普通物理实验光学

1、普通物理实验光学第1页，共80页，2022年，5月20日，1点30分，星期四本讲座以 透镜的应用 分光计的应用 干涉、衍射现象的应用等实验方法为例来讨论实验方案的设计和制作。第2页，共80页，2022年，5月20日，1点30分，星期四透镜的应用将讨论如何组装 一台显微镜和望远镜显微镜和望远镜的光路的确定物镜、目镜中透镜的选择显微镜和望远镜的放大率的测定 第3页，共80页，2022年，5月20日，1点30分，星期四显微镜组装显微镜第4页，共80页，2022年，5月20日，1点30分，星期四显微镜的组成组装显微镜ABFoFefo fe 物镜 目镜 光学间隔,通常为17cm或19cm.第5页，共80

2、页，2022年，5月20日，1点30分，星期四显微镜组装显微镜FoFefo feBAA2B2B1A1物镜目镜d1d2d3 由眼睛的调节作用所能看得清楚的最远和最近两点，分别叫作远点和近点。正常眼的远点在无限远处，近点在眼前10cm至15cm处。物体离开眼睛25cm处，眼睛看得最清晰，并且看起来不感到疲劳，这个距离称之为明视距离。显微镜最后成像在人眼的明视距离处.第6页，共80页，2022年，5月20日，1点30分，星期四FoFeBAA2B2B1A1fo fed1d2d3d1.物镜的放大率：2.目镜的放大率：3.显微镜总的放大率：4. 通常规定，明视距离d=25cm,显微镜的光学间隔=17cm.

3、按照上述数据计算出的oe刻在物镜和目镜第7页，共80页，2022年，5月20日，1点30分，星期四显微镜放大率测定方法： 在距离目镜25cm处放置一毫米分度的米尺（B），在物镜前放置另一毫米分度的短尺（A)，观察者用一只眼睛通过显微镜观察短尺A的像，另一只眼睛直接观察米尺B,将同时看到的物长和像长进行比较. 组装显微镜的放大率测定25cmA尺B尺A尺的像第8页，共80页，2022年，5月20日，1点30分，星期四望远镜物镜目镜 fo fe组装望远镜对于望远镜，两透镜的光学间隔近乎为零。第9页，共80页，2022年，5月20日，1点30分，星期四望远镜物镜目镜组装望远镜 用望远镜观察时，通常物在

4、很远处或无限远处，物镜所成的像近乎位于物镜焦片面上，该像再通过目镜成像在观察者眼睛的明视距离和无穷远之间。副光轴第10页，共80页，2022年，5月20日，1点30分，星期四F副光轴作图法 第11页，共80页，2022年，5月20日，1点30分，星期四望远镜视角放大率定义： AB是物AB的像, 用仪器时虚像所张的视角, 不用仪器时物体所所张的视角望远镜角放大率为：组装望远镜ABABO第12页，共80页，2022年，5月20日，1点30分，星期四BAA1B1B2A2 fo fe所以，望远镜的放大率为：组装望远镜与放大率测定(实际上，物和望远镜的距离远大于望远镜长度，所以可看作不用仪器时物体所所张

5、的视角）第13页，共80页，2022年，5月20日，1点30分，星期四组装望远镜与放大率测定很小时例如:(以弧度为单位)第14页，共80页，2022年，5月20日，1点30分，星期四望远镜视角放大率定义： AB是物AB的像, 用仪器时虚像所张的视角, 不用仪器时物体所所张的视角望远镜角放大率为：组装望远镜ABABOA2第15页，共80页，2022年，5月20日，1点30分，星期四 望远镜放大率的测定方法： 观察者用一只眼睛观察望远镜视野中标尺的像l0,另一只眼睛同时不通过望远镜直接观察标尺l,将同时看到的物长和像长进行比较. 组装望远镜的放大率测定大于2m第16页，共80页，2022年，5月2

6、0日，1点30分，星期四 望远镜放大率的测定方法2：组装望远镜的放大率测定fo+ fedL1L2 当望远镜对无穷远调焦时，望远镜筒的长度就可以认为是fo+fe。这时如将望远镜的物镜卸下，在它的位置上放一长度为L1的目的物，在离目镜d处，得一实像,其长度为L2,于是有：第17页，共80页，2022年，5月20日，1点30分，星期四思考题1.欲增加显微镜的放大倍数,应采取什么措施?2.欲增加望远镜的放大倍数,应采取什么措施?减小物镜焦距、减小目镜焦距增加物镜焦距、减小目镜焦距第18页，共80页，2022年，5月20日，1点30分，星期四思考题1.有一显微镜，其物镜为50 mm，目镜为100mm，两

7、透镜光学间隔为170mm，该显微镜 a.目镜放大倍数2.5倍； b.目镜放大倍数3.4倍； c.目镜放大倍数2.0倍； d.目镜放大倍数1.7倍；第19页，共80页，2022年，5月20日，1点30分，星期四思考题2.现有3块凸透镜，它们焦距分别是50mm, 200mm, 300mm,若组装一架放大倍数尽可能大望远镜，可选择：a.用50mm的凸透镜做物镜、300mm的凸透镜做目镜；b.用300mm的凸透镜做物镜、50mm的凸透镜做目镜；c.用200mm的凸透镜做物镜、300mm的凸透镜做目镜d.用300mm的凸透镜做物镜、200mm的凸透镜做目镜；第20页，共80页，2022年，5月20日，1

8、点30分，星期四薄透镜焦距的测定第21页，共80页，2022年，5月20日，1点30分，星期四 用自准直法测凸透镜焦距 位于凸透镜焦平面上物体发出的光，经透镜折射后成为平行光，若用一面反射镜将这平行光反射回去，再经过原透镜，则必然成像于原焦平面上，透 镜与物之间的距离即为透镜的距离。薄透镜焦距的测定第22页，共80页，2022年，5月20日，1点30分，星期四物距-像距法测量透镜焦距透镜焦距的测定uv第23页，共80页，2022年，5月20日，1点30分，星期四由透镜两次成法求凸透镜焦距 透镜焦距的测定第24页，共80页，2022年，5月20日，1点30分，星期四由透镜两次成像求凸透镜焦距 透

9、镜焦距的测定(L4f)物小像大像dL第25页，共80页，2022年，5月20日，1点30分，星期四 由透镜两次成像求凸透镜焦距dLu1v1u2v2透镜焦距的测定1/6+1/3=1/21/3+1/6=1/2第26页，共80页，2022年，5月20日，1点30分，星期四思考题用自准法测凸透镜的焦距时，在物屏上所成的像是a.倒立、放大； b.正立、等大；c.倒立、等大； d.正立、放大；用自准法测凸透镜的焦距时，平面镜到透镜的距离a.只影响成像的明亮程度；b.只影响成像的清晰程度；c.对成像的明亮程度和清晰程度都有影响；d.对成像的明亮程度和清晰程度皆无影响；第27页，共80页，2022年，5月20

10、日，1点30分，星期四分光计的应用将讨论 分光机的组成与调节 用分光机测量 三棱镜顶角A 三棱镜折射率 第28页，共80页，2022年，5月20日，1点30分，星期四分光计第29页，共80页，2022年，5月20日，1点30分，星期四分光计的调节 分光计的构成：由底座（刻度盘和游标）、平行光管(准直管)、 望远镜和载物平台组成。第30页，共80页，2022年，5月20日，1点30分，星期四分光计的调节第31页，共80页，2022年，5月20日，1点30分，星期四1. 望远镜聚焦于无穷远。 分光计的调节第32页，共80页，2022年，5月20日，1点30分，星期四分光计的调节第33页，共80页，

11、2022年，5月20日，1点30分，星期四2. 调节望远镜的光轴与仪器旋转主轴垂直、观察平面与仪器旋转主轴重合。分光计的调节 1.调节望远镜镜身下的螺丝来调节望远镜的光轴与仪器旋转主轴垂直。 2. 调节载物平台下面的螺丝来调节观察平面与仪器旋转主轴重合。(平面镜与仪器主轴平行)第34页，共80页，2022年，5月20日，1点30分，星期四2.用逐次逼进法调节望远镜的光轴与仪器旋转主轴垂直，直到镜面反射的小十字叉丝和调整叉丝重合。分光计的调节调节望远镜镜身下的螺丝来调节望远镜的光轴与仪器旋转主轴垂直。第35页，共80页，2022年，5月20日，1点30分，星期四 在载物平台上放置平面反射镜（或三

12、棱镜），注意放置方位，以致可用一只螺钉控制一个反射面的倾斜。分光计的调节第36页，共80页，2022年，5月20日，1点30分，星期四分光计的调节第37页，共80页，2022年，5月20日，1点30分，星期四分光计的调节第38页，共80页，2022年，5月20日，1点30分，星期四分光计的调节第39页，共80页，2022年，5月20日，1点30分，星期四3.让准直管产生平行光分光计的调节第40页，共80页，2022年，5月20日，1点30分，星期四 分光计的读数：为了消除度盘的刻度中心与仪器转动轴之间偏心差，必须同时读取两个游标的读数。分光计的调节第41页，共80页，2022年，5月20日，1

13、点30分，星期四 分光计的读数：8745 分光计的调节第42页，共80页，2022年，5月20日，1点30分，星期四用分光计测定三棱镜的顶角第43页，共80页，2022年，5月20日，1点30分，星期四用分光计测定三棱镜的顶角第44页，共80页，2022年，5月20日，1点30分，星期四 望远镜分别与棱镜的两折射面垂直，即十字叉丝的反射像与调整叉丝完全重合时，记录两游标的读数。三棱镜顶角A的测定V1, V2,V1, V2A望远镜在此位置有两个读数望远镜转到此位置也有两个读数第45页，共80页，2022年，5月20日，1点30分，星期四 掠射法测定三棱镜的折射率的原理 n1n,除掠射光I外,其他

14、光线 在AB面上的入射角均小于90, 即其他光线的折射角都小于掠 射光I的折射角，最后进入空气 后均在光线I的左侧,形成明暗 视场. 如果棱镜角 A=90 则有： 三棱镜折射率的测定-掠射法第46页，共80页，2022年，5月20日，1点30分，星期四 掠射法测定三棱镜的折射率的原理 三棱镜折射率的测定-掠射法第47页，共80页，2022年，5月20日，1点30分，星期四思考题在分光计的调整中，转动载物平台（包括反射平面镜）时，反射回来的亮十字总是在上叉丝交点（右图a点）下面移动，说明：a.平面镜与仪器主轴平行，望远镜光轴与仪器主轴不垂直；b.平面镜与仪器主轴不平行，望远镜光轴与仪器主轴垂直；

15、c.平面镜与仪器主轴平行，望远镜光轴与仪器主轴垂直；d.上面三种情况都有可能；a第48页，共80页，2022年，5月20日，1点30分，星期四干涉、衍射将讨论 双缝干涉 单缝衍射 光栅衍射 等现象的观察和波长的测量 第49页，共80页，2022年，5月20日，1点30分，星期四 双缝干涉 杨氏双逢干涉实验 S1、S2由同一光源产生,故满足振动方向相同、频率相等、相位差恒定（本实验中相位差为0）的相干条件。 条纹间隔与屏和缝之间的距离、光源波长成正比,与双逢的间隔成反比。第50页，共80页，2022年，5月20日，1点30分，星期四 双缝干涉 菲涅耳双棱镜 S1、S2这对相干光源也可以由菲涅耳双

16、棱镜获得。菲涅耳双棱镜是将一块平玻璃板的上表面加工成两楔形，楔角较小（一般小于1度），这种棱镜称为双棱镜。 第51页，共80页，2022年，5月20日，1点30分，星期四 双缝干涉 菲涅耳双棱镜干涉实验 当狭缝发出的光波投射到双棱镜上时，形成沿不同方向传播的两束相干柱波。在其相互交叠区域P1P2内产生干涉。如果狭缝的宽度较小，双棱镜的棱脊与光源平行，就能在白屏P上观察到平行于狭缝的等间距亮暗干涉条纹。 图三第52页，共80页，2022年，5月20日，1点30分，星期四 双缝干涉 菲涅耳双棱镜干涉实验 第53页，共80页，2022年，5月20日，1点30分，星期四 双缝干涉 用双棱镜干涉测量钠光

17、波长 设d代表两虚光源S1和S2间的距离，d为虚光源所在的平面（近似地在光源狭缝S的平面内）至观察屏的距离，且dd，干涉条纹宽度为x，则实验所用光波波长可由下式确定:第54页，共80页，2022年，5月20日，1点30分，星期四 双缝干涉 0 2 4 6 8第55页，共80页，2022年，5月20日，1点30分，星期四 双缝干涉 两虚光源间的距离的测量 两虚光源间的距离d，可用已知焦距为f的会聚透镜L置于双棱镜与测微目镜之间，由透镜的两次成像法求得。 图四第56页，共80页，2022年，5月20日，1点30分，星期四 双缝干涉 两虚光源间的距离的测量 沿光具座前后移动透镜L，就可以在L的两个不

18、同位置上从测微目镜中看到两虚光源S1S2经透镜所成的实像S1S2，其中组为放大的实像另一组为缩小的实像。分别测得两次清晰成像时实像的间距d1、d2,则有图四d1d2第57页，共80页，2022年，5月20日，1点30分，星期四 双缝干涉 实验操作的几个要点调节共轴调节干涉条纹（）减小狭缝S的宽度，绕系统光轴缓慢地向右或向左旋转双棱镜AB，当双棱镜的棱脊与狭缝的取向严格平行时，将会出现清晰干涉条纹。图三第58页，共80页，2022年，5月20日，1点30分，星期四 双缝干涉 图三实验操作的几个要点调节干涉条纹（）看到清晰的干涉条纹后，适当地调整缝宽，使干涉条纹的宽度适当，同时在不影响条纹清晰度的

19、情况下，以保持干涉条纹有足够的亮度。双棱镜和狭缝的距离不宜过小，因为减小它们的距离，S1S2间距也会减小，对测量d不利。第59页，共80页，2022年，5月20日，1点30分，星期四 思考题 1.狭缝的宽度对干涉条纹的有什么影响?2.光源用钠光灯代替氦氖激光,干涉条纹的宽度有什么区别? 狭缝过细,两束光相干性越好,但光通量太少,将使干涉条纹亮处不亮而不清晰. 狭缝过宽,两束光相干性变差, 将使干涉条纹不清晰.第60页，共80页，2022年，5月20日，1点30分，星期四 单缝衍射 夫琅和费单缝衍射 光在传播过程中遇到障碍物时，会偏离原来的直线传播方向，并在障碍物后的观察屏幕上呈光强的不均匀分布

20、，这种现象称为光的衍射。当光源和衍射场都在离衍射物无限远时，称为夫琅和费衍射，它是光学仪器中最常见的衍射。第61页，共80页，2022年，5月20日，1点30分，星期四 单缝衍射 夫琅和费单缝衍射 当一束平行光垂直入射到很狭的单狭缝上时，可以把单缝面的每一个点作为一个新光源。这些新光源发出的光波在空间互相叠加，使得有些地方互相加强，形成亮点，有的地方互相减弱，形成暗点。 第62页，共80页，2022年，5月20日，1点30分，星期四 单缝衍射 夫琅和费单缝衍射条纹的观察:单逢至屏的距离应该足够长。第63页，共80页，2022年，5月20日，1点30分，星期四zxk=1k=2k=1k=2 单缝衍

21、射 夫琅和费单缝衍射条纹特点: 其它亮条纹(次极大)的位置虽对称分布,但不等间隔. 中央亮条纹的宽度是其它亮条纹宽度的2倍 暗条纹(极小值)的位置以中央亮条纹的中点为中心,等间距,对称分布.第64页，共80页，2022年，5月20日，1点30分，星期四 单缝衍射 夫琅和费单缝衍射特点:zxk=1k=2k=1k=2当衍射角满足光强为零,出现暗条纹。在sin 很小时,sin =x/z，则屏幕上暗条纹的坐标x应满足第65页，共80页，2022年，5月20日，1点30分，星期四X 单缝衍射 夫琅和费单缝衍射特点: 中央亮条纹的宽度为其它亮条纹宽度的两倍，中央亮条纹的宽度为2x，其它亮条纹宽度为x。zk

22、=1k=2k=1k=2第66页，共80页，2022年，5月20日，1点30分，星期四 单缝衍射 夫琅和费单缝衍射特点: 亮条纹的宽度x与z和成正比，与 a成反比。单缝的宽度由窄变宽第67页，共80页，2022年，5月20日，1点30分，星期四 单缝衍射 用夫琅和费单缝衍射测量单缝（单丝）宽度:KXK02134X1X2X3X4第68页，共80页，2022年，5月20日，1点30分，星期四 单缝衍射 用夫琅和费单缝衍射测量单缝（单丝）宽度:用读数显微镜测量单缝的宽度,对实验数据进行校对.第69页，共80页，2022年，5月20日，1点30分，星期四衍 射 光 栅第70页，共80页，2022年，5月20日，1点30分，星期四衍 射 光 栅第71页，共80页，2022年，5月20日，1点30分，星期四 衍 射 光 栅 光栅是一组数目极多的等宽、等距和平行排列的狭缝。透明区宽度a与不透明区宽度b之和d称之为光栅常数。它决定了光栅的基本性质。 d=a+b 第72页，共80页，2022年，5月20日，1点30分，星期四 衍 射 光 栅 一.实验原理 自S射出的平行光垂直地照射在光栅上，透镜将衍射光会聚于其像平面上，产生衍射亮条纹条件是： d sin = k （K=,-2,-1,0,1,2,) 第73页，共80页，2022年，5月20日，1点30分，星期四衍 射 光 栅 单