 的 系 数 。二 、 实 验 内 容 调 整 仪 器 能 够 观 察 到 棱 镜 的 色 散 谱 线 ， 对 有 关 数 据 进 行 测 量 。三 、 实 验 仪 器 光 仪 一 台 ， 汞 灯 一 台 ， 棱 镜 一 个四 、 实 验 原 理 光 学 玻 璃 的 色 散 方 程 可 以 写 成（ 422 对 于 不 同 的 玻 璃 ， 系 数 A、 B、 同 的 ， 可 以 用 实 验 的 方 法 来 确 定 A、 。 原 则上 ， 测 量 三 个 波 长 对 应 的 折 射 率 之 值 ， 便 可 以 解 出 A、 。 但 是 ， 由 测 量 过 程 中 不 可 避 免地 产 生 误 差 ， 所 以 测 量 三 个 以 上 波 长 对 应 的 折 射 率 之 值 。 这 样 依 据 （ 4中 以 写 出 方 程 组 ，即 ：42212 4222 432323 （ 422 使 用 最 小 二 乘 法 原 理 ， 可 以 解 出 A、 。 然 后 将 这 三 个 系 数 代 入 方 程 （ 4中 ， 便得 到 已 知 牌 号 玻 璃 的 色 散 方 程 。12测 量 折 射 率 的 方 法 很 多 ， 本 实 验 使 用 最 小 偏 向 角 法 。 见 图 4、 和 分 别 表 示12棱 镜 位 顶 角 ， 入 射 角 和 折 射 角 。 当 时 ， 折 射 光线 角 （ 即 入 射 光线 射21光线 角 ） 最 小 ， 称 之 为 最 小 偏 向 角 ， 用 表 示 它 。 根 据 折 射 定 律 有 （ 4 3）11i 22i当 时 ， 。 根 据 的 内 角 之 和 等 于 180可 以 推 导 出21 21 N 1 2图 4 实 验 原 理 图 （ 4 4）221 的 外 角 等 于 不 相 邻 的 内 角 之 和 ， 可 以 推 导 出 4 5）2 将 （ 4 4） 式 和 （ 4 5） 式 代 入 （ 4 3） 式 中 得（ 4 6）2 ， 用 分 光 仪 （ 测 角 仪 ） 测 量 出 和 ， 便 可 以 用 （ 4 6） 式 计 算 出 。 因 此 ， 该 的 关 键 在 寻 找 最 小 偏 向 角 。 为 最 小 偏 向 角 是 唯 一 的 ， 即 只 有 当 ： 时 ， ， 其 它 位 置 。 于 是21 最 小 偏 向 角 可 以 这 样 来 寻 找 ：（ 见 图 43以 入 射 光 线 度 原 点 （ 即 零 位 ）0用 望 远 镜 瞄 准 出 射 光 线 方 向 平 行 轴 线 为 转 轴 转 动 棱 镜 ， 也 将 发 生 变 化 。 由 于 存 在 最 小 偏 向 角 ， 所 以（ 入 射 光 与 出 射 光 夹 角 ） 始 终 大 于 一 个 角 度 。 调 整 到 时 ， 左 旋 或 右 旋 棱 镜 出 射 光 线 都 会 向 转 ， 细 心 微 量 反 复 转 动 棱21镜 。 瞄 准 这 一 极 限 位 置 ， 即 是 最 小 偏 向 角 位 置 。 五 、 实 验 步 骤1、 调 整 分 光 仪（ 1） 先 将 棱 镜 放 在 载 物 台 上 ， 用 半 补 偿 法 使 得 棱镜 法 线 与 望 远 镜 的 光轴 平 行 。 （ 2） 接 通 汞 灯 电 源 开 关 ， 将 棱 镜 按图 4 图 摆 好 ， 在 棱镜 侧 向 底边 远 镜 ， 找 到 汞 灯 的 光 谱 线 。 将 望 远 镜 瞄 准 某 条 谱 线 （ 如 紫 线 ）。 如 果 谱 线 不 清 楚 ， 先 调 整望 远 镜 的 目 镜 ， 使 得 分 划 板 上 的 黑 十 字 线 最 清 楚 为 止 。 然 后 ， 前 后 移 动 平 行 光 管 的 狭 缝 。 使 得 谱 线 刚 好 在 分 划 板 上 。 这 时 摆 动 眼 睛 ， 谱 线 相 对 黑 十 字 线 不 动 。 如 果 谱 线 过 宽 ， 调 节 狭 缝 的 宽 度 使 谱 线 变 窄 。 如 果 谱 线 偏 低 或 偏 高 ， 调 节 平 行 光 管 下 面 的 螺 钉 ， 使 谱 线 居 中 ， 最 后 取 下 棱 镜 。 转 动 望 远 镜 使 得 分 划 板 上 的 竖 直 黑 线 与 狭 缝 亮 像 的 中 心 对 齐 。 锁 住 望 远 镜 ， 打 开 载 物 台 的 锁 紧 螺 钉 ， 并 转 动 它 使 得 右 侧 游 标 的 零 刻 线 与 度 盘 的 零 刻 线 对 齐 ， 而 左 侧 的 游 标 的 零刻 线 与 度 盘 的 刻 线 对 齐 。 这 两 个 位 置 便 是 右 、 左 两 侧 读 数 的 零 位 。 锁 好 载 物 台 的 锁 紧 螺180钉 ， 准 备 测 量 。 2 测 量 棱 镜 的 顶 角 将 棱 镜 放 在 载 物 台 上 的 适 当 位 置 （ 使 便 于 测 量 ） 上 。 转 动 望 远 镜 使 得 从 射 回 来 的 黄 色 十 字 线 的 竖 线 与 分 划 板 的 黑 十 字 线 的 竖 线 对 齐 ， 这 时 望 远 镜 的 光 轴 垂 直 于棱镜 也 就是 法线 于 望 远 镜 的 光 轴 。 记 下 左 、 右 盘 的 读 数 ， 平 均 值 ， 然 后 按 同 样 方 法 测 量 线 的 读 数 即21 21 2121 （ 4 7）|180 反 复 测 量 5次 ， 取 平 均 值 。3 测 量 紫 光 （ ） 的 最 小 偏 向 角将 棱 镜 按 图 4 路 摆 在 分 光 仪 的 载 物 台 上 ，用 眼 睛 可 以 看 到 汞 灯 的 各 种 颜 色 的 谱 线 。14再 转 动 望 远 镜 大 致 使 分 划 板 的 竖 十 字 黑 线 与 紫 线 对 齐 ，此 时 按 照 上 面 讲 的 方 法 ，转 动 载 物 台 ，使 紫 光 谱 向 入 射 光 线 方 向 偏 转 。当 转 动 到 某 一 位 置 时 如 再 继 续 转 动 ，谱 线 会 向 相 反 方 向 移 动 。转 动 望 远 镜 瞄 准 这 一 位 置 ， 在 这 一 位 置 附 近 微 量 来 回 转 动 载 物 台 ， 观 察 谱 线 运 动 ， 并 使 谱 线 移 动 到 与 入 射 光 轴 最 近 的 地 方 ， 瞄 准 这 一 位 置 ， 记 下 读 数 、 ， 则左R 右R)180(21 右左 然 后 再 重 复 测 量 三 次 ， 计 算 平 均 值 及 均 方 误 差 。 测 量 兰 光 ， 黄 绿 光 和 红 光 的 最 小 偏 向 角 方 法 同 3， 每 种 都 要 测 量 三 次 ， 注 意 各 种 颜 色光 之 间 最 小 偏 向 角 测 定 之 后 ， 都 应 校 对 度 盘 零 位 是 否 移 动 ， 如 移 动 应 加 以 补 偿 。 、 思 考 题1 怎 样 使 用 色 散 方 程 计 算 棱 镜 的 角 色 散 ？ 并 且 计 算 黄 双 线 的 角 间 距 ？ 2 怎 样 使 用 色 散 方 程 计 算 棱 镜 的 理 论 分 辨 本 领 ？15 实 验 五 旋 光 实 验一 、 实 验 目 的 1、 掌 握 三 分 视 场 测 量 振 动 面 旋 转 的 原 理2、 测 量 溶 液 的 旋 光 率二 、 实 验 内 容 调 整 旋 光 仪 ， 观 察 现 象 ， 测 量 蔗 糖 溶 液 的 浓 度 。三 、 实 验 仪 器 度 盘 旋 光 仪 ， 量 杯 二 只 ， 天 平 一 台四 、 度 盘 旋 光 仪 的 工 作 原 理图 5 1该 仪 器 的 光 学 系 统 如 图 5 。 由 光 源 射 出 的 光 （ ） 经 过 聚 光 镜 、 色 片 和 起 偏 器 之 后 成 为 线 偏 振 光 。 然 后 均 匀 的 照 射 到 半 波 片 上 。 半 波 片 由 石 英 晶 体 制 成 ， 中 央 切 掉 一 条 。 设 半 波 片 的 快 轴 与 起 偏 器 的 透 射 轴 成 角 ， 则 透 过 半 波 片 后 ， 三 分 视 场 中 的 线偏 振 动 方 向 如 图 5 。 设 检 偏 器 的 透 射 轴 与 起 偏 器 的 透 射 轴 之 间 的 夹 角 为 ， 由 于 三 分视 场 的 中 央 没 有 半 波 片 。 因 此 ， 线 偏 振 光 的 振 动 方 向 旋 转 角 ； 见 图 5a）， 设 检 偏 器 的2透 射 轴 平 行 半 波 片 的 慢 轴 ， 仪 器 的 半 波 片 与 度 盘 联 动 ， 设 此 时 的 读 数 为 ， 则 经 过 检 偏 器 之0后 ， 三 分 视 场 中 的 照 度 分 别 为 2031 202 63快轴 慢轴 偏图 5 2此 时 三 分 视 场 的 照 度 是 均 匀 的 ， 见 图 5-3(b)。 式 中 ， 表 示 透 过 起 偏 器 的 光 强200 。 如 果 起 偏 器 转 动 角 （ 读 数 为 ， 则 ）。 见 图 5b）；则 透 过 检 偏 器 之 后 ， 0 三 分 视 场 的 照 度 分 别 为（ 5 1）)(021 5 2）)(2 偏 器 转 动 时 ， 即 ， 由 （ 1） 式 和 （ 2） 式 分 别2 02I 3快 轴 慢 轴 偏图 5 3此 时 ， 三 分 视 场 中 央 最 暗 ， 两 侧 亮 ， 见 图 5a）。 当 检 偏 器 转 动 时 ， 即， 由 （ 5 1） 式 和 （ 5 2） 式 得0 031 3快轴 慢轴 偏图 5 4此 时 ， 三 分 视 场 中 央 亮 ， 而 两 侧 变 暗 ， 见 5C）， 刚 好 与 图 3(a)的 照 度 反 转 。 当 检偏 器 转 动 ， 即 ， 则 三 分 视 场 的 照 度 为90 900 202 时 ， 三 分 视 场 中 央 最 亮 ， 而 二 侧 较 暗 ， 见 图 5d）当 检 偏 器 旋 动 ， 即 时 ， 则90 900 20321 此 时 ， 视 场 照 度 均 匀 ， 见 图 5e）； 但 是 与 图 5d） 的 照 度 不 同 ， 二 者 互 补 ， 而 且角 越 小 ， 二 者 的 区 别 越 大 ， 当 检 偏 器 转 动 ， 即 时 ， 则 90 90031 2时 ， 管 三 分 视 场 两 侧 最 亮 ， 而 中 央 较 暗 ； 见 图 5f）， 当 和 1800时 ， 分 别 重 复图 4a、 b和 c。 如 果 检 偏 器 继 续 转 动 到 ， 则 重 复 出 图 5180 360（ d） 、 (e)、 (f)。 因 此 ， 三 分 视 场 法 的 测 量 范 围 为 ， 我 们 选 取 图 5-4(b)为 零 位 ， 如 果180旋 光 溶 液 使 得 振 动 面 旋 转 角 ， 则 三 分 视 场 的 照 度 分 别 为 （ 5 3）)(031 5 4）)02 快 轴 慢 轴 偏图 5 5当 时 ， 则0 20231 再 次 出 现 视 场 均 匀 的 情 况 ， 即 图 5b）。 因 此 ， 如 果 试 管 内 没 有 注 入 有 溶 液 时 ， 转 动 手 轮使 得 视 场 出 现图 5b） 的 情 况 ， 记 下 读 数 ； 注 入 溶 液 后 ， 再 转 动 手 轮 ， 使 得 视 场 重 新0出 现 图 5b） 的 情 况 ， 记 下 读 数 ， 则 溶 液 的 旋 光 角 为 （ 5 5）0 如 果 ， 则 是 右 旋 物 质 ； 如 果 ， 则 是 左 旋 物 质 ， 这 便 是 旋 光 仪 测 量 溶 液 旋 光 角0 0 的 原 理 ， 由 于（ 5 6）式 中 ， 表 示 溶 液 的 旋 光 率 ， 它 是 温 度 和 浓 度 的 函 数 ； 溶 液 的 浓 度 （ 即Tg/10; 试 管 的 长 度 （ 单 位 未 如 果 已 知 C， 是 可 以 由 （ 5 6） 式 计 算 出（ 5 7）)/(100 2如 果 已 知 ， 则 可 以 由 （ 5 7） 式 计 算 出 溶 液 的 浓 度T （ 5 8）)100/(100C 19五 、 实 验 步 骤 1、 测 量 蔗 糖 的 旋 光 率（ 1） 用 一 只 量 杯 量 出 100 馏 水 ， 然 后 倒 入 5 并 摇 晃 量 杯 直 到 完 成 溶 解 为 止 。再 将 糖 溶 液 注 入 长 度了 L=2 管 中 ， 将 螺 母 旋 上 ， 使 其 不 漏 溶 液 。 但 是 ， 不 要 将 螺 母旋 的 过 紧 ， 引 起 保 护 玻 璃 产 生 应 力 ， 影 响 读 数 的 正 确 性 。（ 2） 将 旋 光 仪 调 整 到 视 场 出 现 图 5 4（ b） 的 情 况 ， 记 下 左 右 读 数 ， 即 左 右 。00（ ） 放 入 试 管 ， 转 动 手 轮 ， 使 视 场 中 重 新 出 现 图 5 4（ b） 的 情 况 ， 记 下 左 右 读 数 左 右 。 按 （ 2）（ 3） 步 骤 重 复 5次 ， 将 试 验 数 据 填 入 表 1中 ， 计 算 旋 光 角 的 均 方 差 ， 以 及 析 糖 的 折 光 率 T2、 测 量 蔗 糖 溶 液 的 浓 度（ 1） 用 另 一 只 量 杯 量出 100 馏 水 ， 然 后 倒 入 少 许 蔗 糖 摇 晃 量 杯 直 到 完 全 溶 解 为止 。 （ 2） 按 上 述 （ 2） 、 （ 3） 步 骤 进 行 测 量 ， 并 将 数 据 填 入 表 1， 然 后 计 算 析 糖 溶 液 的 浓 度 。做 完 实 验 ， 将 试 管 冲 洗 数 次 ， 然 后 擦 干 。 六 、 思 考 题1、 你 能 用 实 验 的 方 法 测 量 半 波 片 快 轴 与 起 偏 器 的 透 射 轴 之 间 的 夹 角 吗 ？ 度 盘 旋 光 仪 的 角 是 多 少 ？2、 如 果 =45,问 对 角 度 的 测 量 范 围 和 零 位 误 差 有 何 影 晌 ？020 实 验 六 偏 振 光 实 验一 、 实 验 目 的 1、 加 深 对 偏 振 光 理 论 的 理 解 、 掌 握 偏 振 器 件 的 原 理 及 使 用2、 掌 握 偏 振 光 的 产 生 及 检 测 方 法二 、 实 验 内 容 实 验 产 生 偏 振 光 的 几 种 方 法 ， 验 证 马 吕 斯 定 律 ， 偏 振 光 的 检 验 ， 薄 片 的 作 用 。三 、 实 验 仪 器激 光 器 、 偏 振 光 实 验 台 、 白 炽 灯 （ 带 绿 色 滤 光 片 ） 线 偏 振 片 、 1/4波 片 、1/2波 片 、 玻 璃 片 堆 、 晶 片 、 有 机 玻 璃 试 样 。四 、 实 验 原 理 光 波 是 一 种 横 波 ， 它 的 光 矢 量 是