实验光学平台说明书

1、GSZ-2B型 光学平台（26例实验）使用说明书GSZ-2B型光学平台可供大专院校普通物理实验课开设光学实验使用。本说明书 举例说明的26项实验涵盖了几何光学、波动光学和信息光学比较重要的基础课题， 大部分有测量要求，少部分限于观察现象。各实验所需学时长短不一，教师可按教学 要求搭配实验容，组织实验课教学。主要技术参数和规格:平台尺寸mm标称重量kg台面距地高度cm平台桌子1200 X 800 X 12011061911500X1000X 130192.5100921800X1000X150242.514094隔震导磁台面不平度：v 0.05mm附件一览表:名称数量备注名称数量备注三维平移底座

2、1菲涅耳双镜1二维平移底座2三棱镜（60。）1升降调节座2反射光栅（1200 L/ mm）130X30通用底座5透射光栅 (20 L/ mm)1旋转透镜架2正交光栅 (50 L/ mm)1二维架2网格字1透镜架2微尺分划板1/10 mm1延伸（过渡）架1毫米尺（1-30 mm）1带毛玻璃光栅转台1e调制板1干版架2劳埃德镜1白屏1偏振片2物屏1多孔板1名称数量备注名称数量备注载物台11/4 波片(入=632.8 nm)1测微狭缝2双棱镜1测节器（节点架）1幻灯片1正像棱镜1频谱滤波器、零级滤波器12种带二角架标尺1落地式小工艺品1全息用测微目镜架1牛顿环1双棱镜调节架145°玻璃架1

3、激光器架1双缝1光学测角台1白板(70 X 50 mm)1冰洲石镜1透光十字1方形毛玻璃架1白光源(12 V35 W)1纸架1汞灯（20 W）1透镜(f =4.5、6.2mm)各1扩束器钠灯(20 W)1目镜和物镜各1f= 29、105mm氦氖激光器（1.5-2 mW）1透镜(f =45、50、70、150、190、225、300、- 100mm)各1读数显微1球面镜(f = 500 mm)1全息干版1平面镜（0 36X4）2气室、血压表和橡胶球1分束器(0 30X4)27:3,5:5（个别附件变动，恕不另行通知）仪器的维护与保养：1所有光学玻璃器件应注意保持清洁， 避免各种污染。若落上灰尘，

4、可用洗耳球、 软毛刷除尘，用细绒布擦净。有指纹、污渍应用脱脂棉浸少量乙醇乙醚混合液（7:3）擦掉。在潮湿季节应特别加强保护。2机械结构的转动和滑动部位可酌加少量润滑油。平台上宜涂擦极薄的一层机油，以利保护表面。实验举例：1用自准法测薄凸透镜焦距 42 用贝塞耳法（两次成像法）测薄凸透镜焦距 53 由物象放大率测目镜焦距 74 由物距一像距法测凹透镜焦距 95 透镜组节点和焦距的测定 106 自组投影仪 127 测自组望远镜的放大率 138 自组带正像棱镜的望远镜 159 测自组显微镜的放大率 1610氏双缝实验 1811菲涅耳双棱镜干涉 2012菲涅耳双镜干涉 2113劳埃德镜干涉 2314牛

5、顿环 2515用干涉法测定空气折射率 2716夫琅禾费单缝衍射 3017夫琅禾费圆孔衍射 3318菲涅耳单缝和圆孔衍射 3419直边菲涅耳衍射 3620光栅衍射 3721光栅单色仪 4022偏振光的产生和检验 4223全息照相 4724制做全息光栅 5025阿贝成像原理和空间滤波 53269调制 581用自准法测薄凸透镜焦距实验原理光的可逆性原理：当光线的方向返转时，它将逆着冋一路径传播。依此原理可测量薄凸透镜的焦距。当物屏在焦点或焦平面上时，经透镜后光是平行光束，经平面镜反射再经透镜后成像于原物处。因此，物屏到透镜中心的距离就是透镜焦距f。实验装置（图1-1）1:白光源S（ GY-6）2:物

6、屏 P （SZ-14）6:二维架（SZ-07）7:二维平移底座（SZ-02）3:凸透镜 L( T-GSZ-A10, f ' =190 mm8三维平移底座 （SZ-01）4: 二维架（SZ-07）9:通用底座（SZ-04）5:平面镜 M (T-GSZ-A16 )10:通用底座（SZ-04）图1-1实验步骤1）参照图1-1，沿米尺装妥各器件，并调至共轴；调共轴方法（粗调）：先将透镜等光学器件向光源靠拢，调节高低，凭目视使光源、物屏中心、透镜光心、像屏的中央大致在一条与平台平行的直线上。2） 开启光源，照明物屏，移动L和M，直至在物屏上获得镂空图案的倒立实像（白光源自身携带毛玻璃，使用毛玻璃

7、可使图案更加均匀，明显）；3）调节平面镜 M和凸透镜L的俯仰和左右并前后微动 L,使在物屏上看到最清晰 且与物屏图案等大倒立的实像（充满同一圆面积）4）分别记下 P和L的位置a1、a2；5）将P和L都转180°之后（不动底座），重复做前4步;6）记下P和L新的位置bi、b2;7）计算：faa2aifbb2bi可以在像图2-1(fa fb)22用贝塞耳法（两次成像法）测薄凸透镜焦距实验原理若保持物屏P与像屏（白屏H）之间的距离I不变且l>4f,沿光轴方向移动透镜，屏上观察到两次成像：一次成放大的倒立实像，一次成缩小的倒立实像。在两次成像时透镜移动的距离为d ,则不难得出透镜的焦距

8、为2 2r I d4I实验装置（图2-1）1:白光源 S（GY-6）5:白屏 H （SZ-13）2 :物屏P （SZ-14）6： 二维平移底座（SZ-02）3:凸透镜 L （T-GSZ-A10， f =190 mm）7:三维平移底座（SZ-01）4:透镜架(SZ-08)8-9:通用底座（SZ-04）图2-2实验步骤1）按图2-1沿米尺布置各器件并调至共轴，再使物屏与白屏距离丨4f ;2）开启光源，将透镜L紧靠物屏P,慢慢的向白屏 H移动，使被照亮的物屏图案在白屏上成一清晰的放大像，记下L的位置ai、物屏P和白屏H间的距离I ;（白光源自身携带毛玻璃，使用毛玻璃可使图案更加均匀，明显）；3） 再

9、移动L,直至在像屏上成一清晰的缩小像，记下L的位置a2 ；4）将P、L、H转180° （不动底座），重复做前3步，又得到L的两个位置bi、b2 ；5）计算：da a2 ai ； db b? bifaI2 da2I24I4I待测透镜焦距：f a b3由物像放大率测目镜焦距实验原理透镜组、目镜、物镜等几个透镜的组成，测量它们的焦距不能直接使用物像公式法。对于 组合透镜，如图:LeM 微尺分划板（1/10mm），Le待测目镜，Me 测微目镜假设物距为（-s）,像距为s',并且测得M板的物宽为y, Me目镜测得像宽为y；由横向放大率如果物由一个位移 s,对应的像的位移为 s'

10、,由轴向放大率的定义: s' a - s由纵向放大率和横向放大率的关系: s'2a=m s s' s' s-对微分得：smm由物像公式丄丄1得：f'f' s' s- s' m s'S* s'像的位置改变 m m2 m1 横向放大率的改变因此,只要测出像的位置改变及横向放大率的改变就能得到目镜或组合透镜的焦距。实验装置(图 3-1)1 :白光源S (GY-6 )7 :测微目镜架（SZ-36）2: 1/10 微尺分划板 M (T-GSZ-A27)&测微目镜Me （XW-1）3 :双棱镜架（SZ-41）9:二维平

11、移底座（SZ-02）4:延伸架 (SZ-09)10:二维平移底座（SZ-02）5 :待测目镜 Le (GSZ-2B-02, f'e=29mm)11:升降调节座（SZ-03）6:透镜架(SZ-08)12:通用底座（SZ-04）图3-1Inll实验步骤1) 按图3-1沿米尺安排各器件，并调节共轴；2) 开启光源，将 M、Le、Me紧靠在一起然后让 M、Me逐渐远离Le ,直至在测微目镜中看到 清晰的微尺放大像，并与 Me分划板无视差；3) 测出1/10 mm微尺刻线的像宽，求出其放大倍率mi，并分别记下 Me和Le的位置ai、bi；4) 把Me向后移动30-40 mm，并缓慢前移Le，直至

12、在测微目镜中又看到清晰的与ME分划板 刻线无视差的微尺放大像；5) 测出新的像宽，求出放大率m2,记下ME和Le的位置a2、b2；6) 计算：口*=像宽/实宽；象距改变量：s=(a2 a1)+(b1 b2)待测目镜焦距f'= s / (m2 m1)4用物距-像距法测凹透镜焦距实验原理直接测量凹透镜的物距、像距难以两全。我们只能借助于凸透镜成一个倒立缩小的实像作 为凹透镜的虚物，虚物的位置可以测出。凹透镜能对虚物成一实像，实像的位置可以测出。这样一来，就可以用公式 求出凹透镜焦距。实验装置（图4-1）1 :白光源S（ GY-6）2 :物屏 Pi（SZ-14）1 1 1 u v f7:像屏

13、 P2( SZ-13)8:普通底座(SZ-04)9:升降调节座（SZ-03）3:凸透镜 L1(T-GSZ-A08, f 70mm )4 :透镜架（SZ-08）10:升降调节座（SZ-03）5:凹透镜 L2 (T-GSZ-A39, f100mm )11 :普通底座(SZ-04)6:透镜架(SZ-08)12:普通底座（SZ-04）图4- 1图4-2实验步骤1）按图4-1沿米尺安排各器件，并调节共轴；2） 开启光源，使被面光源照亮的物屏 P1通过凸透镜L1在像屏P2上成清晰像时，P1与P2的距 离稍大于凸透镜焦距的 4倍。记下L1和P2在导轨上的位置读数（白光源自身携带毛玻璃，使用毛玻璃可使图案更加

14、均匀，明显）。3） 在凸透镜和像屏之间加入待测的薄凹透镜L2,调同轴，向稍远处移动像屏，直至屏上又 出现清晰的像（参见图 4-2）。记下L2和像屏P2 的位置读数。4 ）以L2P2距离为物距 U，以L2P2距离为像距V,将数值代入式 1/u 1/ V 1/ f，计算 被测透镜的焦距。5透镜组节点和焦距的测定实验原理节点定义为轴上角放大率等于1的共轭点。物方节点记作N，像方节点记作 N'。节点的物理图5-1行光束所成的像点将不发生位移。因此，这是确定厚透镜或透镜组节点（主点）的一种实验方法。实验装置（图5-2）7:测节器（SZ-28）&白屏（SZ-13）9: 二维平移底座（SZ-

15、02）10 :二维平移底座（SZ-02）11: 升降调节座（SZ-03）12:升降调节座（SZ-03）1 :白光源S ( GY-6)2 :毫米尺 仃-GSZ-A22)3 :双棱镜架(SZ-41)4:物镜 Lo (T-GSZ-A09, f。=150 mm)5:透镜架(SZ-08)13 :通用底座（SZ-04）图5-26:透镜组 L1、L2 (T-GSZ-A12, £ =300 mm ;T-GSZ-A10, f2 =190 mm)实验步骤1） 参照图5-2,先调节毫米尺与准直物镜 Lo的距离为150mm，使通过Lo的光束为平行光束。2）加入节点架和白屏，调共轴，同时移动白屏，找到毫米尺的

16、清晰像。3） 沿节点架导轨前后移动透镜组L1、L2，同时相应地前后移动白屏，直到节点架绕轴作不大的转动时，白屏上面的毫米尺像无横向移动为止（此时像方节点N '即在节点架的转轴上）。4） 分别记下白屏和节点架在米尺导轨上的位置a和b,并从节点架导轨上记下透镜组中间位置（有标线）节点架转轴中心的偏移量do5） 将测节器转动180°,重复3、4两步，测得另一组数据 a'、b'、d'。 数据处理A、像方节点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偏离透镜中心的距离为 d透镜组的物方焦距 f a bB、用1 : 1的比例画出被测透镜组及其

17、各种基点的相对位置。6自组投影仪实验原理投影仪的主要部分是一个会聚的投影镜头（放映物镜L2）,将画片（幻灯片P）成放大的实像于屏幕上（见光路图 6-1）。物镜到像平面的距离v比物镜焦距f大很多，所以幻灯片总在其物方焦面的附近，物距 U2甘，因而放大率 V=-V2/U2V2/f,它与像距V2成正比。实验装置（图6-1 ）1:白光源 S （GY-6）8:白屏 H （SZ-13）2 :聚光透镜 Li (T-GSZ-A07, £ =50 mm)3:透镜架 (SZ-08)4:幻灯片P ( HDP)5:干版架(SZ-12)6:放映物镜 L2 (T-GSZ-A10, f° =190 mm

18、 )1*1A测 1=9:通用底座（SZ-04）10:二维平移底座（SZ-02 ）11:升降调节座（SZ-03）12:二维平移底座（SZ-02）13:通用底座（SZ-04）7:透镜架 (SZ-08)图6-1实验步骤1）按图6-1排光路，调共轴。2） 使L2与H相距约1.2 m （对较短平台，可用白墙代屏）前后移动P,使其在H上成一清 晰放大像。3） 使L1固定在紧靠幻灯片 P的位置，取下P,前后移动光源，使其成像于L2所在平面。4 ）重新装好幻灯片，观察屏上像的亮度和照度的均匀性。5）取下L1，观察像面亮度和照度均匀性的变化。放映物镜焦距和聚光镜焦距的选择放映物镜：f2 (M /(M 1)2)D

19、22聚光镜：fi D2 /(M 1) D2/(M 1) 1/ Di其中：D2 U2 V2;D1 u1 v1M为像的放大率。7测自组望远镜的放大率实验原理望远镜由物镜和目镜组成， 物镜的焦距大于目镜的焦距，组成特点是两透镜的光学间隔近乎为零,物镜和目镜都是会聚透镜的为开普勒望远镜（如图7-2 ）。图7-1望远镜视角放大率（放大本领）定义为：r=-u'/uU 物对物镜的视角，U'最后像对目镜的视角因望远镜的光学间隔，通过计算可得：r= -f0'/fe'测量时，测出未经望远镜放大的标尺上两个红色指标间的"E”字间距d （ d =5cm），再通1 1 过望远镜

20、测出对应的间距 d2,则望远镜的测量放大率r=-d2/d1如果标尺在有限距离（物距）S处，则测量放大率应为r= rS+ fo'1 :标尺(SZ-33)2 :物镜 Lo ( T-GSZ-A11, fo =225 mm)实验装置（图7-2）6 :三维平移底座（SZ-01）5:透镜架（SZ-08）3:透镜架（SZ-08）7:二维平移底座（SZ-02）4 :目镜 L e (T-GSZ-A06, fe =45 mm )图7-2SS f。当S'> 100 fo时，修正量SS fo实验步骤1） 按图7-2组成开普勒望远镜，向约3 m远处的标尺调焦，并对准两个红色指标间的“ E字（距离

21、di=5 cm）；2）用另一只眼睛直接注视标尺，经适应性练习，在视觉系统获得被望远镜放大的和直观的标尺的叠加像，再测出放大的红色指标直观标尺的长度d2；3）求出望远镜的测量放大率 r d2，并与计算放大率 主作比较;d1fe注：标尺放在有限距离 s远处时，望远镜放大率 r可做如下修正：8自组带正像棱镜的望远镜实验原理4590°图8-1本实验自组的望远镜属于开普勒式望远镜，其原理由两个凸透镜构成。由于两者之间成一个实像，可方便的安装分划板，但这种 结构成像是倒立的，如果想要观察到正像，可以借助正像棱镜系统。正像棱镜系统如图8-1,两块45°-90°棱镜组合而成，又称

22、组合泊罗棱镜， 从图中光束箭头走向 可说明图像的翻转过程。实验装置（图8-2）1 :标尺(SZ-33)6:目镜 Le(T-GSZ-A06, fe =45 mm)2 :物镜 Lo（ T-GSZ-A11, fo =225 mm）3:透镜架 （SZ-08）4:正像棱镜系统 （SZ-30）7:透镜架 （SZ-08）&二维平移底座（SZ-02）9 :升降调整座（SZ-03）10:二维平移底座 （SZ-02）75 :干版架（SZ-12）图8-2实验步骤1） 参照图8-2，沿平台米尺先组装不加正像棱镜的望远镜（物镜和目镜间距约为270mm）， 并对位于光轴上的约 3m远处的标尺调焦，认清该尺所成的倒

23、像。2） 按图8-2所示，在Lo的像面前方安置正像棱镜 *，并相应调节目镜高度，找到标尺的正 像。9测自组显微镜的放大率实验原理物理实验中常用的移测显微镜（读数显微镜）也有一个由目镜和物镜组成的共轴光学系统，它通常由4片以上透镜组成的系统，可以简化成两个凸透镜组成的放大光路（图9-3）。被观察的物体 AB放在物镜Lo的物方焦点Fo的外侧附近，先经Lo成放大实像于目镜物方焦点Fe侧附近，再经目镜 Le成放大虚像A B于明视距离以外。显微镜的视角放大率其中为物AB在明视距离处所视角， 即y/so，为放大虚像AB所的视角，与AiB所视角一样，故有Myi/ fE 上y/soy式中yi / y Vo，是

24、物镜的横向放大率；电fE经过变换可得显微镜视角放大率M式中负号表示像是倒立的。实验装置（图9-2）1:低压钠灯S （GY-5B）2: 1/10 mm 微尺 M1（ T-GSZ-A27）3:二维架（SZ-07）鱼Me是目镜的视角放大率。S0fO fE9:毫米尺 M 2（ T-GSZ-A22）10：双棱镜架（SZ-41）11：升降调节座（SZ-03）4 :物镜 Lo( T-GSZ-A06, fo =45 mm)12:三维平移底座（SZ-01）5 :透镜架（SZ-08）6 :透镜架（SZ-08）7 :目镜 Le （ GSZ-2B-02, fe =29mm ）13:二维平移底座（SZ-02）14:升降

25、调节座（SZ-03）15:白光源（GY-6）（图中未画）图9-2图9-3实验步骤1）参照图9-2和9-3布置各器件，调等高同轴；2）将透镜Lo与Le的距离定为24 cm ；3） 沿米尺移动靠近光源微尺M1,从显微镜系统中得到微尺清晰的放大像；4）在Le之后置一与光轴成 45°角的玻璃架（SZ-45），距此玻璃架25 cm处,放置一白光源（图中未画出）照明的毫米尺M2；5）微动物镜前的微尺，消除视差，读出未放大的M230mm所对应的M1的格数a；显微镜的测量放大率 M30 10;显微镜的计算放大率 M '10氏双缝实验实验原理氏双缝干涉原理如下图:%-*<2ithS单缝S

26、1S2双缝P观察屏如果S在S1S2中心线上，则可以证明双缝干涉的光程差 = r 2-dsirt) = dx式中d为双缝间距,B为衍射角，I为双缝至观察屏的间距由干涉原理，当相邻明纹或相邻暗纹的间距可以证明是相等的,因此，入=凶测出|，用显微镜测双缝间距d可得光波的波长。实验装置（图10-1）1:钠灯（GY-5B，加圆孔光阑）2 :透镜 L1 （T-GSZ-A07, f =50）3 :二维架（SZ-07）昭纹 d入 x=-ld，用测微目镜测相邻条纹的间距 x,计算10:延伸架（SZ-09）11:测微目镜架（SZ-36）12:测微目镜M （XW-1）4 :透镜架（SZ-08）13:三维平移底座 （

27、SZ-01）5 :测微狭缝 S ( SZ-27B )14:二维平移底座(SZ-02)6 :透镜 L2 (T-GSZ-A09, f =150mm)15 :升降调节座（SZ-03)7 :透镜架（SZ-08）16:二维平移底座(SZ-02)&双棱镜调节架（SZ-41）17:升降调节座（SZ-03)9 :双缝 D (T-GSZ-A32)14L1图 10 - 14411 12iII实验步骤，使钠光通过透镜 L1会聚到狭缝SD置于L2近旁。在调节好 S，D和1）参照图10-1沿平台布置各器件并调至共轴。开启光源上，用透镜L2将S成像于测微目镜分划板 M上，然后将双缝M的mm刻线的平行，并适当调窄

28、S之后，目镜视场出现便于观测的氏条纹。2）用测微目镜测量干涉条纹的间距 x,用米尺测量双缝至目镜焦面的距离I，用显微镜测量双缝的间距d,根据x 计算钠黄光的波长 。d11菲涅耳双棱镜干涉实验原理菲涅耳双棱镜有两个很小（1 ）的棱镜角（见图11- 1 ）。从狭缝S发出的光波经这两个棱镜角折射，形成稍许倾斜的两束光，在其相遇的区域即发生干涉现象，用屏幕M可以接收干涉条纹。S1和S2是S经折射后产生的两个虚像，相当于氏双缝，可称虚光源。设S至M的距离为1=1 1 + 1 2（ Si和S2与S近似在同一平面上）,为二虚光源的距离，相邻明条纹或暗条纹间距为X ,测出这几个长度，即可利用式一X计算出单色光

29、的波长。l8:测微目镜架（SZ-36）9:测微目镜（XW-1）3:透镜架（SZ-08）4:透镜架（SZ-08）5:测微狭缝（SZ-27B ）6:双棱镜架（SZ-41 ）图 11-1为了测量虚光源距离d,可利用透镜放大率公式 d Ud，式中u是狭缝至凸透镜的距离,vv是凸透镜到测微目镜的距离，d是二虚光源像间的距离。实验装置（图11-2）1:钠灯(GY-5B)2 :透镜 L1 (T-GSZ-A07, f ' =50 mm10: 升降调节座（SZ-03）11: 二维平移底座（SZ-02）12 :二维平移底座（SZ-02 ）13: 升降调节座（SZ-03）另备凸透镜 L2 （T-GSZ-A1

30、0, f' =190 mm 及架、座）图 11-2实验步骤1）参照图11-2沿米尺安置各器件，调至共轴2） 开启光源，使钠黄光通过透镜L1会聚在狭缝上。狭缝要尽量窄，双棱镜的棱脊与狭缝须 平行地置于L1和测微目镜的光轴上，以获得清晰的干涉条纹。L2在测微目镜分划板上成一虚光源的4）保持狭缝和双棱镜位置不动，在双棱镜后用凸透镜放大实像，并测得间距d',再据成像公式算出二虚光源间距d5） 根据公式（d /1） x计算钠黄光波长。12菲涅耳双镜干涉实验原理菲涅耳双镜由两个同样的平面镜 （可以用两块黑玻璃镜） 组成（图12- 1）,二镜夹角 很小, 一个镜面可微调，以改变这个夹角。单色

31、光通过狭缝S之后，被两个镜面反射的同时，波阵面即被分成两部分传播，在交叠区域发生干涉现象，产生明暗相间的干涉条纹。用测微目镜可接收并 测出在M屏上的一组相邻条纹的间距x。虚光源Si和S2是次级光源S的由反射形成的两个虚像。设S （Si, S2）到双镜交线的距离为 r，二镜交线到屏 M的距离为Io,则r Io I，再设虚光源S1S2距离为d,则单色光波长仍按式d x计算。d的测量方法与双棱镜实验相同。I实验装置（12-2）1 :钠灯(GY-5B,加圆孔光阑)2 :透镜(T-GSZ-A07, f'=50)3:透镜架(SZ-08)4:透镜架(SZ-08)&测微目镜架（SZ-36）9:

32、测微目镜（XW-1）10:二维平移底座（SZ-02）11:三维平移底座 （SZ-01 ）5:测微狭缝（SZ-27B ）12 :升降调节座（SZ-03）6 :菲涅耳双镜（SZ-31）13 :二维平移底座（SZ-02）7:干版架（SZ-12）图 12-2实验步骤1）参照图12-2沿米尺安置各器件，调至共轴。2）开启光源，利用透镜将光束会聚到狭缝上，使通过狭缝的光束投射在双镜接缝处。掠射的光束被二镜面反射，用稍许偏离米尺导轨的测微目镜接收双光束交叠区域的干涉条纹。狭缝要 窄，且与双镜交线平行，二镜面夹角大小要适当（调节双镜背后的3个手钮）。3）测干涉条纹间距 x和两个虚光源距离 d,方法与双棱镜实验

33、相同。4）测出狭缝至双镜接缝的距离r和双镜接缝至目镜分划板的距离I。,得l = r+l。，根据计算钠黄光的波长。13劳埃德镜干涉实验原理13 1表示从狭缝处形劳埃德镜通常就是一块长方形的前表面反射镜，或一块黑玻璃镜。图成的次级光源S发出的单色光波掠射镜面，反射光与从同一光源发出，路经镜面近旁的光波在交 叠区域发生干涉，S'是虚光源，M是接收干涉条纹的屏。从双光束干涉原理来看，劳埃德镜实验与上述几个干涉实验是类似的，但因利用这个实验能够说明光在玻璃面反射时的相位变化，所以很重要。实验装置（图13-2）1 :钠灯（GY-5B，加圆孔光阑）2 :透镜（T-GSZ-A07, f ' =

34、50 mm3 :透镜架（SZ-08）4 :透镜架（SZ-08）5 :测微狭缝（SZ-27B）6 :劳埃德镜 （SZ-32）&测微目镜架（SZ-36）9:测微目镜（XW-1）10:三维平移底座（SZ-01）11:二维平移底座 （SZ-02）12:升降调节座（SZ-03）13:二维平移底座（SZ-02）实验步骤1）参照图13-2沿米尺安置各器件，调至共轴。2）开启光源，使钠光光束经透镜会聚到狭缝上，通过狭缝，部分光束入射劳埃德镜，被镜面反射，另一部分直接与反射光会合发生干涉，用测微目镜接收干涉条纹，同时调节缝宽、入射 角及镜面与铅直狭缝的平行，以改善条纹的质量。2）测出条纹间距x，狭缝与其

35、虚光源的距离d以及狭缝与目镜分划板的距离I,方法与双棱镜实验相同，根据公式dxI计算钠黄光波长。14牛顿环实验原理一个曲率半径很大的平凸透镜，以其凸面朝下，放在一块平板玻璃上（图14- 1） 二者之间形成从中心 0向周边1 *逐渐增厚的空气膜。若对透镜投射单色光，则空气膜下缘1人射光线1 11 | J图 14- 1面与上缘面的反射光就会在空气膜上缘面附近相遇，出现以0点为中心的明暗相间的圆环，即牛顿环。设透镜曲率半径为 R，与轴线相距r处的膜厚度为d,则2 22 2 22R2(Rd)2r2R22Rd d2r22因R? d，所以d2可略去，得d 2R对垂直入射光，该处几何程差为2d，加上平板玻璃

36、反射时的半波损失，总程差2d -2根据光干涉产生暗条纹的条件（实验时测暗环半径）2d 2 （2m 1）2，m 0，1,2L （14.1）综合上述各式，第 m级暗环半径(14.2)rm 、mR据此，若 为已知，为了测量平凸透镜的曲率半径, 只要测出rm即可。但是由于弹性形变不可避14.2）式可改免，实际上0点并非是点接触的，利用 rm与rn的平方差求R就比较准确，于是（写为2 2 rm rn(m n)(14.3)又因测量中0点的位置不易确定，所以环的半径 r可用直径d代替，式（14.3）又可改写成(14.4)6 :测微目镜架（SZ-36）7 :二维平移底座（SZ-02）8:升降调节座（SZ-03

37、）9:钠灯（GY-5B）10 :二维平移底座（SZ-02）dm4(m n)实验装置（图14-2）1 :牛顿环（SZ-37B）2:干版架（SZ-12）3 :半透半反玻璃（T-GSZ-A201）4 :透镜架（SZ-08）5:显微镜 （XW-1）3 4图 14-2实验步骤1）按图14-2布置光路。若牛顿环装置平凸透镜与平板玻璃的接触点偏离中心，得调节夹具上的三个螺钉，使接触点稳定居中即可，（不要拧得太紧，用力过大会导致玻璃破碎，使牛顿环损坏）。2）开启光源，调节分束器，使视场 6 mm测量围充满黄光。消除视差。尽量使干涉圆环在量 程对称分布。3）调节显微镜的目镜，使目镜中看到的叉丝最为清晰。将显微镜

38、对准牛顿环的中心，前后 移动镜筒使看到的环纹尽可能清晰，并与显微镜的测量叉丝之间无视差。4） 用显微镜测干涉图形圆环的半径：测量时由于中心附近比较模糊，从第14环开始逐环测定位置至第5环，再越过环心，从另一测第5环测至第14环为止，计算10个环的直径do224）用逐差法取m n 5算出5个咕 h值，取平均，代入公式2 2rm rn(m n)（实验所用钠黄光波长为589.3nm)得出平凸透镜的曲率半径。实验原理15用干涉法测定空气折射率具有最简单形式的迈克耳干涉仪如图15 - 1所示。从点光源 S发出的光束，被精制的厚度和 折射率均匀的玻璃板（分束器）G分成两路，射向互相垂直的两个平面镜 Mi和

39、M2。被平面镜反 射后，又回到分束器有镀膜的半反射面。在这两 束光形成的干涉场产生的是非定域干涉条纹，用 毛玻璃屏FG接收。设M2是M2在G中的虚像。可以认为，FG 接收到的干涉图样是 Mi和M2之间的空气膜上下 面的反射光相干产生的。MiM2FG图 15- 1如果在图15- 1的M1和G之间放置一个能够控制充、放气的气室，若气室空气压力改变了p，折射率改变了n ,使光程差增大，就会引起干涉条纹 N个环的变化。设气室空气柱长度为I，则2 nl N(15.1)n N /2I若将气室抽真空（室压强近似于零，折射率 n 1）,再向室缓慢充气，同时计数干涉环变化数N,由公式（15.1 ）可计算出不同压

40、强下折射率的改变值n ,则相应压强下空气折射率n 1 n若采取打气的方法增加气室的粒子（分子和原子）数量，根据气体折射率的改变量与单位体积粒子数改变量成正比的规律，可求出相当于标准状态下的空气折射率n0。对有确定成分的干燥空气来说，单位体积的粒子数与密度成正比，于是有(15.2)n 1no 1式中0是空气在热力学标准状态下（ To =273K , po =101,325 Pa）下的密度，n°是相应状态下的折射率；n和 是相对于任意温度 T和压强p下的折射率和密度。联系理想气体的状态方程，有(15.3)_ JpTo n 1 o PoT no 1若实验中T不变，对上式求P的变化所引起的n

41、的变化，则有(15.4)因TTo(1t)(其中是相对压力系数,等于1/273.15 = 3.6611。炎C -1, t 是摄氏温度，即室温），代入式（15.4 ）有nno 1pPo(1 t)no 1 ToPoT于是no1Po(1t) nP(15.5)将式（15.1）代入（15.5 ）得no1Po(1t)_理(15.6)2I P测出若干不同的p所对应的干涉环变化数 N, N- p关系曲线的斜率即为 N/ p。po和为已知，t见温度计显示，和I为已知，一并代入式（15.6）即可求得相当于热力学标准状态下的空气折射率。根据式（15.3）求得po代入式（15.4），经整理，并联系式（15.1），即可得

42、N2Ipp(15.7)其中的环境气压 p从实验室的气压计读出，根据（15.7）式，通过实验即可测得实验环境下的空气折射率。实验装置（图15-2）1:He-Ne 激光器 L (GY-10)11:平面镜 M1 (T-GSZ-A16)2 :激光器架（SZ-42）12:升降调节座（SZ-03）3:透镜架（SZ-08）13:二维平移底座（SZ-02）4:扩束器 BE (T-GSZ-A01)14 :三维平移底座（SZ-01）5:透镜架（SZ-08）15:升降调节座（SZ-03）6:分束器 BS (T-GSZ-A201)16:二维架（SZ-07）7:白屏 H (SZ-13)17:平面镜 M2 (T-GSZ-

43、A16)8:通用底座（SZ-04）18:二维平移底座（SZ-02）9:气室 AR (SGM-1-05)19:通用底座（SZ-04）10:二维架（SZ-07）图 15-2实验步骤1）将各器件夹好，靠拢，调等高。2） 调激光光束平行于台面，按图15-2所示，组成迈克耳干涉光路（暂不用扩束器）。3）调节反射镜 M1和M2的倾角，直到屏上两组最强的光点重合。4）加入扩束器，经过微调，使屏上出现一系列干涉圆环。5）紧握橡胶球反复向气室充气，至血压表满量程（ 40kPa,或300mmHg , 1mmHg=.3Pa ）为 止，记为 p。6） 缓慢松开气阀放气，同时默数干涉环变化数N,至表针回零。7）计算实验

44、环境的空气折射率彳N pn 1 -2l P其中激光波长入和气室长度I为已知，环境气压 p从实验室的气压计读出。本实验应多次测量,干涉环变化数可估计出一位小数。16夫琅禾费单缝衍射实验原理单色平行光垂直照射宽度为 a的狭缝AB （图16- 1,其中将缝宽放大约百倍），按惠更斯原图 16- 1理，AB面上各子波源的球面波向各方向传播， 在出发处，相位相同。其中沿入射方向传播的， 经透镜L会聚于Po处时，仍然同相，故加强为 中央亮纹；与入射方向成角传播的，经L会聚于Pk，其明暗取决于各次级波线的光程差。从A点作AC线垂直于BC,从AC线到达Pk点的所有波线都是等光程的。沿缝宽各波线之间的光程差取决于

45、从 AB到AC之间的路程，而最大光程差BC a sin若用相距一的许多平行于AC的平面分割BC,同时也就将狭缝面上的波阵面分成一些等面2积的部分，即菲涅耳半波带，于是两个相邻半波带的对应点发出的波线到达AC面时的光程差均为一，相位差为n,经L会聚后仍为n,故强度互相抵消。据此推断：对应某确定的方向，若2将有明条纹；若半波带为非整数所对应的方位上，强度则在明暗之间。总之，当满足asin2k kk 1, 2 L ）（ 16.1）2时产生暗条纹；当 满足asin （2k 1） 2k 1,2 L ）（ 16.2）时产生明条纹，而零级明条纹围，通常认为是从asin至U asin设中央零级明条纹宽度为 e

46、, L的像方焦距为f，对1级暗条纹，近似有ef a2据此，若 和f为已知，只要测得 e，即可得实验装置的缝宽 a。2实验装置（图16-2）(16.3)1 :钠灯(GY-5B )9:二维架（SZ-07）2:透镜架(SZ-08)10 :测微目镜架（SZ-36）3 :测微狭缝S1 (SZ-27B)11:测微目镜（XW-1）12:三维平移底座（SZ-01 ）4 :透镜 L1 (T-GSZ-A09, f =150 mm)5 :二维架(SZ-07)6:透镜架(SZ-08)7 :测微狭缝 S2 (SZ-27B)13:升降调节座（SZ-03）14:二维平移底座（SZ-02）15:升降调节座（SZ-03）16:

47、二维平移底座（SZ-02）8:透镜 L2 (T-GSZ-A12, f =300 mm)I 234367图 16-210 n实验步骤1）参照图16-2沿米尺调节共轴光路。2） 使狭缝Si靠近钠灯，位于透镜 Li的焦平面上，通过透镜Li形成平行光束，垂直照射狭 缝S2,用透镜L2将衍射光束汇聚到测微目镜的分划板，调节狭缝铅直，并使分划板的毫米刻线 与衍射条纹平行，Si的缝宽小于0.1mm （兼顾衍射条纹清晰与视场光强 ）。3） 用测微目镜测量中央明条纹宽度e,连同已知的 入和f '值代入公式f' a £ '（实验所用钠黄光波长为 589.3nm）2可算出缝宽a。4

48、）用显微镜直接测量缝宽，与上一步的结果作比较。5）用测微目镜可验证中央极大宽度是次极大宽度的两倍。17夫琅禾费圆孔衍射使准单色光通过小孔光阑，通过较长距离到达衍射圆孔，再经凸透镜将衍射图样会聚到屏上,实验步骤图 17-1I T1131）参照图17-1沿平台米尺安排各器件，调节共轴，前后移动两小孔距离,获得衍射图样。该装置即可观测到夫琅禾费圆孔衍射。实验装置（图17-1）1 :钠灯(GY-5B)7:测微目镜架（SZ-36）2 :小孔（0 1 mn)8:测微目镜（XW-1）3:多孔板(SZ-23A , 0 0.20.5 mm)9:二维平移底座（SZ-02）4:透镜架(SZ-08)10:二维平移底座

49、（SZ-02）5:透镜（T-GSZ-A08, f =70 mm)11:升降调节座（SZ-03）6:透镜架（SZ-08）入=589.3 nr）i、衍射小孔半径a2）在黑暗环境用测微目镜测量艾里斑的直径e,据已知波长和物镜焦距f'可验证公式e 1.22 。（注：目镜与透镜的距离应保证70mm左右间距，测出a的艾里斑直径才会较为准确）18菲涅耳单缝和圆孔衍射由菲涅耳衍射原理：A已（1）n1込2 2当观察屏不动时，改变缝宽 d,半波带的数目改变；当半波带数为奇数时屏中央出现亮纹; 当半波带数为偶数时屏中央出现暗纹。当缝宽d不变时，移动屏，当半波带数为偶数时，屏中央为暗纹；当半波带数为奇数时屏中

50、 央为亮纹。当缝宽改变到很小时或屏较远时，菲涅耳衍射转化为夫琅和费衍射。实验装置（图18-1）7:白屏（SZ-13）&通用底座（SZ-04）9:二维平移底座（SZ-02 ）10:二维平移底座（SZ-02）11:通用底座（SZ-04）1:激光器架（SZ-42）2： He-Ne 激光器（GY-10）3 :扩束器（T-GSZ-A02, f ' = 6.24:透镜架（SZ-08）5:透镜架（SZ-08）6 :测微狭缝 （SZ-27B）11:3 4图 18-1调节与观察 使激光通过扩束器（造成非远场条件）照射到狭缝上，用白屏接收衍射条纹。 在缓慢、连续地将狭缝由很窄变到很宽的同时，注意屏

51、上的衍射图样，可观察到与理论最后形成两个对称的直边分析一致的由近似夫琅禾费单缝衍射逐渐变化成各种菲涅耳单缝衍射, 衍射的现象。7 :白屏（SZ-13）8:通用底座（SZ-04）9:二维平移底座（SZ-02 ）10:二维平移底座（SZ-02）11:通用底座（SZ-04）实验原理由菲涅耳衍射原理：A ai （1）n1勺2 2当改变圆孔的直径或改变观察距离时，屏中央发生明暗变化。实验装置（图18-2）1 :激光器架（SZ-42）2: He-Ne 激光器（GY-10）3 :扩束器（T-GSZ-A02, f = 6.2）4:透镜架（SZ-08）5 :多孔板（SZ-23A ,机.5 mm）调节与观察将实验装置18- 1中的狭缝换成 机.5 mm的圆孔，如图（18-2）,使屏逐渐远