光学实验讲义

1、精选优质文档-倾情为你奉上实验一薄透镜参数的测定引言：透镜是光学仪器中最基本的元件，反映透镜特性的一个主要参量是焦距，它决定了透镜成像的位置和性质(大小、虚实、倒立) 以便了解透镜成像的规律，掌握光路调节技术，比较各种测量方法的优缺点，为今后正确使用光学仪器打下良好的基础。实验目的 1.学会测量透镜焦距的几种方法。2.掌握简单光路的分析和光学元件同轴等高的调节方法。3.熟悉光学实验的操作规则实验原理：薄透镜是指透镜中心厚度d比透镜焦距f小很多的透镜。透镜分为两大类：一类是凸透镜（也称为正透镜或会聚透镜），对光线起会聚作用，焦距越短，会聚本领越大；另一类是凹透镜（也称负透镜或发散透镜），对光线起

2、发散作用，焦距越短，发散本领越大。透镜的焦距测量用到的成像公式是高斯公式： 一、凸透镜焦距的测定： 透镜的焦距测量主要用到高斯公式计算焦距1.粗略估测法：以太阳光或较远的灯光为光源，用凸透镜将其发出的光线聚成一光点(或像)，此时，p，sf，即该点(或像)可认为是焦点，而光点到透镜中心(光心)的距离，即为凸透镜的焦距，此法的测量误差约在10左右。由于这种方法误差较大，大都用在实验前作粗略估计，如挑选透镜等。2.利用物像公式求焦距：根据(1)式，则薄透镜焦距为 (2)如图1所示，若在实验中分别测出物距s和像距s，即可用式(2)求出该透镜的焦距f。但应注意:测得量须添加符号，求得量则根据求得结果中的

3、符号判断其物理意义。3.自准法：如图2所示，在待测透镜L的一侧放置被光源照明的“1”字形物屏AB，在另一侧放一与主光轴垂直的平面反射镜M，移动透镜(或物屏)，当物屏AB正好位于凸透镜之前的焦平面时，物屏AB上任一点发出的光线经透镜折射后，将变为平行光线，然后被平面反射镜反射回来。再经透镜折射后，仍会聚在它的焦平面上，即原物屏平面上，形成一个与原物大小相等方向相反的倒立实像AB。此时物屏到透镜之间的距离，就是待测透镜的焦距，即 (3)由于这个方法是利用调节实验装置本身使之产生平行光以达到聚焦的目的，所以称之为自准法，该法测量误差在1%5%之间。4.位移法(又称为共轭法、二次成像法或贝塞尔物像交换

4、法)：物像公式法、粗略估测法、自准法都因透镜的中心位置不易确定而在测量中引进误差，为避免这一缺点，可取物屏和像屏之间的距离D大于4倍焦距(4f)，且保持不变，沿光轴方向移动透镜，则必能在像屏上观察到二次成像。如图3所示，设物距为s1时，得放大的倒立实像；物距为s2时，得缩小的倒立实像，透镜两次成像之间的位移为d，根据透镜成像公式(2)，将代入式（2）即得 (4)可见，只要在光具座上确定物屏、像屏以及透镜二次成像时其滑座边缘所在位置，就可较准确的求出焦距f。这种方法毋须考虑透镜本身的厚度，测量误差可达到1。二、凹透镜焦距的测定凹透镜是发散透镜，不能直接成像。所以要测量凹透镜的焦距，必须借助于一凸

5、透镜。具体的方法有以下两种。1.成像法(又称为物距相距法)：如图4所示，先使物AB发出的光线经凸透镜L1后形成一缩小倒立的实像AB，然后在L1和AB之间放入待测凹透镜L2 ，如果s2<f凹，就能使虚物AB产生一实像AB。分别测出L2到AB和AB之间距离s2、s2，根据式(2)即可求出L2的像方焦距f2¢。2.自准法：如图5所示，在光路共轴的条件下，先去掉凹透镜L2，移动凸透镜L1，使物屏上物AB发出的光经凸透镜L1成缩小的实像AB，然后放置并移动凹透镜L2，当O2B=f凹时，虚物AB就在物屏上得到一个与其大小相等的倒立实像。由光的可逆性原理可知，由L2射向平面镜M的光线是平行光

6、线，点B是凹透镜L2的焦点。记录凹透镜L2和实像AB的位置，可直接测出f2¢。4.仪器介绍 光具座，凸透镜，凹透镜，光源，物屏，平面反射镜，水平尺等。5.实验内容1. 光具座上各光学元件同轴等高的调节图4. 凹透镜成像法先利用水平尺将光具座导轨在实验桌上调节成水平，然后进行各光学元件同轴等高的粗调和细调，直到各光学元件的光轴共轴，并与光具座导轨平行为止。光学系统的共轴调节方法分为粗调和细调两步。图6 共轴调节O2O1B1B2A1 A2BAD（a）O2O1B1B2A2BAA1（b）（1）粗调：按图6将光源、物屏、透镜、像屏等光具夹固定好，先将它们靠拢，调节各自的的高低、左右位置和取向，

7、凭眼睛观察，使它们的中心处在一条和导轨平行的直线上，使透镜的主光轴与导轨平行，并且使物（或物屏）和成像平面（或像屏）与导轨垂直。（2）细调：如图6（a）所示，使D>4f（f为透镜的焦距），然后固定物屏和像屏。将凸透镜沿光轴移到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。如果物点A不在透镜的主光轴上，则两次像的A1和A2点不重合，若观察到大像的A1点在小像A2的下面，如图6（b）所示，可以看出物点A在光轴之上，这时应升高透镜，反之则应升高降低透镜。如此反复调节透镜高度，使大像的中心趋向小像中心（大像追小像

8、），直至A1和A2重合，即说明点A已调到透镜的主光轴上了。2. 凸透镜焦距的测量（1）自准法测凸透镜焦距1） 按如图2所示放置光源、物屏、凸透镜和平面镜。固定物屏，记录物屏的位置读数XAB。2） 移动凸透镜L，由于成像清晰度的判定会有一定的误差，为减少此误差，可采用左右逼近测读法读数，测定凸透镜位置。即从左至右移动凸透镜，在物屏上刚看到与物大小相同的清晰倒像，记录此时凸透镜的位置XL；再从右至左移动凸透镜，在物屏上刚看到与物大小相同的清晰倒像，记录此时凸透镜的位置XL。3）取两次读数的平均值，求该透镜的焦距。要求重复3次，求出及其不确定度。（2）物距像距法测凸透镜焦距1）按如图1所示放置光源、

9、物屏、凸透镜和像屏。取物距约等于2f凸，记下物屏位置与凸透镜位置的读数XAB和XL。2）移动像屏，使屏上出现一个清晰的（大小与物相近）实像，同样采用左右逼近法，记下像屏的位置的读数XAB和XAB。3) 取两次读数的平均值即为像屏位置，计算出物距和像距，代入公式2求出f。要求重复3次测量，求其及其不确定度。（3）位移法测凸透镜焦距（选做）1）按如图3所示放置光源、物屏、凸透镜和像屏。使物屏和像屏距离略大于4 f凸，并记录物屏与像屏之间的距离D。2）移动凸透镜。使像屏观测到两次清晰放大（或缩小）的实像，分别记下两次成像时透镜的位置XI和XII，从而算出d，并由（4）式求出。3）改变屏的位置，重复测

10、3次，求其及其不确定度。3. 凹透镜焦距的测量在凹透镜焦距测量中，需要两个透镜共轴，首先采用大像追小像的方法，将物点A调到凸透镜的主光轴上。然后增加凹透镜（凹透镜支座需采用二维可调节支座，以便于左右调节），同样根据轴上物点的像总在轴上的道理，采用大像追小像的方法，直至凹透镜中心在凸透镜主光轴上。（1）成像法测凹透镜焦距（选做）1）如图4所示，调节各元件共轴后，暂不放入凹透镜，并使物屏和像屏距离略大于4 f凸。移动凸透镜L1，使像屏上出现清晰的、倒立的、大小适中的实像，记下的位置X A¢B¢。2）保持凸透镜L1的位置不变，将凹透镜L2放入L1与像屏之间，移动像屏，使屏上重新得

11、到清晰、放大、倒立实像，记录的位置XAB。3）采用左右逼近法记录凹透镜L2的位置XL2和XL2，算出物距s和像距，代入（2）式求出。4）改变凹透镜位置，重复测3次，求及其不确定度。（2）自准法测凹透镜焦距1） 如图5所示，调节各元件共轴后，暂不放入凹透镜，取物屏与凸透镜的距离约等于2 f凸。2） 移动像屏，使像屏上出现清晰的、倒立的、缩小的实像，采用左右逼近测读法测定像屏的位置，记下像屏的位置XA¢B¢和XA¢B¢。3）保持凸透镜L1的位置不变，将凹透镜L2取代像屏，平面镜紧贴近凹透镜，向凸透镜方向移动凹透镜L2和平面镜，在物屏上得到一个与物大小相等的倒

12、立实像，采用左右逼近测读法测定凹透镜的位置，记录凹透镜L2的位置读数XL2和XL2。4）改变凸透镜位置，要求重复3次，求出及其不确定度。6.注意事项（）使用光学元器件要注意问题。例如，光学器件的镜面不要用手触及，光学器件易碎，要轻拿轻放，用完后光学器件要规整、整齐，码放回原处等。（）以“1”字屏中叉丝为物体中心，以其清晰成像确定光学元件所处位置。建议将 “1”字屏倒立，只观察叉丝到“1”字顶部成的像。（）多次测量时，可以采取左右逼近的读数方法。（4）凹透镜支座需采用二维可调节支座，以便于左右调节，保证其透镜中心在物与凸透镜确定的光轴上。7.数据及数据处理（1）自准法测凸透镜焦距XAB= mm序

13、号123(mm)凸透镜位置(mm)XLXLXLXLXLXLf (mm)（2）物距像距法测凸透镜焦距XAB= mm XL= mm 序号123(mm)像屏位置XABX ABXABX ABXABX ABs'f'（3）位移法测凸透镜焦距（选做）序号D (mm)XI (mm)XII (mm)d (mm)f' (mm) (mm)1233. 凹透镜焦距的测量（1）成像法测凹透镜焦距（选做）序号XA¢B¢ (mm)XL2 (mm)XAB (mm)s (mm)s' (mm)f2 (mm) (mm)123（2）自准法测凹透镜焦距序号XA¢B¢

14、 (mm)XA¢B¢ (mm)XL2 (mm)XL2 (mm)f2 (mm) (mm)123【 注意事项】   透镜和光学元件的镜面均不能用手摸拭 , 应用擦镜头纸轻揩灰尘。   应在 光具座上将各光学元件调至等高共轴后再进行测量。 【思考题】 1. 如何在光具座上将各光学元件调至等高共轴 ? 2. 为什么二次成像法测透镜焦距可以避免由于透镜光心位置不易确定而带来的测量误差，物屏与像屏的距离 L为什么必须大于焦距的四倍? 3. 自准直法测量凸透镜焦距时，若透镜光心和透镜架底座读数准线不共面，会产生什么性质的误差 ?实验中如何消除这种误差? 【应用提示】

15、在日常生活中，人们用眼镜矫正人眼晶状体的缺陷，使物体发出的光线经眼镜和晶状体折射后在视网膜上成清晰像。配一副合适的远视眼镜（凸透镜）或近视眼镜（凹透镜）都需要准确地测量眼镜片 (透镜)的焦距。显微镜和望远镜则是由透镜组合构成，是用途极为广泛的助视光学仪器。显微镜主要是用来帮助人眼观察近处的微小物体，而望远镜则主要是帮助人眼观察远处的目标。它们的作用都在于增大被观察物体对人眼的张角，起着视角放大的作用。显微镜和望远镜的光学系统十分相似，都是由物镜和目镜两部分组成。例如显微镜，其构造一般是由两个会聚透镜共轴组成。对于望远镜，两透镜的光学间隔近乎为零，即物镜的像方焦点与目镜的物方焦点近乎重合。望远镜

16、可分两类：若物镜和目镜的像方焦距均为正(即两个都是会聚透镜)，则为开普勒望远镜；若物镜的像方焦距为正(会聚透镜)，目镜的像方焦距为负(发散透镜)，则为伽利略望远镜。在生产、科研和国防等方面，光学仪器的使用已十分广泛。它不仅可以将像放大、缩小或记录储存，还可以实现不接触的高精度测量，用它可以研究原子、分子和固体的结构等。  试验2 光的等厚干涉牛顿环等厚干涉是薄膜干涉的一种。当薄膜层的上下表面有一很小的倾角时，从光源发出的光经上下表面反射后在上表面附近相遇时产生干涉，并且厚度相同的地方形成同一干涉条纹，这种干涉就叫等厚干涉。其中牛顿环是等厚干涉的一个最典型的例子，最早为牛顿所发现，但由

17、于他主张的微粒学说而未能对它做出正确的解释。光的等厚干涉原理在生产实践中具有广泛的应用，它可用于检测透镜的曲率，测量光波波长，精确地测量微小长度、厚度和角度，检验物体表面的光洁度、平整度等。【实验目的】1.观察光的等厚干涉现象，了解等厚干涉的特点。2.学习用干涉方法测量平凸透镜的曲率半径。3. 掌握读数显微镜的使用方法。4.学习用逐差法处理数据。【实验原理】牛顿环是由一块曲率半径较大的平凸玻璃，以其凸面放在一块光学平板玻璃上构成的，这样平凸玻璃的凸面和平板玻璃的上表面之间形成了一个空气薄层，其厚度由中心到边缘逐渐增加，当平行单色光垂直照射到牛顿环上，经空气薄膜层上、下表面反射的光在凸面处相遇将

18、产生干涉。其干涉图样是以玻璃接触点为中心的一组明暗相间的同心圆环(如图9-2所示)。这一现象是牛顿发现的，故称这些环纹为牛顿环。 图 9-1 产生牛顿环的光路示意图图 9-2 牛顿环 如图9-1所示，设平凸玻璃面的曲率半径为R，与接触点O相距为r处的空气薄层厚度为e，那么由几何关系：R2 = (R-e)2 + r2 = R2 2Re + e2 + r2因Re ，所以e2 项可以被忽略，有 (9-1)现在考虑垂直入射到r处的一束光，它经薄膜层上下表面反射后在凸面处相遇时其光程差d = 2e + l/2其中 l/2 为光从平板玻璃表面反射时的半波损失，把(9-1)式代入得： (9-2)由干涉理论，

19、产生暗环的条件为 (K=0，1，2，3，¼) (9-3)从(9-2)式和(9-3)式可以得出，第K级暗纹的半径： (K=0，1，2，3，¼) (9-4)由上式可知，如果已知光波波长，只要测出rk，即可求出曲率半径R，反之，已知R也可由(9-4)式求出波长。但由于接触点处机械压力引起玻璃的形变，使得接触点不可能是一个理想点，而是一个明暗不清的模糊圆斑。或者接触点处不十分干净，空气间隙层中有了尘埃，附加了光程差，干涉环中心为一亮(或暗)斑。无法确定环的几何中心，因此我们通常取两个暗环直径的平方差来计算R。根据(9-4)式，第m环暗纹和第n环暗纹的直径可表示为： (9-5) (9

20、-6)把(9-5)式和(9-6)式相减得到：则曲率半径 (9-7)864572311目镜；2调焦手轮；3物镜；4450玻璃片；5牛顿环仪；6测微鼓轮；7钠灯；8支架图9-3 测量牛顿环装置图上式说明，两暗环直径的平方差只与它们相隔几个暗环的数目(m-n)有关，而与它们各自的级别无关。因此我们测量时，只要测出第m环和第n环直径以及数出环数差m-n，即可计算出透镜的曲率半径R。用环数代替级数，而无须确定各环的级数，并且避免了圆心无法准确确定的困难。由于接触点处玻璃有弹性形变，因此在中心附近的圆环将发生移位，故拟利用远离中心的圆环进行测量。【实验仪器】读数显微镜，钠光灯(单色光源，=589.3nm)

21、，牛顿环仪。读数显微镜是一种测量微小尺寸或微小距离变化的仪器。其结构见图9-3，它是有一个带十字叉丝的显微镜和一个螺旋测微装置所构成。显微镜包括目镜、十字叉丝和物镜。整个显微系统与套在测位螺感得螺母管套相固定。旋转测微鼓轮，就能使测微螺杆转动，它就带着显微镜一起移动，移动的距离可由主尺和测微鼓轮读出。显微镜丝杆的螺距为1mm,测微鼓轮的圆周刻有100分格，分度值为0.01mm，读数可估计到0.001mm。【实验内容】1.观察牛顿环的干涉图样 (1) 调整牛顿环仪的三个调节螺丝，把自然光照射下的干涉图样移到牛顿环仪的中心附近。注意调节螺丝不能太紧以免中心暗斑太大甚至损坏牛顿环仪。把牛顿环仪置于显

22、微镜的正下方(如图9-3所示)，调节读数显微镜上45°角半反射镜的位置 ，直至从目镜中能看到明亮的均匀光照。(2) 调节读数显微镜的目镜，使十字叉丝清晰，自下而上调节物镜直至观察到清晰的干涉图样。移动牛顿环仪，使中心暗斑(或亮斑)位于视域中心，调节目镜系统，使叉丝横丝与读数显微镜的标尺平行，消除视差，并观测待测的各环左右是否都在读数显微镜的读数范围之内。2.测量牛顿环的直径(1) 选取要测量的m和n各五个条纹，如取m为30、29、28、27、26五个环，n为20、19、18、17、16五个环。(2) 转动鼓轮，先使镜筒向左移动，顺序数到35环，再向右转到30环，使叉丝尽量对准干涉条纹

23、的中心，记录读数。然后继续转动测微鼓轮，使叉丝依次与30、29、28、27、26、20、19、18、17、16环对准，顺次记下读数。再继续转动测微鼓轮，使叉丝依次与圆心右16、17、18、19、20、26、27、28、29、30环对准，也顺次记下各环的读数,求得各环的直径：(D30=d30左-d30右)注意在一次测量过程中，测微鼓轮应沿一个方向旋转，中途不得反转，以免引起回程差。【注意事项】图9-4 读数显微镜1.牛顿环仪、透镜和显微镜的光学表面不清洁，要用专门的擦镜纸轻轻揩拭。2.测量显微镜的测微鼓轮在每一次测量过程中只能向一个方向旋转，中途不能反转。3.当用镜筒对待测物聚焦时，为防止损坏显

24、微镜物镜，正确的调节方法是使镜筒移离待测物(即提升镜筒)。 附：读数显微镜1、用途和构造 读数显微镜是将显微镜和螺旋测微计组合起来，作为长度测量的精密仪器。主要用来精确测量微小且不能用夹持仪器（如游标尺、千分尺）测量的物体，如金属杆的线膨胀量、狭缝或干涉条纹的宽度等。读数显微镜的型号很多，常见的一种立式读数显微镜如图1-6所示。读数显微镜由一个带十字叉丝的显微镜和一个螺旋测微装置所组成。显微镜包括目镜、十字叉丝和物镜。整个显微镜系统与套在测微螺杆的螺母套管相固定。旋转测微鼓轮，即转动测微螺杆，就可带动显微镜左右移动。2.读数方法如图1-6所示的读数显微镜，它的光学部分是一个长焦距的显

25、微镜，通过上下移动可以调节聚焦。转动鼓轮能够使固定在测微轮杆套管上的显微镜沿滑动台左右平移，即沿标尺移动，移动距离可由毫米标尺和测微鼓轮上读出。常用的读数显微镜其测微螺杆螺距为1mm, 与其连接的测微鼓轮圆周上刻有100个分格，分度值为0.01mm，因而也能读到千分之一位，读数方法同螺旋测微计相同。由于显微镜与测微螺杆的联动，存在着装置上的公差，致使它的精度低于千分尺。一般050mm的读数显微镜的示值误差为0.015mm。3. 注意事项 由于螺杆从正转到反转（反之亦然）必有空转，为避免螺杆空转引起读数误差（又称螺距差或回程差），测量过程中，测微鼓轮应始终在同一方向旋转时读数。试验三 迈克尔逊干

26、涉仪的调整与使用引言：迈克尔逊干涉仪是1883年美国物理学家迈克尔逊（A.A.Michelson）和莫雷（E.W.Morley）合作设计制作出来的精密光学仪器。它利用分振幅法产生双光束以实现光的干涉，可以用来观察光的等倾、等厚和多光束干涉现象，测定单色光的波长和光源的相干长度等。后人利用该仪器的原理，研究出了多种专用干涉仪，这些干涉仪在近代物理和近代计量技术中被广泛应用。它设计巧妙，试验思想丰富，具有非常重要的实验意义，对学生的试验操作能力有较高的要求，较多的物理专业的光学实验中都是必开的试验 。一试验目的： 1、了解迈克尔逊干涉仪的结构，学会其调节方法。2、观察迈克尔逊干涉仪形成的干涉图样。

27、 二试验原理1.干涉光路分析：图10-2 迈克尔逊干涉仪简化光路分束板图3-1 迈克尔逊干涉仪原理图补偿板实验室常用的光路图如3-1所示,它由两块平面反射镜M1、M2 和两块平行平面玻璃板G1、G2组成。M2的位置是固定的，称为定镜，M2可沿导轨前后移动，称为动镜。定镜与动镜法线相互垂直。G1、G2是厚度和折射率都完全相同的一对平行玻璃板，与M1、M2均成45°角。G1的一个表面镀有半反射、半透射膜，使射到其上的光线分为光强度差不多相等的反射光和透射光；G1称为分光板。当光照到G1上时，在半透膜上分成相互垂直的两束光，透射光（1）射到M1，经M1反射后，透过G2，在G1的半透膜上反射

28、后射向E；反射光（2）射到M2，经M2反射后，透过G1射向E。由于光线（2）前后共通过G1三次，而光线（1）只通过G1一次，有了G2，它们在玻璃中的光程便相等了，于是计算这两束光的光程差时，只需计算两束光在空气中的光程差就可以了，所以G2称为补偿板。当观察者从E处向G1看去时，除直接看到M1外还看到M2的像M2于是（1）、（2）两束光如同从M1与M2反射来的，因此迈克尔逊干涉仪中所产生的干涉和M1´M2间“形成”的空气薄膜的干涉等效。（1）（2）光在无穷远处相干涉，观察者在E处，借助调焦于无穷远的望远镜，或者直接用眼睛就可以观察到明暗相间的干涉条纹。2. 干涉图样的类型：迈克尔孙干涉

29、仪既可以形成定域干涉也可以形成非定域干涉；既可以形成等厚干涉也可以形成等倾干涉。这取决于光源的性质和两个平面反射镜的相对位置：1、如果光源是点光源，则产生非定域干涉2、如果光源是扩展光源，则产生定域干涉3、如果两个平面镜严格垂直，即空气膜厚度处处相等，则形成等倾干涉条纹-同心圆环。4、如果两个平面镜稍有倾斜，即空气膜为一个空气劈尖，则形成等厚干涉条纹-直条纹。5、如果利用扩展白光源，则可以看到彩色条纹。3.扩展光源的等倾干涉的光程差计算： 单两平面镜严格垂直时，所得的干涉为等倾干涉，倾角为，由两平面镜反射的光线的光程差为，并由干涉条件：= 时出现明条纹 ，条纹定位与无穷远，放一汇聚透镜（或者用

30、眼睛直接观察）在其焦平面上会看到一组明暗相间的干涉条纹。3.根据条纹测量光波的波长：在干涉圆环的中心处，=0，则=此时条纹的级次会随着两平行透镜的间距d而改变，当移动静使d增加，中心圆环就不断“涌出”，当d减小时中心圆环则不断“涌入”，此时在光线经过的路径上放置分划板，根据条纹移动时经过分划板上标志点的数目和动镜移动的距离，便可求出入射光的波长： 三试验仪器：迈克尔逊干涉仪的结构如下图所示：读数系统固定在座上，背面的三个螺丝和在它下面的两个相垂直的螺丝可用来精确的调节镜的倾斜度。镜是沿导轨可动的（一般的倾斜度已调好，不要再动其背面的三个螺丝），它由一套精密齿轮丝杆来调节。卡在螺距为1mm的丝杆

31、上，丝杆由一个100分格的粗调手轮带动，因此，手轮每转一格，前进（或后退）1/100mm（这是粗调部分）转动一周移动1mm，拧紧手轮上的紧固螺丝，则粗调手轮由一个标有“0.0001”字样的小鼓轮带动，鼓轮也是100分格，因此，鼓轮每转一格,前进（或后退）0.0001mm（这是微调部分），这样，最小度数可估到十万分之一mm。四试验的内容和步骤：一调节仪器：1.点亮纳光灯，并调整方位是光线能照射到分束板上。2.调节粗调手轮，使两反射镜到镀膜面的距离大致相等，此时眼睛对准方向观察，将能够看到钠光灯的表面黑色尖状标志的两个影子（如果不能看到需要调整纳光灯的位置）3.仔细调整定镜后面的两个调整螺丝，改变

32、和的相对位置，当尖状标志的两个影子相互重合时说明已经将和调整至相互垂直时，此时可观察到干涉条纹。4.即使视场中看到了等倾干涉条纹，也不要急着测量，先要判断是否出现视差，判断方法是：当你上下移动眼睛，发现干涉条纹中心既不“陷入”也不“涌出”条纹，只是随着你的眼睛移动。说明没有视差，如果从中心涌出新的条纹，或者从中心缩进了一些条纹，则证明存在视差，此时要进一步缓慢调整螺丝，把视差消除。二测定纳光的波长1. 转动微调手轮，使M2前后移动，可看到干涉条纹的冒出或缩进。仔细观察，当M2位置改变时，干涉条纹的粗细、疏密与d的关系。2.当视场中心出现清晰的，对比度较好的干涉圆环时，再慢慢的转动微调手轮，直到

33、视场中心的条纹一个一个向外涌出（或缩进）当干涉环中心最亮时，记下活动镜位置读数，然后继续缓慢转动微调手轮，当冒出（或缩进）的条纹数N=100时，再记下活动镜位置读数，反复测量多次，由公式 计算出波长，并与纳光的波长589.3nm对比，计算相对不确定度2.数据处理: 测量数据表 0=589.3nm， =50 单位：mm测量次数12345 nm， % 五注意事项：1. 干涉仪是精密光学仪器，绝对不能用手直接触摸各部件的光学表面。2.调节螺丝时一定要缓慢旋转，要留有调节余地，要轻、慢，决不允许强扭硬扳，防止将螺丝转死或者使得镜面变形。3. 测量中，转动手轮只能缓慢地沿一个方向前进（或后退），否则会引

34、起较大的空程误差。六问题讨论：（1）在什么条件下产生等倾干涉条纹？什么条件下产生等厚干涉条纹?（2）迈克尔逊干涉仪产生的等倾干涉条纹与牛顿环有何不同?阅读材料试验四.分光计的调节及棱镜折射率测定分光计是用来测量光线夹角的光学仪器，在光遇到不同介质的表面会发生反射和折射现象，如果能够测出入射光线和反射及折射光线的夹角，就可以测出介质的折射率，这些介质包括光学玻璃、石英玻璃、光学塑料、光学纤维等。通过对某些角度的测量，还可以测定光栅常数、光波波长、色散率等许多物理量。因而精确测量这些角度，在光学实验中显得十分重要。分光计的调整思想、方法与技巧，在光学仪器中有一定的代表性，并且结构较为复杂，调整难度

35、较大，对于初次使用者来说，往往会遇到一些困难。但是熟悉仪器后并且按照试验步骤和要求耐心调整，注意分析，还是能够完成试验任务的。这些对于提高学生的动手能力和试验分析能力有较大的好处。一、 试验原理：本试验主要测量的是正三角形的三棱镜的折射率，如图所示：CBAAB,AC为两工作面，其夹角为顶角，入射光线为DE，从AB面入射后在经过两工作面时发生两次折射，最后从AC面射出，出射光线为FG,DE和FG的夹角称为偏向角，易见当入射角变化时，偏向角也随之改变，当时，偏向角是最小的 称为最小偏向角.三棱镜的折射率和最小偏向角有如下关系(证明略)只要顶角A和测出,折射率可测出来,而测顶角和最小偏向角就是试验任

36、务的两个方面.二、 试验仪器1. 分光计的结构图4-1 分光仪分光计主要由底座、望远镜、准直管、载物平台和刻度圆盘组成，每一部分都有特定的调节螺丝。载物台是中间的圆形平台，用来放置三棱镜、光栅等光学元件，可以然中轴更随度盘一起旋转（也可以松开底部锁紧螺丝，单独旋转）两层之间有三个互成120°的调节螺钉（a1,a2,a3），通过对3个螺钉的高度的调整，可调节上层平台的倾斜度。ABC三棱镜放置的位置如图所示，其三条边和螺钉（a1,a2,a3）的对应边相互垂直，这样放置的目的是当调节时只改变与之相对的面的倾角，而不改变另一工作面的倾角，当改变时只调节面的倾角，而不改变面的倾角。望远镜由目镜

37、、物镜和分划板组成，其结构如图3所示。本实验所使用的分光计带有阿贝式自准目镜，物镜是一消色差的复合正透镜。分划板位于目镜和物镜之间，板的下半部粘有一块45°全反射小棱镜，板面上刻有准线，如图3(a)所示。小棱镜紧贴分划板的面上镀有不透光的薄膜，并在薄膜上刻出一个透光的小“十”字。把分划板调整到目镜的焦平面上，则通过目镜就可以看到完全清晰的准线和下部的小“十”字窗。小“十”字窗与分划板上方的十字准线（称为调整用准线）关于视场中心对称。（a）反射像平面镜 （b）图3 望远镜结构示意图当照明小灯泡的光从望远镜筒下方射入后，经45°小棱镜的反射，透过空心“十”字窗从物镜出射。若此时

38、分划板又正好位于物镜的后焦面上（同时已位于目镜的前焦面），望远镜出射平行光。在物镜前放一平面镜，经平面镜反射回来的平行光，再经过物镜又将聚焦在分划板平面上，形成空心“十”字的像（绿色）。这种物屏经过透镜和平面镜组合所成的像在物屏本身的方法，就叫做自准直。如果平面镜镜面与望远镜的光轴垂直，那么绿“十”像将落在与空心“十”字对称的位置上，即分划板上方的准线交叉点处，如图3(b)所示。2. 分光计的读数系统： 读数装置由刻度盘和游标盘两部分组成。刻度盘分为360°，最小分度为半度（30），半度以下的角度可借助游标准确读出。游标等分为30格，正好跟刻度盘上的29小格等长，因此游标上1小格与刻

39、度盘上1小格两者之差为1，即分光计最小分度为1。角游标的读法与游标卡尺类似，以游标零线为基准，先读出大数（大于30的部分），再利用游标读出小数（小于30 的部分），大数跟小数之和即为测量结果。例如，图4所示位置的读数为： 87°30 +15 = 87°45。 图4 分光计的游标盘在生产分光计时，难以做到使望远镜、刻度盘的旋转轴线与分光计中心轴完全重合。为消除因偏心而引起的误差，在游标盘同一条直径的两端各装一个读数游标。测量时两个游标都应读数，用双游标消除偏心误差。3. 利用分光计测量角度的工作原理光源（纳光灯）发出的光线经过狭缝入射到平行光管，形成线状光源，可以调整狭缝到平

40、行光管物镜的距离，使之产生平行光。经过三棱镜折射后由望远镜接收到光线（需要转动望远镜调整方向接收），该光线在分划板上形成谱线，测出平行光管和望远镜的夹角即为入射光线和出射光线的偏向角。三试验内容与步骤：1、测量前应调节分光计达到三个要求：望远镜调焦于无穷远平行光管出射平行光平行光管和望远镜的光轴应与分光计中心轴垂直为达到上述要求,我们采用自准法调节望远镜,使之达到所要的状态.具体步骤如下:1) 目测粗调 用眼睛从分光仪的各个侧面估测,使望远镜和平行光管大致与仪器的中心轴垂直.2) 利用自准法将望远镜调焦于无限远 点亮目镜旁的小灯照亮叉丝,借助平面反射镜将叉丝像反射回来作为无限远的物,调节平面反

41、射镜和望远镜的俯仰使得从望远镜中能看到反射回来的叉丝像,这时对望远镜进行调焦,当反射回来的叉丝像变的最清晰,并且与叉丝之间没有视差时(怎样判断有无视差,如何消除?),叉丝与叉丝像都位于望远镜物镜的焦平面上.此时,望远镜就被调焦于无限远. 3) 用各半调节法使望远镜的光轴于仪器的转轴垂直 此时仍需借助平面反射镜来调节.从望远镜视场中观察，当无论以平面镜的哪一个反射面对准望远镜，均能观察到亮十字时，如从望远镜中看到准线与亮十字像不重合，它们的交点在高低方面相差一段距离如图2.1(a)所示。此时调整望远镜高低倾斜螺丝使差距减小为h/2，如图2.1(b)所示。再调节载物台下的水平调节螺丝，消除另一半距

42、离，使准线的上部十字线与亮十字线重合，如图2.1(c)所示。之后，再将载物台旋转180o ，使望远镜对着平面镜的另一面，采用同样的方法调节。如此反复调整，直至转动载物台时，从平面镜前后两表面反射回来的亮十字像都能与分划板准线的上部十字线重合为止。这时望远镜光轴和分光计的中心轴相垂直，常称这种方法为逐次逼近各半调整法。（在此实验过程中,可否只用一次各半调节法来节望远镜,为什么?）此时,望远镜被调焦于无限远,同时望远镜的的光轴与仪器的中心转轴垂直.此时的望远镜将用于调节其它部分的标准,对望远镜的任何调节都将是被禁止的。 图 2 亮十字像与分板准线的位置关系 4) 调节平行光管使之出射平行光,并且其

43、光轴与仪器的中心转轴垂直. 望远镜中看到清晰的狭缝像后，转动狭缝（但不能前后移动）至水平状态，调节平行光管倾斜螺丝，使狭缝水平像被分划板的中央十字线上、下平分，如图3(a)所示。这时平行光管的光轴已与分光计中心轴相垂直。再把狭缝转至铅直位置，并需保持狭缝像最清晰而且无视差，位置如图3(b)所示。至此分光计已全部调整好，使用时必须注意分光计上除刻度圆盘制动螺丝及其微调螺丝外，其它螺丝不能任意转动，否则将破坏分光计的工作条件，需要重新调节。a)b)图3 狭缝像与分划板位置2、测量三棱镜的顶角：ABC测棱镜的顶角可以用反射法：用望远镜镜筒正对三棱镜面，使发射的像落在自准点上，记录下读数和，然后使度盘

44、和望远镜共同转动到正对三棱镜面，记录下读数和，则三棱镜的顶角为：3、测量最小偏向角： （1）平行光管狭缝对准前方水银灯光源。（2）旋松望远镜止动螺钉（16）和游标盘止动螺钉（23），把载物台及望远镜转至如图7.1.2-11中所示的位置（1）处，再左右微微转动望远镜，找出棱镜出射的黄色的钠黄光谱线。（3）轻轻转动载物台（改变入射角i）,在望远镜中将看到谱线跟着动。改变i，应使谱线往减小的方向移动（向顶角A方向移动）。望远镜要跟踪光谱线转动，直到棱镜继续转动，而谱线开始要反向移动（即偏向角反而变大）为止。这个反向移动的转折位置，就是光线以最小偏向角射出的方向。固定载物台（锁紧23），再使望远镜微动

45、，使其分划板上的中心竖线对准其中的那条绿谱线。（4）测量记下此时两游标处的读数和。取下三棱镜（载物台保持不动），转动望远镜对准平行发光管，即图7.1.2-11中（2）的位置，以确定入射光的方向，再记下两游标处的读数和。此时绿谱线的最小偏向角将值和测得的棱镜角平均值代入式（2）计算n。四、注意事项：1无论是平行光管还是望远镜和三棱镜都不能直接用手触摸镜头表面，以免磨损镜头，影响测量精度，三棱镜不要用手触摸侧面的工作面，拿持时只能接触上下表面。2.读数时要注意刻度盘有没有经过零点和刻度线，如果经过要对数值进行修正。例如：，则转角3.分光计是精密仪器，所以调节螺丝要注意不要转死，要留有余地，不要用力

46、旋转刻度盘，如果转不动要检查是否将锁紧螺丝旋紧了。五、数据处理：1.测顶角A数据表n镜筒与AB面垂直镜筒与AB面垂直顶角A平均值123452.测量衍射角数据表：衍射角12345棱镜折射率六、分析与讨论：1、如果一游标转动过程中经过了0刻度线，应如何取值？2.分光计的调整过程中包括哪些步骤？应该注意哪些方面？实验五、单缝衍射光强的测定光的衍射是反映光的波动性的非常重要的特征，让光经过透镜形成平行光入射到细缝或者圆孔，在后面的光屏上可以形成衍射条纹，并可以通过光强计测出光强的分布，本试验可以加强对光的衍射现象的直观理解。一、 试验目的：观察单缝衍射现象，加深对衍射理论的理解。会用光电元件测量单缝衍

47、射的相对光强分布，掌握其分布规律。学会用衍射法测量微小量。二、试验原理：光的衍射现象是光的波动性的重要表现。根据光源及观察衍射图象的屏幕（衍射屏）到产生衍射的障碍物的距离不同，分为菲涅耳衍射和夫琅禾费衍射两种，前者是光源和衍射屏到衍射物的距离为有限远时的衍射，即所谓近场衍射；后者则为无限远时的衍射，即所谓远场衍射。要实现夫琅禾费衍射，必须保证光源至单缝的距离和单缝到衍射屏的距离均为无限远（或相当于无限远），即要求照射到单缝上的入射光、衍射光都为平行光，屏应放到相当远处，在实验中只用两个透镜即可达到此要求。实验光路如图1所示，图1 夫琅禾费单缝衍射光路图与狭缝E垂直的衍射光束会聚于屏上P0处，是

48、中央明纹的中心，光强最大，设为I0，与光轴方向成角的衍射光束会聚于屏上PA处，PA的光强由计算可得：式中，b为狭缝的宽度，为单色光的波长，当时，光强最大，称为主极大，主极大的强度决定于光强的强度和缝的宽度。 当，即：时，出现暗条纹。 除了主极大之外，两相邻暗纹之间都有一个次极大，由数学计算可得出现这些次极大的位置在=±1.43，±2.46，±3.47，这些次极大的相对光强I/I0依次为0.047，0.017，0.008，图2 夫琅禾费衍射的光强分布夫琅禾费衍射的光强分布如图2所示。图3 夫琅禾费单缝衍射的简化装置 用氦氖激光器作光源，则由于激光束的方向性好，能量集

49、中，且缝的宽度b一般很小，这样就可以不用透镜L1，若观察屏（接受器）距离狭缝也较远（即D远大于b）则透镜L2也可以不用，这样夫琅禾费单缝衍射装置就简化为图3，这时，由上二式可得二、实验装置激光器座、半导体激光器、导轨、二维调节架、一维光强测试装置、分划板 、可调狭缝、平行光管、起偏检偏装置、光电探头 、小孔屏、 数字式检流计、专用测量线等。按测量一维光强分布和测量偏振光光强分布两种方式可构成两种装置，分别见图4和图5。图4 衍射、干涉等一维光强分布的测试1、激光电源 2、激光器 3、单缝或双缝等及二维调节架4、小孔屏 5、导轨 6、光电探头7、一维光强测量装置 8、WJF型数字式检流计图5 测

50、量偏振光光强1、激光电源 2、激光器 3、扩束镜及平行光管4、起偏检偏装置 5、光电探头 6 、WJF型数字式检流计三、试验内容和步骤：1. 接上电源（要求交流稳压220V±11V，频率50HZ输出），开机预热15分钟；2. 量程选择开关置于“1”档，衰减旋钮置于校准位置（即顺时针转到头，置于灵敏度最高位置），调节调零旋钮，使数据显示为.000（负号闪烁）；3. 选择适当量程，接上测量线（线芯接负端，屏蔽层接正端，如若接反，会显示“”），即可测量微电流；4. 如果被测信号大于该档量程，仪器会有超量程指示，即数码管显示“”或“E”，其他三位均显示“9”，此时可调高一档量程（当信号大于最

51、高量程，即2×10-4A时，应换用其他仪表测量）；5. 当数字显示小于190，小数点不在第一位时，一般应将量程减小一档，以充分利用仪器的分别率；6. 衰减旋钮用于测量相对值，只有在旋钮置于校准位置（顺时针到底）时，数显窗才指示标准电流值；7. 测量过程中，需要将某数值保留下来时，可开保持开关（指示灯亮），此时，无论被测信号如何变化，前一数值保持不变。（一）衍射、干涉等一维光强分布的测试1、 按图4搭好实验装置。此前应将激光管装入仪器的激光器座上，并接好电源；2、 打开激光器，用小孔屏调整光路，使出射的激光束与导轨平行；3、 打开检流计电源，预热及调零，并将测量线连接其输入孔与光电探头

52、；4、 调节二维调节架，选择所需要的单缝、双缝、可调狭缝等，对准激光束中心，使之在小孔屏上形成良好的衍射光斑；5、 移去小孔屏，调整一维光强测量装置，使光电探头中心与激光束高低一致，移动方向与激光束垂直，起始位置适当；6、 开始测量，转动手轮，使光电探头沿衍射图样展开方向（x轴）单向平移，以等间隔的位移（如0.5mm或1mm等）对衍射图样的光强进行逐点测量，记录位置坐标x和对应的检流计（置适当量程）所指示的光电流值读数I，要特别注意衍射光强的极大值和极小值所对应的坐标的测量；7、 绘制衍射光的相对强度I/I0与位置坐标x的关系曲线。由于光的强度与检流计所指示的电流读数成正比，因此可用检流计的光

53、电流的相对强度i/i0代替衍射光的相对强度I/I0。由于激光衍射所产生的散斑效应，光电流值显示将在时示值的约10%范围内上下波动，属正常现象，实验中可根据判断选一中间值，由于一般相邻两个测量点（如间隔为0.5mm时）的光电流值相差一个数量级，故该波动一般不影响测量。8、在坐标纸上以横轴为测量装置的移动距离，纵轴为光电流值，将记录下来的数据绘制出来，就是单缝衍射光强分布图。9、最后将各次极大相对光强与理论值进行比较，分析产生误差的原因。（二）测量单缝的宽度1、测量单缝到光电池的距离D，用卷尺测取相应移动座间的距离即可；2、再从前一步骤中所得的分布曲线可得各级衍射暗条纹到明条纹中心的距离xk，求出同级距离xk的平均值xk，将和D值代入公式，计算出单缝宽度，用不同级数的结果计算平均值。四、数据记录及数据处理1.学生自己设计表格，记录数据；2.选取中央最大光强处为轴坐标原点，把测得的数据作归一化处理。即把在不同位置上测得的检流计光强读数I除以中央最大的光强读数I0，然后在毫米方格（坐标）