工程光学实验1,-2-3讲义

1、工程光学实验讲义实验预备知识一、光学元件和仪器的维护透镜、棱镜、偏振片、平面反射镜等光学元件，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的研磨和抛光，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，反射率和投射率等）都有一定要求，而光学器件的机械性能和化学性能较差，若使用和维护不当，则会降低光学性能甚至损坏报废。（如摔坏，磨损，腐蚀等）。为安全使用光学元件和仪器，必须遵守以下注意事项：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收到冲击或震动，特别要防止摔落。不使用的光学元件随时装入专用盒内。3）切忌用手接触元件的光学表面，如必需

2、用手拿光学元件是，只能接触器磨砂面，如透镜的边缘，棱镜的上下底面等。4）光学元件表面上如有尘土，用实验室专用的脱脂棉或用橡皮球吹掉。5）光学元件表面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，不能用手帕，普通纸片或者衣服等擦拭。6）防止唾液或其它溶液溅落在光学元件的表面上。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）仪器用后应放回箱内或者包装盒中，防止灰尘沾污。二、共轴调节光学实验中经常要用到一个或多个透镜成像，为获得较好的成像质量，必须使各个透镜的主光轴重合，并使物体位于透镜的主光轴附近。此外，成像公式中的物距、像距等都是沿主光轴

3、计算长度的，为测量准确，必须使透镜的主光轴与带有刻度的导轨平行。调节方法：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导轨标尺平行的直线上，使透镜的主光轴与标尺平行，并且使物（或物屏）与平台垂直。粗调的效果与实验者的经验有关。2） 细调 这一步骤需要靠其他仪器或者成像规律来判断和调节。不同的装置有不同的调节方法。比如物体与单个凸透镜共轴是要将物上的某点调到主光轴上，需要根据凸透镜的成像规律来判断。当物AB与像屏之间的距离大于4倍焦距时，将凸透镜沿光轴移到两个位置在屏上成像，一次成放大的像，一次成缩小的像，若物点位于轴外，则两次成像一定不在光

4、轴上，且不重合，但缩小像点更靠近光轴，因此在成像屏上记录小像点位置，调节透镜的高低左右，是放大像点更靠近小像点，如此反复调节几次，则说明物点已调到透镜的主光轴上了。3） 若要调多个透镜共轴，则先将物上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，调节它们使之逐个与第一个透镜共轴。预备课程：光学器件的认识和使用方法认识光学元件：透镜（尺寸和焦距），透镜的固定，平面反射镜，分划板，白屏，物屏（认识品字物）测微目镜。光学仪器：光源及其使用方法，滑轨移动台，干板夹，滑座，半导体激光器及其使用方法，偏振片的安装及使用，光电接收器，二维调整架及可变口径二维架的使用实

5、验一 用位移法测薄透镜焦距1. 实验目的：了解、掌握位移法测量凸透镜原理焦距的原理和方法2. 实验原理基于几何光学成像原理，对于凸透镜，如果物及其成像接收屏之间的距离大于4倍焦距，物像之间的距离记做L，移动凸透镜，则在接收屏上会成两次清晰的像。当物和透镜之间的距离在1倍和2倍焦距之间时，所成为放大的像，当物距大于2倍焦距时，所成像为缩小的像。因此，在测量时，移动凸透镜，观察在接收屏上所成的放大象和缩小像，分别记录此时透镜距物及接收屏的距离，计算透镜移动距离e。则根据光路可逆性原理，第一次成像的物距和第二次成像的像距相等，第一次成像的像距等于第二次成像的物距。则由图2得：物距，像距，带入高斯公式

6、得到凸透镜的焦距为：图1图2三、实验仪器1.带有毛玻璃的白炽灯光源2.物屏3.凸透镜4.二维调整架5.白屏（接收屏）6.滑座4个7.一维导轨。四、光路图图3 实验装置图五、实验步骤1. 把全部器件按照图3的顺序摆放在一维导轨上，靠拢后目测调至共轴，而后拉开物屏和接收屏，使其之间的距离大于4倍焦距。2. 物屏和接收屏固定不动，记录在一维导轨上的刻度，沿一维导轨方向移动凸透镜，使物屏上的品字形物在接收白屏上成一清晰放大的像，记录凸透镜的在导轨上的位置。3.沿一维导轨方向移动凸透镜，使物屏上的品字形物在接收屏上成一缩小的像，记录凸透镜的位置。4. 分别将物屏，凸透镜和接收屏翻转180度，重复步骤1，

7、2，3，分别记录凸透镜的两个成像位置。5. 换一个凸透镜，重复上述实验。比较实际测量焦距和真实焦距的差异，并分析原因。注意事项光源打开时，请勿触摸，以免烫伤！小心勿用手触摸镜面，避免磕碰透镜以免破碎！六、数据处理及分析 单位：mm实验次数物屏刻度像屏刻度凸透镜位置1凸透镜位置2122. 利用高斯公式推导位移法的焦距测量公式：3. 计算透镜焦距，并分析焦距测量的误差产生的原因。实验二 用自准法测薄透镜焦距（选做）一、 实验目的：掌握简单光路的分析和调整方法；了解、掌握自准法测量凸透镜焦距的原理和方法二、 实验原理当发光点（物）处在凸透镜的焦平面时，它发出的光线经过凸透镜后成为一束平行光线，。若用

8、与主光轴垂直的平面镜将此平行光平行反射回去，反射光再次通过透镜后仍会聚于透镜的焦平面上，其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2.物屏3.凸透镜4.二维调整架（2个）5.平面反射镜6.滑座4个7.一维导轨。四、光路图建议光源距物屏的距离为50mm，透镜距平面反射镜的距离为100mm。五、实验步骤1. 把全部器件按照图的顺序摆放在一维导轨上，靠拢后目测调至共轴，而后拉开一定的距离（拉开距离多少需要自己根据凸透镜大致的焦距范围确定）2. 前后移动凸透镜，使得物屏刚好位于物方焦平面上，并使得经反射镜反射回的光路在屏上成一清晰的品字像。3.微调平面反射镜的倾角

9、，使得物屏上的品字和反射回光线所成的品字像重合。4.微调凸透镜，使得物屏上的像既清晰且与物的大小相同。分别记录凸透镜和物屏在一维导轨上的刻度值。5. 分别将物屏和凸透镜翻转180度，重复步骤1，2，3，4，记录新的凸透镜和物屏在一维导轨上的刻度值。6. 换一个凸透镜，重复上述实验。比较实际测量焦距和真实焦距的差异，并分析原因。六、数据处理记录物屏和凸透镜的位置计算焦距。分析平面反射镜距透镜的距离改变对焦距测量的影响分析焦距测量的误差原因。实验三、开普勒望远系统测放大率一、 实验目的：了解望远系统的基本原理和结构，并掌握其调节、使用和测量望远镜放大率的方法。二、 实验原理典型的开普勒望远镜是由一

10、个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。远处的物体经过物镜后在其后焦平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。目镜起到放大镜的作用，把倒立的实像放大成正立的像。三、 实验仪器1. 带有毛玻璃的白炽灯光源2. 毫米尺3. 物镜4. 二维调整架5. 测微目镜6. 读数显微镜架7. 滑座（4个）8. 一维导轨9. 白屏四、 实验光路图图1 实验光路图五、 实验步骤1. 把全部器件按照光路图1的顺序摆放在一维导轨上，靠拢后目测调至共轴。2. 把毫米尺和读数显微镜的间距调至最大，沿一维导轨前后移动物镜，使一只眼睛通过读数显微镜能看到清晰的分划板上的刻线。3. 用另一只眼睛直接看毫米尺上的刻线，读出直接看到的毫米尺上的满量程的28条刻线对应于通过望远镜所看到的毫米尺上的刻线格数e。4.