《光学实验理论》PPT课件.ppt

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1、光学实验,关于本学期光学实验,一、实验内容,*实验一 薄透镜焦距的测定,*实验三 1、分光计的调节及棱镜角的测定；2、分光计测棱镜折射率,*实验五 显微镜；,实验六 单色仪的定标；,实验七 用双棱镜干涉测光波波长,*实验八 牛顿环测平凸透镜的曲率半径,*实验九 用透射光栅测光波波长,*实验十四 1、迈克尔逊干涉的调节及测氦氖激光波长；2、迈克耳逊干涉仪测钠双线的波长差,二、实验安排和实验进度,本周三将分组名单发给我。,绪论 光学实验基础知识,一、常用光学仪器,1、光具座,（1）调节要求：各光学元件共轴且等高；光束满足傍轴条件（光束傍轴、物象傍轴）。,共轴与等高,共轴：各元件主光轴共线：,等高：

2、共轴的主光轴与导轨平行：,（2）调节：粗调；细调。,粗调：将导轨上所有元件靠拢，靠目测调节，令其初步共轴和等高。,细调：目标:在物象屏距离大于四倍焦距时，移动透镜所得的两次成像（大像和小像）中心应重合。,调节：,透镜在 1位时成大像。若大像偏离中心时，调节物位置或透镜位置（高低、左右），使大像位于像屏中心；,1,调节：,再把透镜移到 2位，此时成小像。若小像偏离像屏中心，可调节像屏，使小像位于像屏中心。,以上两步反复调节，即可实现共轴与等高。,2、测微目镜,作用：装在各种显微镜、望远镜上，测量经物镜所成的中间像（实像）的大小。,显微镜成像原理图：,中间像,测微目镜原理图（详图见 P7图 0-2

3、-2）,目镜组,带十字叉丝的分度板,手动鼓轮,视场中看到的清晰的分划板上的毫米刻度与分度板上的十字叉丝：,调节步骤：,上下调节目镜，清晰地见到毫米刻度和十字叉丝；,调节物镜与待测像的距离，使之清晰地成像在分度板上（像与十字叉丝无视差）,转动目镜镜筒，使得毫米刻度的标尺方向与待测长度方向平行，以便测量；,鼓轮周边刻度100格，每转一圈能使分划板移动1mm。已知鼓轮转动格数即可知分划板移动长度（估算到10分之1格）,注意事项：,测量时应始终保持鼓轮朝同一方向转动，避免中途改变鼓轮的转动方向，以免造成螺距误差（详见 P7）。,3、分光计,分光计是一种可精密测量角度的光学仪器。几何光学中，主要用于测量

4、：棱镜顶角、光束的偏向角等。在波动光学中，主要用于观察和测量：光谱、光谱线的波长等。,分光计的结构,详见 P9图 0-2-5。实物图及原理图：,调节：,目的：通过调节，使得三个平面：读值平面、待测平面与光束平面平行，此时三个平面已与分光计中心轴垂直。,读值平面：读值平面就是刻度盘和游标内盘旋转形成的平面，固定且与分光计中心轴垂直。,读值平面,观察平面：准直管与转动的望远镜形成的平面，要求望远镜与中心轴垂直。,光束平面：入射光、反射光、折射光都必须在同一平面内。,粗调：,调节分粗调和细调两步。,调节望远镜目镜，使能看清十字叉丝。,用望远镜观察远处物体，并调节物镜使远处物体和十字叉丝都清晰。此时望

5、远镜已能粗略观察平行光。,通过目测，调节望远镜轴和载物平台，使之尽量与中心轴垂直。此步骤要求尽量细致准确。,细调：,应用自准直原理调节望远镜适合观察平行光：,将平面反射镜置于载物平台上，详见 P12图0-2-9a。如此放置只需调节一颗螺丝即可（如图中的 或）,点亮“小十字叉丝”照明灯。,将望远镜垂直对准反射镜面，直到看到绿色的“小十字叉丝”反射像，调节物镜，使得该反射像与测量用十字叉丝间无视差。,此时望远镜已适合观察平行光，不得再改变其调焦状态。,用逐步逼近法（二分之一调节法）进行调节，使得望远镜光轴与中心轴垂直。,目的：最终要使经反射镜两个反射面反射进入望远镜的绿色“小十字叉丝”反射像都与调

6、整用十字叉丝重合。,方法：当两者不重合时，分别调节载物平台螺丝及望远镜倾斜调整螺丝，各使两者之间距离减小原距离的一半。,对反射镜的两个反射面所成的绿色叉丝像反复用此法进行调节，直至使其与调整用十字叉丝完全重合。,调节准直管使之产生平行光，并使其光轴与望远镜光轴重合：,照亮准直管狭缝，前后调节狭缝，使从望远镜中能看到清晰的狭缝像，且与测量叉丝之间无视差。此时准直管出射的已是平行光。,调节准直管的倾斜螺丝，使得狭缝像的中心位于测量叉丝的交点处。此时望远镜和准直管的光轴已平行，并近似重合。至此，整个调节过程结束。,问题：为何上述讲近似重合，而不是完全重合？,答：因目测限制，在满足近轴条件时，近似重合

7、与完全重合的观察结果是一样的。故观测者无法分辨之。,二、实验规范,1、实验前写好预习报告（写在专用实验纸上），包括：实验名称、实验目的、实验仪器、实验原理（文字和光路图）、实验步骤、原始数据记录表格。请老师检查。,2、布置和调整光路（参照P18）,3、测量（参照 P18）,4、归整（参照 P18）,三、实验后的数据处理,1、列表法,将所有的直接测量数据（原始数据）、间接测量数据、平均值、误差及误差平均值及标准不确定度等都填在表格中。,如长度测量：,2、作图法,优点：直观、简洁、适合一些函数关系复杂和未知函数关系的间接测量量的数据处理。,四个点必须在曲线上找。,作图规则和步骤：,（1）取合适的作

8、图比例，尽量不使有效数字由于作图而改变。,（2）用细铅笔画出的交叉点来表示实验点。,（3）画出的曲线或直线使实验点均匀分布在曲线或直线两侧。为什么？,（4）需要计算的点必须在曲线或直线上找。为什么？,原始数据纪录；数据处理（间接测量量的计算、作图、误差处理等）；结果分析；回答思考题。,3、数据处理的要求,不许伪造、随意涂改或抄袭原始数据；原始数据用钢笔纪录；图表要用铅笔、尺、曲线板等工具完成；最后应对实验精度的提高和减小误差等方面进行讨论。,四、注意事项,1、光学元件与光学仪器的使用和维护（参照P18）,（1）实验既可以是对理论的验证，又可以是根据理论公式对实际物理量的测量。实验中所用到的公式

9、都是理论课上学过的公式。,2、实验与理论的异同,原因：理论公式成立的前提是物理实体的理想性。实验公式要考虑到实际物理实体的非理想性。,（2）实验因为要考虑到测量的精度和减小误差，所用的公式又和理论课上学过的公式不同。,实验一 薄透镜焦距的测定,一、实验目的,1、掌握光学系统共轴的调节、视差原理的应用；,2、掌握薄透镜焦距常用的测定方法。,二、实验原理,可视为薄透镜，记为：,正透镜（会聚透镜）,负透镜（发散透镜）,薄透镜的光心、焦点、焦距及其性质,1照明灯；2平行光管；3、待测物（带有刻度的玻板）；4待测透镜，焦距为：（待测）,5读数目镜；6光具座导轨；7平行光管透镜，,8带有十字叉丝的分划板，

10、玻板刻度成像处；9读数鼓轮。,设物高（玻板上刻线之间的距离）为,，像高为,据此式可算出待测透镜焦距。,三、实验内容（参考P22）,1、调节,粗调；细调共轴、等高；,2、焦距测量,公式法，重复测三次取平均值；,3、误差分析：对测量结果进行误差分析。,一、实验目的（参照 P31）,实验三 分光计的调节及棱镜顶角的测量,自准直法测棱镜角,二、实验原理,1、分光计的调节和使用；2、棱镜顶角的测定,图为等边棱镜ABC及其棱镜角,三、实验内容,参照 P31,1、分光计的调节；2、棱镜顶角的测定。,要求：自准直法重复侧三次，取平均值并计算标准不确定度；,一、实验目的,实验五 显微镜（望远镜不作要求）,实验原

11、理及实验内容详见教材及补充讲义。,1、熟悉显微镜的构造及放大原理；2、学会一种测定显微镜放大率的方法；3、显微镜的使用并测微小长度。,一、实验目的,实验八 牛顿环（劈尖干涉不作要求）,两束满足相干条件的光相遇，会产生干涉现象有的地方始终加强，有的地方始终减弱，出现明暗相间的干涉条纹。（视频课第二集2911”）,牛顿环的干涉条纹明暗相间的、疏密渐变的同心圆环，,二、实验原理,测量平凸透镜的曲率半径,薄膜干涉原理,正入射时：,等厚条纹,等倾条纹,牛顿环形成一空气薄膜，光线正入射，光程差公式为：,设观察暗条纹，则有：,牛顿环干涉原理,半径能直接测量吗？,代入，得：,圆心如何确定？,实验的灵魂是减小误

12、差！,牛顿环的级次数很难确定（详见P62）。能否避开对环的级次的计数？,对第 k级环外面的第 k+m级环，有：,实验中采用钠灯照明，纳黄光波长给定：,取,的两,个坐标：,二、实验内容及注意事项,1、牛顿环的调节：注意分光板的角度。,3、测 20个暗环的直径，共 40个读数。得到 10个,为什么？,实际中，平凸透镜的曲率并非处处相等，故测量时最少测量 40个牛顿环的直径坐标，得到 20个直径，10个直径的平方差，取平均值。,2、测暗环直径时，必须注意读数显微镜方向旋钮应始终向一个方向转动。为什么？,三、数据处理（参照 P62）,实验三 2、棱镜玻璃折射率的测定,此实验为第一轮实验三中的实验 1、

13、（棱镜角的测定）的继续。,参照书中内容即可。需要提醒的是：1、第一轮实验中已经测得的棱镜角 A可作为已知条件使用；,2、实验中以汞灯中最亮的绿色光谱线为准进行测量。,需要修改的部分详见补充讲义。,一、迈克尔逊干涉仪原理,1、光的干涉原理,视频 1：光的干涉。,视频 2：麦氏干涉原理。,实验十四 1、迈克耳逊干涉仪的调节及氦氖激光波长的测定,迈克尔逊干涉仪,原理图,2、干涉条纹,等倾条纹,等厚条纹,3、应用于长度的精密测量,波长要单一并稳定。,计数要准确。,需要修改的部分详见补充讲义。,严格平行,内容及需要修改的部分详见补充讲义。,实验九 用透射光栅测光波波长,需要修改的部分详见补充讲义。,实验

14、十四 2、迈克耳逊干涉仪测钠双线的波长差,干涉条纹衬比度（对比度）,同一光源含有两个波长，通过迈克尔逊干涉以后各自形成一套干涉条纹。,当屏上任意处，薄膜形成的光程差既满足一套干涉条纹的明纹条件，又同时满足另一套干涉条纹的暗纹条件时，干涉条纹衬比度（对比度）为最低。,若两套波长的光在屏上某处的光程差同时满足明纹条件时，干涉条纹衬比度（对比度）为最高。,若有：,（m和 n分别为正整数）,则为：两套波长的光在屏上某处的光程差同时满足明纹条件，干涉条纹衬比度（对比度）为最高。,若有：,（m和 n及 k分别为正整数）,则两光的光程差既满足一套干涉条纹的明纹条件，又同时满足另一套干涉条纹的暗纹条件，干涉条纹衬比度（对比度）为最低。,演示图,波长差公式为：,为减小误差，实验中要求测十个模糊区的移动距离，即：,则波长差公式为：,估算：,则：,实验六 单色仪的定标,需要修改的部分详见补充讲义。,