简明大学物理实验教程 课件 ch8 光学基础与综合性实验

第八章光学基础与综合性实验物理学-实验-高等学校-教材简明大学物理实验教程01光学基本仪器及常用光源PARTONE图8-1是测微目镜的结构示意图。目镜筒1与本体盒⒉相连，利用固定螺钉8和接头套筒7可将测微镜固定在特定的支架上，也可装在诸如内调焦平行光管、测角仪、生物显微镜等仪器上作为可测量目镜用。目镜焦平面的内侧装有一块量程为8mm的刻线玻璃标尺3，其分度值为1mm，在该尺下方0.1mm处平行地放置一块由薄玻璃片制成的分划板4，上面刻有斜十字准线和一平行双线，如图8-2所示。1.基本结构一、测微目镜分划板的框架与由读数鼓轮6带动的丝杆5通过弹簧相连，当读数鼓轮顺时针旋转时，丝杆便推动分划板沿导轨垂直于光轴向左移动，通过目镜可观察到准线交点和平行双线向左平移，此时联结弹簧伸长；当鼓轮逆时针旋转时，分划板在弹簧恢复力的作用下，向右移动，准线交点和平行双线也向右平移，读数鼓轮每转动一圈，准线交点及平行双线便平移1mm。在读数鼓轮的轮周上均匀地刻有100条线，即分成100小格，所以鼓轮每转过1小格，平行双线及斜准线交点相应地平移0.01mm。当准线交点（或平行双线中的某一条）对准待测物上某一标志（如长度的起始点或终点）时，该标志位置的读数等于玻璃尺上最靠近准线交点（或平行双线中相应的一条）的整数毫米值，加上鼓轮上小数位的读数值，以毫米为单位时，应取到小数点后3位。由于测得的结果为初读数和末读数之差，因此，在实际测量中，为方便计，常常以平行双线中的某一条为测量准线。1.基本结构一、测微目镜2.调整方法一、测微目镜测量前应先调节目镜以看清分划板上的测量准线，如图8-2所示。测量时，调节整个目镜与被测实像的间距（即调焦），使通过目镜观察到的待测像最清楚，而且与准线间无视差，即两者处于同一平面上，当测量者上下或左右稍微改变视线方向时，两者间没有相对位移，这是测微目镜已调整好的标志。由于丝杆与螺母的螺纹间有空隙，所以在测量过程中，只能沿同一方向转动鼓轮，依次移动测量准线来进行测量，以免引入螺距差。此外，在测量过程中，十字准线的交点（平行双线）移动范围必须控制在视场中的0~8mm以内，否则会损坏读数机构。显微镜由目镜和物镜组成，其光路如图8-3所示。在放大原理上，它与一般的生物显微镜完全相同。1.显微镜的结构和光路二、显微镜和读数显微镜1.显微镜的结构和光路二、显微镜和读数显微镜图8-4为实验室中常用的一种读数显微镜结构示意图。按不同的测量要求，其量程、分度值及视角放大率等可具有各种不同的规格。读数装置由标尺3和读数鼓轮6组成。标尺刻有50个分度，每分度为1mm，鼓轮刻有100个分度，分度值为0.01mm，其量程为50mm。当转动读数鼓轮时，载物平台即在垂直于镜筒轴线方向沿主尺移动，利用目镜筒内紧靠焦面内侧安装的一块十字（或单丝）准线分划板，即可对准待测物的测量点进行读数测量。1.显微镜的结构和光路二、显微镜和读数显微镜2.调整方法二、显微镜和读数显微镜（1）目镜调节。调节同镜与准线分划板的距离，直到测量者通过目镜看清读数准线为止。

（2）对待测物调焦。将待测样品放在载物平台上，微调物镜与样品间的距离。调节时，为了保护样品和物镜，总是先旋转调焦旋钮，将显微镜筒旋至样品上方最低位置，再将显微镜筒自下而上升高进行调焦，直至看清待测物，并没有视差。（3）测量读数。转动读数鼓轮使载物平台横向移动，转动纵向调节旋钮，让载物平台纵向移动，以使待测样品的像位于视场之中。此时再仔细旋转读数鼓轮，使读数准线依次对准待测部分像的两端，两个读数之差，即为待测部分的线度。与测微目镜一样，在测量过程中，只能沿同一个方向转动鼓轮，而不能在一次测量中来回转动鼓轮，以免引进螺距差。实验中使用的是CPG550型平行光管，其光学系统相当于一个具有高斯目镜结构的测量望远镜。其结构如图8-5所示。1.结构三、平行光管1.结构三、平行光管1.结构三、平行光管（1）十字分划板，如图8-6（a）所示，用来调整平行光管。（2）分辨率板，如图8-6（b）所示，分2号和3号两种，每块板上有25个图案单元。2号板，从第1单元到第25单元，每个图案单元中平行条纹的宽度由20µm递减到5µm；3号板，由40µm递减到10µm。（3）星点板，如图8-6（c）所示，星点直径为0.05mm，通过被检验的光学系统后，得到该星点的衍射花样，根据花样的形状可以定性检查系统成像质量的好坏。（4）玻罗板，如图8-6（d）所示，在玻璃基板上用真空镀膜法镀有五对刻线，各对刻线的间距分别为1.000mm、2.000mm、4.000mm、10.000mm和20.000mm，将玻罗板与测微目镜配合，可用来测定透镜的焦距和玻璃基板的平行度。2.调整方法三、平行光管为了使平行光管的出射光束严格平行，以提高测量的精度，必须在使用平行光管前，对平行光管进行两方面的调整:①用自准直法，使分划板严格处于物镜的焦平面上；②使十字分划板中心与平行光管光轴重合。具体调整步骤如下。（1）按图8-5所示安装平行光管，在分划板座上安装十字分划板。（2）调节目镜，在目镜中能清楚地看到十字分划板。（3）调节平面反射镜，使由平行光管射出的光束经平面镜反射后返回平行光管，在目镜中可以看到反射光斑和十字线的反射像。2.调整方法三、平行光管（4）细心调节分划板座的前后位置，使用镜中同时能清楚看到十字线及其像，并且没有视差，此时分划板已基本调节在物镜的焦平面上。（5）调节平面反射镜的垂直和水平调节螺旋，使分划板十字线与其像重合。（6）松开平行光管座上的止动螺旋，将平行光管绕其光轴转过180°，如发现分划板十字线的物像不再重合，则说明分划板十字线中心还没有与平行光管光轴重合。此时应分别调节平面反射镜及分划板座调节螺旋，两者各调节一半，使分划十字线物像重合。（7）重复上述步骤，反复调节，直到转动平行光管时十字线物像始终重合为止。四、常用光源大学物理实验室常用的光源有白炽灯、汞灯、钠灯、氢灯、LED灯、氦氖激光器、半导体激光器等。利用灯内气体在两电极间放电发光的原理制成的灯称为气体放电灯。其基本原理如下:被两电极间电场加速的电子与管内气体原子发生非弹性碰撞，使气体原子激发，受激发态廪子返回基态时，把多余的能量以光辐射的形式释放出来。钠光灯是钠蒸气放电灯。灯内在高真空条件下放入金属钠，并充入适量的惰性气体，泡壳由耐钠腐蚀的特种玻璃制成。低压汞灯灯管内充有汞及惰性气体氖或氩。四、常用光源气体放电灯有以下两类:一类是照明灯，如高压汞灯和高压钠灯；另一类是实验室中用作单色光源的低压放电光谱灯，在可见光光谱区，它们各自发出较强的特征光谱线。灯丝通电后，惰性气体电离放电，灯管温度逐渐升高，金属钠逐渐气化，然后产生钠蒸气弧光放电，发出较强的钠黄光。低压汞灯工作原理和钠光灯相似，它发出绿白色光。低压汞灯在可见光范围内的主要特征谱线是579.1nm、577.0nm、546.，1nm、435.8nm和404.7nm。其中，546.1nm和435.8nm两条谱线较强。其主要技术要求如下。弧光放电有负阻现象。为防止钠光灯发光后电流急剧增加而烧坏灯管，在钠光灯供电电路中需串入相应的限流器。例如，WEG2ONa低压钠光灯，其额定功率为20W，额定工作电压为220V，工作电流为1.2A。四、常用光源使用注意事项如下:（1）由于钠是一种难溶金属，一般通电后要过十余分钟钠蒸气才能达到正常的工作气压而稳定发光。（2）低压钠灯和汞灯开启后，要等到正常而稳定发光后才允许关闭。关闭后要过大约10分钟才允许重新启动。（3）低压钠灯和汞灯开启后正常发光时光强较大，容易刺伤眼睛，一般要加防护罩使用。氦氖激光器的单色性好，是最常用的一种实验单色光源。半导体激光器又称为激光二极管，是用半导体材料作为工作物质的激光器。半导体二极管激光器是最实用最重要的一类激光器。它具有效率高、体积小、寿命长、重量轻且价格低等特点，常作为激发光源和实验光源。（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受到冲击或震动，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，如必须用手拿光学元件时，只能接触器件的磨砂面，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清除。（5）光学元件表面若有轻微的污痕或指印，则用清洁的镜头纸轻轻擦去，但不要加压擦拭，不能用手帕、普通纸片或者衣服等擦拭。（6）防止唾液或其他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，防止灰尘玷污。五、光学元件和仪器的维护02分光计的调整与使用PARTTWO实验目的01明确分光计的基本结构和原理。02掌握分光计的调整要求和调整方法。03正确调节分光计，使其达到最佳工作状态，掌握分光计的使用方法以便进行精密测量，熟练掌握减半逐步逼近法及最小偏向角法。04用调整好的分光计测量三棱镜的顶角和折射率。实验仪器实验仪器JJY1'型分光计、光学平行平板及座、玻璃三棱镜、钠光灯、变压器3V/220V（容量3V·A）、手持照明放大镜。JJY1’型分光计是一种分光测角光学实验仪器，在利用光的反射、折射、衍射、干涉和偏振原理的各项实验中用于角度测量：利用光的反射原理测量棱镜的角度；利用光的折射原理测量棱镜的最小偏向角，计算棱镜的折射率和色散率；和光栅配合，做光的衍射实验，测量单色光波长；和偏振片、波片配合，做光的偏振实验等。要想测准入射光和出射光传播方向之间的夹角，根据反射定律和折射定律，应必须满足下述两个要求：（1）入射光和出射光应当是平行光。（2）入射光线、出射光线与反射面（或折射面〉的法线所构成的平面应当与分光计的刻度圆盘平行。所以，分光计必须具备以下四个主要部件：平行光管、望远镜、载物台、读数装置。分光计实物图如图8-7所示。它的基本结构和调节方法与光谱仪、单色仪等相类似。它主要由五个部分组成：三角底座、平行光管、望远镜、圆刻度盘和载物台。仪器描述仪器描述1）自准直法实验原理1测量三棱镜的顶角1）自准直法由于游标盘是一个圆，转动的时候转轴不可能正好在圆心，所以必然会有少量的偏心（如图8-10所示），用游标尺读数时就会产生误差，如果左右各放一个游标将读数求平均，就可以很好地消除偏心带来的误差。所以，在分光计实验中，需要从游标盘左右两个游标窗口分别读数的目的在于防止游标盘存在偏心率。实验原理1测量三棱镜的顶角2）反射法实验原理1测量三棱镜的顶角实验原理2测量最小偏向角实验原理3用最小偏向角法测量棱镜玻璃的折射率03光栅衍射实验PARTTHERE实验目的01熟悉掌握分光计的调节和使用方法。02加深对光栅衍射原理的理解。03学会用透射光栅测量光栅常数和光波波长。实验仪器JJY1'型分光计、光学平行平板及座、玻璃三棱镜、汞光灯、变压器3V/220V（容量3V·A）、手持照明放大镜、平面全息光栅（300条/mm、全框的光栅座）。实验仪器实验原理实验原理实验原理04偏振光的观察与研究PARTFOUR1.实验缺页05透镜焦距测量

的设计性实验PARTFIVE实验目的01了解并掌握透镜焦距测量的原理，利用不同的方法测量透镜的焦距。02掌握物像法、自准直法、位移法测量凸透镜焦距的原理和方法。03设计采用自准直法和位移法测量透镜焦距的步骤。实验仪器组合式综合光学实验装置DI-SO-1一套，1m导轨一根，光具座4个，接收白屏一个，点光源一个，成像物一个，凸透镜一个。实验仪器通过透镜中心并垂直于镜面的几何直线称作透镜的主光轴。平行于主光轴的平行光经凸透镜折射后会聚于主光轴上的一点F，这点就是该透镜的焦点，如图8-22所示。一束平行于凹透镜主光轴的平行光，经凹透镜折射后成为发散光，将发散光反向延长交于主光轴上的一点F，称为凹透镜的焦点，如图8-23所示。从焦点到透镜光心О的距离称为该透镜的焦距f。实验原理1薄透镜成像公式实验原理1薄透镜成像公式应用上式时，必须注意各物理量所使用的符号定则。一般规定:光线自左向右进行，距离自参考点（透镜光心）量起，向左为负，向右为正，即距离与光线进行方向一致时为正，反之为负。运算时已知量须添加符号，未知量则根据求得结果中的符号判断其物意义。1）公式法如前所述透镜成像公式，可以作为凸透镜焦距测量的一种简单方法，也称为物像法。2）自准法它是光学仪器调节中的一个重要方法，也是一些光学仪器进行测量的依据。当发光点（物）处于凸透镜的焦平面上时，它发出的光线通过透镜后将为一束平行光。若用与主光轴垂直的平面镜将此平行光反射回去，反射光再次通过透镜后仍会聚于透镜的焦平面上，其会聚像将在光点相对于光轴的对称位置上，如图8-25所示。实验原理2凸透镜焦距的测量原理3