光学实验基础知识.ppt

光学实验基础知识,杨 鹏物理与电子工程学院,主要内容,一、光学实验的内容二、光学实验特点三、光学实验遵循的原则四、光学实验的观测方法五、光学实验基本光路六、光学实验常用仪器七、实验数据处理,课程背景,光学：物理学经典学科，发展迅速。经典光学理论和实验方法：促进科技进步。新的研究成果和实验技术：促进光学学科及其他科技领域发展，如天文、化学、生物、医学等。光学实验技术：观察基本光学现象，学习和掌握光学实验的基本知识和基本方法，培养基本的光学实验技能。光学实验：仪器精密，调节复杂，只有在了解仪器结构性能基础上建立清晰的物理图像，才能选择有效而准确的调节方法，判断仪器是否处于正常的工作状态。理论联系实际：在光学实验过程中，仪器的调节和检验，实验现象的观察、分析等都离不开理论的指导。,光学实验课，学习的重点是学习和掌握光学实验的基本知识、基本方法以及培养基本实验技能，研究一些基本的光学现象，加强对经典光学理论的理解，提高对实验方法和技术的认识。（一）基本物理量的测量方法基本物理量：透镜的焦距、基点、曲率半径，介质折射率、溶液浓度、光波波长、光栅常量等。,一、光学实验的主要内容,测量方法：焦距测量：物距像距法、二次成像法、自准直法、辅助透镜法折射率测量：最小偏向角法、掠入射法光波波长测量：双棱镜干涉法、迈克尔逊干涉法、透射光栅法溶液浓度测量：旋光法偏振光分析、单色仪定标加深理论掌握方法观察现象分析现象,（二）常用光学仪器的使用 常用仪器:光具座、测微目镜、望远镜、分光计、干涉仪、摄谱仪等。了解仪器的构造原理及正常使用状态，调节到正常使用状态的方法，操作要求，注意事项，并具有较好的操作技能。,（三）学习分析光学实验中的基本光路 自准直光路、分光光路、助视放大光路、恒偏向光路。（四）继续学习分析误差的方法和提高对实验数据的处理能力 提高对实验数据的处理能力和实验结果误差原因的分析水平，正确表达和评价实验结果，分析误差产生的原因以及减小实验误差。,二、光学实验的特点,与理论密切结合 频率极高的电磁波，1014数量级，光学现象不直观，只能观察一定时间内的平均效果。靠理论的支撑才能把握住实验现象。仪器调节要求高 仪器精密，必须严格调节，才能保证精度。迈克尔逊干涉仪精度可达10-4mm。实验能力要求高 实验技能、理论基础、判断能力。另外取得较好的实验效果，有光学实验须在低照度环境下进行，因此，要小心谨慎，安全操作，防止事故，要避免光学元件跌落损坏，仪器读数失误，并注意保护视力。,三、光学实验遵循的原则,1、必须在熟悉仪器的性能与使用方法之后才能进行使用与操作；2、轻拿轻放，勿使仪器或光学元器件受到冲击、碰撞和震动，特别注意不能从手中滑落；3、不使用时要及时将光学元件放回包装盒内，长期闲置不用应该将其放入干燥皿中保存；,4、手拿光学元器件时切忌用手触摸“工作面”，如果必须拿光学元器件时只能拿它的非工作的“磨砂面”，例如透镜的外圆磨砂面，棱镜的上下底面，柱面镜的上下磨砂面，否则因人手的“汗迹”会腐蚀光学面造成永久的损坏；5、如发现光学元器件的工作面有灰尘，要用专用的干燥脱脂棉轻轻擦拭或用橡皮球吹去，绝对不能用嘴去吹；,6、若发现光学表面上已被轻微污染或有较轻的印记，可以用清洁的镜头纸轻轻拂去，擦试时不能加太大的压力以免光学表面被划伤，更不能用普通纸、手帕、毛巾或衣物等进行擦拭；7、进行光学实验时尽量避免说话，防止口水、唾液或其它液体溅落到光学面，造成光学面的化学损伤；8、在对光学仪器或光学系统进行调整时，要耐心细致，边调整，边观察，动作要轻、柔、慢，切忌粗鲁与盲目操作；,9、千万要注意在做实验的过程中观察与分析实验过程与现象，尤其是出现与预期现象反常的特殊现象，应及时将现象记录或存储下来，向指导教师请教或分析；10、使用完仪器设备后应当及时整理，放回原处或加罩防护，防止灰尘污染。,四、光学实验的观测方法,主观观察法和客观测量法 1、眼睛直接观察的方法，称为主观观察方法 2、用光电探测器来进行客观测量，常用光电管、光敏电阻和光电池等视差:人们观察远近不同的物体A和物体B 时，常会发生视觉差异的现象。利用视差进行如下判断:(1)被观察的物与像，或像与像是否重合(2)如果未重合，那么哪个离观测者近一些，这 对于指导仪器的调节，确定像的位置很有帮助。,五、基本光路,（一）自准直光路 1.,在物体自身的平面上产生物体的实像，所以称为自准直光路。,2.,3.,物平面与反射镜平面相对位置影响实像的位置，例如：分光计的调节就是利用自准直光路实现光轴与主轴的垂直。应用：自准直目镜。,（二）三棱镜分光光路,复色光棱镜 单色光 同一棱镜对不同波长的光具有不同的折射率。（针对钠光波长589.3nm而言）偏向角：出射光与入射光的夹角。最小偏向角：光路对称时，出射光与入射光的夹角。,i1,i1,i2,i2,（三）光栅分光光路,分光原理：光栅方程 dsin=k各级谱线分布于零级像两侧。零级像：k=0,=0的位置，所有波长的光重叠在一起。,六、基本光学仪器的使用,（一）光具座双杆式和平直导轨式长度为1-2m，刻有毫米标尺。滑块支架。,将各种光学元件（透镜、面镜等等）组合成特定的光学系统，运用这些光学系统成像时，要想获得优良的像，必须保持光束的同心结构，即要求该光学系统符合或接近理想光学系统的条件，这样，物方空间的任一物点，经过该系统成像时，在像方空间必有唯一的共轭像点存在，而且符合各种理论计算公式。为此，在光具座上调节光学系统，必须满足以下几点。1.光具座水平 调节光具座底角的水平调节螺钉(借助水平尺)，使光具座水平。2.共轴 调节光学系统中各光学元件的光轴,使之共轴。并让物体发出的成像光束满足近轴光线的要求。,3.等高 因为成像公式中的各段距离,都是指光学系统光轴上的距离,所以要从光具座轨道上的读数求出符合实际的距离,必须做到光学系统的光轴和光具座道轨的基线平行简称等高。调节光学系统各元件的共轴等高，是光学实验中的一项基本要求，必须很好掌握，一般的调节可分粗调和细调两步进行。,（1）粗调,先把物、透镜、像屏等元件放置于光具座上，如图依次检查并调整物、透镜及屏的中心（图中物体P 经透镜L 成像于P），使各元件的中心大致在与导轨平行的同一条直线上，并使物平面、像屏平面和透镜面相互平行且垂直于光具座导轨。,（2）细调,二次成像法 成小像时，调节光屏位置，使P与屏中心重合；成大像时，则调节透镜的高低或左右，使P位于光屏中心。依次反复调节，便可调好。,（二）分光计,精密测角仪：测量棱镜角，偏向角分光仪器：借助分光元件可观察光谱，测量波长。,1.分光计的构造,简单结构,1，狭缝装置2，狭缝装置锁紧螺丝3，准直管4，制动架5，载物台6，载物台调平螺丝7，载物台锁紧螺丝8，望远镜9，望远镜锁紧螺丝,具体结构,10，阿贝式自准直目镜11，目镜视度调节手轮12，望远镜光轴高低调节螺丝 13，望远镜光轴水平调节螺丝14，支臂15，望远镜微调螺丝16，望远镜止动螺丝17，转轴与度盘止动螺丝18，制动架,19，底座 20，转座21，度盘 22，游标盘23，支柱 24，游标盘微调 螺丝25，游标盘止动螺丝26，准直管光轴水平调节螺丝27，准直管光轴高低调节螺丝28，狭缝宽度调节手轮,2.分光计的调节,测量前应调节分光计，达到：望远镜聚焦到无穷远，望远镜的光轴对准仪器的中心转轴并与中心转轴垂直。待测光学元件的表面与中心转轴平行。平行光管出射平行光，且光轴与望远镜的光轴共轴。,1)目视粗调,2)用自准直法将望远镜调焦到无穷远,载物盘水平、望远镜俯仰调节的特例,观察不到反射像的原因,目镜中观察到的叉丝和透光窗中黑色十字的像模糊。（转动目镜调节鼓轮）望远镜没有聚焦于无穷远。（松开目镜筒锁紧螺钉，前后移动目镜筒）平面反射镜的镜面与望远镜的光轴不垂直。,用光路图表示为,（1），若望远镜向下偏，由图：,若偏斜严重将得不到像,若偏斜不严重，由图,像点P将会在物S的下方，现象为十字叉丝将向下偏,（2）若望远镜上偏：,现象为：,叉丝上偏,棱镜下偏：,现象为：,叉丝下偏,若棱镜上偏：,现象为：,叉丝上偏,3)调节望远镜光轴与中心转轴垂直,载物盘水平、望远镜俯仰的各半调节,4)调节平行光管,平行光管由狭缝和准直透镜组成。,3.分光计的测量原理,(2-1+2-1)/2,平行光管,平行光管,读数方法,偏心差,测三棱镜顶角,平行光管出射的平行光射向三棱镜的两个光学表面，用望远镜分别接收两表面的反射光，就可计算出两束光的夹角。由几何关系可以证明与三棱镜顶角A的关系为：=2A,A（2-1+2-1）/4,平行光管,望远镜,(三)测微目镜（1）要确定目镜的准确度及鼓轮转动读数增大的方向，并选取合适的初始点；（2）一次测量中鼓轮只能单向移动，不能中途倒转；（3）干涉条纹应与竖直双线 平行无视差；（4）到达刻度线零点后，应立即返回，以免损坏测微目镜。,（四）测移显微镜（1）测量时，要先调好目镜和物镜。（2）测量时应使一根十字叉丝与显微镜的目镜移动方向垂直。（3）为减小回程误差，应单方向测量。（4）测量结束后，应用保护套罩好仪器。,（五）单色仪（六）摄谱仪,（七）光源1.热辐射光源基于热辐射原理，白炽灯，灯丝加热到白炽状态而发光。连续光谱，功率较低，碘钨灯，溴钨灯。2.气体放电光源电流气体介质放电发光。低压汞灯：小于1个大气压工作，在可见光区产生4条明亮的特征曲线。工作电压20V，工作电流1300mA.低压钠灯：金属蒸汽弧光放电。在可见光区发成两条极强黄色谱线：589.0nm,589.6nm.工作电压20V，工作电流1.3A。,3.激光光源受激辐射发光，极强的方向性，发散角小。极好的单色性和相干性，能量高度集中。He-Ne激光器：可见光区输出波长632.8nm，单色红光。管端工作电压23kv,直流工作电流36mA。,七、实验数据处理,1、直接测量的最佳值（1）算术平均值（2）标准差（3）测量值的取舍 格罗布斯判据,2、间接测量的最佳值:先平均法3、最小二乘法直线拟合4、测量不确定度(1)标准不确定度的A类评定(2)标准不确定度的B类评定(3)合成标准不确定度 直接测量 间接测量,