《工程光学实验》PPT课件.ppt
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1、工程光学实验主讲教师:李晶,闽南理工学院实践教学中心,目 录,光学实验预备知识2实验一 用自准法测薄凸透镜焦距f 5实验二 用位移法测薄凸透镜焦距f 7实验三 目镜焦距fe的测量 9实验四 自组显微镜 11实验五 自组透射式幻灯机(投影系统)13实验六 测节点位置及透镜组焦距 15实验七 菲涅尔双棱镜干涉 18实验八 偏振光分析 21,光学实验预备知识,返回,光学实验是普通物理实验的一个重要部分。这里先介绍光学实验中经常用到的知识和调节技术。初学者在做实验以前应认真阅读这些内容,并且在实验中遵守有关规则和灵活运用有关知识。一、光学元件和仪器的维护透镜、棱镜等光学元件,大多数是用光学玻璃制成的。
2、它们的光学表面都是经过仔细的研磨和抛光,有些还镀有一层或多层薄膜。对这些元件或其材料的光学性能(例如折射率、反射率、透射率等)都有一定的要求,而它们的机械性能和化学性能可能很差,若使用和维护不当,则会降低光学性能甚至损坏报废。造成损坏的常见原因有:摔坏、磨损、污损、发霉、腐蚀等。为了安全使用光学元件和仪器,必须遵守以下规则:必须在了解仪器的操作和使用方法后方可使用。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。不使用的光学元件应随时装入专用盒内并放入平台的箱子内,最好放入干燥器中保存。切忌用手接触元件的光学表面。如必需用手拿光学元件时,只能接触其磨沙面,如透镜的边缘、棱镜的上下底
3、面等(如预备图-1)。,光学表面上如有灰尘,用实验室专备的干燥脱脂棉轻轻拭去或用橡皮球吹掉。光学表面上若有轻微的污痕或指印,用清洁的镜头纸轻轻拂去,但不要加压擦拭,更不准用手帕、普通纸片、衣服等擦拭。若表面有较严重的污痕或指印,应由实验室人员用丙酮或酒精清洗。所有镀膜面均不能接触或擦拭。防止唾液或其溶液溅落在光学表面上。,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。仪器用毕后应放回箱内或加罩,防止灰尘沾污。二、消视差光学实验中经常要测量像的位置和大小,经验告诉我们,要测准物体的大小,必须将量度标尺与被测物体紧贴在一起。如果标尺远离被测物体,读数将随眼睛的位置
4、不同而有所改变,难以测准,如预备图-2所示。可是在光学实验中被测物往往是一个看得见摸不着的像,怎样才能确定标尺和待测像是紧贴在一起的呢?利用“视差”现象可以帮助我们解,决这个问题。为了认识“视差”现象,读者可做一简单实验:双手各伸出一只手指,并使一指在前,一指在后相隔一定距离,且两指平行。用一只眼睛观察,当左右(或上下)晃动眼睛时(眼睛移动方向应与被观察手指垂直),就会发现两指间有相对移动,这种现象称为“视差”。而且还会看到离眼近者,其移动方向与眼睛移动方向相反;离眼远者则与眼睛移动方向相同。若将两指紧贴在一起,则无上述现象,即无“视差”。由此可以利用视差现象来判断测像与标尺是否紧贴。若待测像
5、和标尺间有视差,说明它们没有紧贴在一起,则应该稍稍调节像或标尺位置,并同时微微晃动眼睛观察,直到它们之间无视差后方可进行测量。这一调节步骤,我们常称之为“消视差”。在光学实验中,“消视差”常常是测量前必不可少的操作步骤。,三、共轴调节光学实验中经常要用一个或多个透镜成像。为了获得质量好的像,必须使各个透镜的主光轴重合(即共轴)并使物体位于透镜的主光轴附近。此外透镜成像公式中的物距、像距等都是沿主光轴计算长度的,为了测量准确,必须使透镜的主光轴与带有刻度的标尺平行。为了达到上述要求的调节我们统称为共轴调节。调节方法如下:1、粗调,将光源、物和透镜靠拢,调节它们的取向和高低左右位置,凭眼睛观察,使
6、它们的中心处在一条和标尺平行的直线上,使透镜的主光轴与标尺平行,并且使物(或物屏)和成像平面(或像屏)与平台垂直。这一步因单凭眼睛判断,调节效果与实验者的经验有关,故称为粗调。通常应再进行细调(要求不高时可只进行粗调)。2、细调,这一步骤要靠其他仪器或成像规律来判断和调节。不同的装置可能有不同的具体调节方法。下面介绍物与单个凸透镜共轴的调节方法。使物体与单个凸透镜共轴实际上是指将物上的某一点调到主光轴上。要解决这一问题,首先要知道如何判断物上的点是否在透镜的主光轴上。根据凸透镜成像规律即可判断。如预备图-3所示,当物AB与像屏之间的距离b大于4f时,将凸透镜沿光轴移到O1或O2位置都能在屏上成
7、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。物点B不在光轴上,则两次像的B1和B2一定都不在光轴上,而且不重合。但是,小像的B2点总是比大像的B1点更接近光轴。由此可知,若要将B点调到凸透镜光轴上,只需记住像屏上小像的B2点位置(屏上贴有坐标纸供记录位置时作参照物),调节透镜(或物)的高低左右,使B1向B2靠拢。这样反复调节几次直到B1与B2重合,即说明B点已调到透镜的主光轴上了。若要调多个透镜共轴,则应先将物上B点调到一个凸透镜的主光轴上,然后,同样根据轴上物点的像总在轴上的原理,逐个增加待调透镜,调节它们使之逐个与第一个透镜共轴
8、。,实验一 用自准法测薄凸透镜 焦距f,返回,一、实验目的 掌握简单光路的分析和调整方法了解、掌握自准法测凸透镜焦距的原理及方法二、实验原理当发光点(物)处在凸透镜的焦平面时,它发出的光线通过透镜后将成为一束平行光。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,其会聚点将在发光点相对于光轴的对称位置上。三、实验仪器,1、带有毛玻璃的白炽灯光源S2、品字形物屏P:SZ-143、凸透镜L:f=190mm(f=150mm)4、二维调整架:SZ-075、平面反射镜M二维调整架:SZ-077、通用底座:SZ-048、二维底座:SZ-029、通用底座:SZ-04
9、10、通用底座:SZ-04,四、仪器实物图及原理图 图一,五、实验步骤1、把全部元件按图一的顺序摆放在平台上,靠拢,调 至共轴。而后拉开一定的距离。可调成如图一所示的距离2、前后移动凸透镜L,使在物屏P上成一清晰的品字形像。3、调M的倾角,使P屏上的像与物重合。4、再前后微动透镜L,使P屏上的像既清晰又与物同大小。,5、分别记下P屏和透镜L的位置a1、a2。6、把P屏和透镜L都转180度,重复做前四步。7、再记下P和L的新位置b1、b2。8、分别把f=150mm和f=190mm的透镜各做一遍,并比较实验值和真实值的差异,并分析其原因。9、老师可选择更多规格的透镜进行实验。(选做)六、数据处理
10、被测透镜焦距:f=(fa+fb)/2,实验二 用位移法测薄凸透镜焦距f,返回,一、实验目的了解、掌握位移法测凸透镜焦距的原理及方法二、实验原理对凸透镜而言,当物和像屏间的距离L大于4倍焦距时,在它们之间移动透镜,则在屏上会出现两次清晰的像,一个为放大的像,一个为缩小的像。分别记下两次成像时透镜距物的距离O1、O2(e=|O1-O2|),距屏的距离O1、O2根据光线的可逆性原理,这两个位置是“对称”的。即 O1=O2,O2=O1则:Le=O1 O2O1O2O1=O2(Le)/而O1=LO1L(Le)/(L+e)/2 把结果带入透镜的牛顿公式1/s+1/s=1/f,得到透镜的焦距为由此便可算得透镜
11、的焦距,这个方法的优点是,把焦距的测量归结为对于可以精确测定的量L和e的测量,避免了在测量u和v时,由于估计透镜中心位置不准确所带来的误差。三、实验仪器带有毛玻璃的白炽灯光源S2、品字形物屏P:SZ-143、凸透镜L:f=190mm(f=150mm)4、二维调整架:SZ-075、白屏H:SZ-136、通用底座:SZ-047、二维底座:SZ-028、通用底座:SZ-049、通用底座:SZ-04四、仪器实物图及原理图(见图二),五、实验步骤把全部器件按图二的顺序摆放在平台上,靠拢后目测调至共轴,而后再使物屏P和白屏H之间的距离大于4倍焦距。沿标尺前后移动L,使品字形物在白屏H上成一清晰的放大像,记
12、下L的位置a1。再沿标尺向后移动L,使物再在白屏H上成一缩小像,记下L的位置a2。将P、L、H转180度,重复做前三步,又得到L的两个位置b1、b2。分别把f=150mm和f=190mm的透镜各做一遍,并比较实验值和真实值的差异并分析其原因。老师可选择更多规格的透镜进行实验。(选做),六、数据处理透镜焦距:f=(fa+fb)/2,图二,实验三 目镜焦距fe的测量,返回,一、实验目的了解、掌握用测量物像放大率来求目镜焦距fe的原理及方法二、实验原理焦距的测量可以归结为测量焦点到光学系统的某一指定点的距离。测量焦距时,常用到牛顿公式:。若物空间和像空间的光学介质相同,则。线放大率:。,三、实验仪器
13、1、带有毛玻璃的白炽灯光源S2、1/10mm分划板F3、二维调整架:SZ-074、被测目镜Le(fe=14mm)5、可变口径二维架:SZ-056、测微目镜L(去掉其物镜头的读数显微镜)7、读数显微镜架:SZ-388、三维底座:SZ-019、一维底座:SZ-0310、一维底座:SZ-0311、通用底座:SZ-04,四、仪器实物图及原理图,图三,五、实验步骤把全部器件按图三的顺序摆放在平台上,靠拢后目测调至共轴。在F、Le、L的底座距离很小的情况下,前后移动Le,直至在测微目镜L中看到清晰的1/10mm的刻线,并使之与测微目镜中的标尺(mm刻线)无视差。测出1/10mm刻线的宽度,求出其放大倍率m
14、1,并分别记下L和Le的位置a1、b1。把测微目镜L向后移动3040mm,再慢慢向前移动Le,直至在测微目镜L中又看到清晰且与毫米标尺刻线无视差的1/10mm的刻线像。再测出像宽,求出m2,记下L和Le的位置a1、b2。六、数据处理 mx=(像宽/实宽)20(20为测微目镜的放大倍数)像距改变量:s=(a1-a2)+(b2-b1)被测目镜焦距:fe=s/(m2-m1),实验四 自组显微镜,返回,一、实验目的了解显微镜的基本原理和结构,并掌握其调节、使用和测量它的放大率的一种方法。二、实验原理 物镜Lo的焦距fo很短,将F1放在它前面距离略大于fo的位置,F1经Lo后成一放大实像F1,然后再用目
15、镜Le作为放大镜观察这个中间像F1,F1应成像在Le的第一焦点Fe之内,经过目镜后在明视距离处成一放大的虚像F1。三、实验仪器1、带有毛玻璃的白炽灯光源S2、1/10mm分划板F1,3、二维调整架:SZ-074、物镜Lo:fo=15mm5、二维调整架:SZ-076、测微目镜Le(去掉其物镜头的读数显微镜)7、读数显微镜架:SZ-388、三维底座:SZ-019、一维底座:SZ-0310、一维底座:SZ-0311、通用底座:SZ-04,四、仪器实物图及原理图,图四(1),图四(2),五、实验步骤1、把全部器件按图四的顺序摆放在平台上,靠拢后目测调至共轴。2、把透镜Lo、Le的间距固定为180mm。
16、3、沿标尺导轨前后移动F1(F1紧挨毛玻璃装置,使F1置于略大于fo的位置),直至在显微镜系统中看清分划板F1的刻线。六、数据处理显微镜的计算放大率:M(250)/(f0fe)其中:=f0-fe,见图示。本实验中的fe=250/20(计算方法可参考光学书籍),实验五 自组透射式幻灯机,返回,一、实验目的了解幻灯机的原理和聚光镜的作用,掌握对透射式投影光路系统的调节。二、实验原理幻灯机能将图片的像放映在远处的屏幕上,但由于图片本身并不发光,所以要用强光照亮图片,因此幻灯机的构造总是包括聚光和成像两个主要部分,在透射式的幻灯机中,图片是透明的。成像部分主要包括物镜L、幻灯片P和远处的屏幕。为了使这
17、个物镜能在屏上产生高倍放大的实像。幻灯片P必须放在物镜L的物方焦平面外很近的地方,使物距稍大于L的物方焦距。聚光部分主要包括很强的光源(通常采用溴钨灯)和透镜L1L2构成的聚光镜。聚光镜的作用是一方面要在未插入幻灯片时,能使屏幕上有强烈而均匀的照度,,并且不出现光源本身结构(如灯丝等)的像;一经插入幻灯片后,能够在屏幕上单独出现幻灯图片的清晰的像。另一方面,聚光镜要有助于增强屏幕上的照度。因此,应使从光源发出并通过聚光镜的光束能够全部到达像面。为了这一目的,必须使这束光全部通过物镜L,这可用所谓“中间像”的方法来实现。即聚光器使光源成实像,成实像后的那些光束继续前进时,不超过透镜L边缘范围。光
18、源的大小以能够使光束完全充满L的整个面积为限。聚光镜焦距的长短是无关紧要的。通常将幻灯片放在聚光器前面靠近L2的地方,而光源则置于聚光器后2倍于聚光器焦距之处。聚光器焦距等于物镜焦距的一半,这样从光源发出的光束在通过聚光器前后是对称的,而在物镜平面上光源的像和光源本身的大小相等。,三、实验仪器1、带有毛玻璃的白炽灯光源S2、聚光镜L1:f1=50mm3、二维调整架:SZ-074、幻灯底片P5、干板架:SZ-126、放映物镜L2:f2=190mm7、二维调整架:SZ-078、白屏H:SZ-139、三维底座:SZ-0110、一维底座:SZ-0311、二维底座:SZ-0212、一维底座:SZ-031
19、3、通用底座:SZ-04四、仪器实物图及原理图(见图六),图六,五、实验步骤把全部仪器按图六的顺序摆放在平台上,靠拢后目测调至共轴。将L2与H的间隔固定在间隔所能达到的最大位置,前后移动P,使其经L2在屏H上成一最清晰的像。将聚光镜L1紧挨幻灯片P的位置固定,拿去幻灯片P,沿导轨前后移动光源S,使其经聚光镜L1刚好成像于白屏H上。再把底片P放在原位上,观察像面上的亮度和照度的均匀性。并记录下所有仪器的位置,并算U1、U2、V1、V2的大小。把聚光镜L1拿去,再观察像面上的亮度和照度的均匀性。注:演示其现象时的参考数据为U1=35,V1=35,U2=300,V2=520。和计算焦距时的数据并不相
20、同。六、数据处理放映物镜的焦距:f2=M/(M+1)平方D2聚光镜的焦距:f1=D1/(M+1)D1/(M+1)平方,实验六 测节点位置及透镜组焦距,返回,一、实验目的了解透镜组节点的特性,掌握测透镜组节点的方法。二、实验原理光学仪器中的共轴球面系统、厚透镜、透镜组,常把它作为一个整体来研究。这时可以用三对特殊的点和三对面来表征系统在成像上的性质。若已知这三对点和三对面的位置,则可用简单的高斯公式和牛顿公式来研究其成像规律。共轴球面系统的这三对基点和基面是:主焦点(F,F)和主焦面,主点(H,H)和主平面,节点(N,N)和节平面。如附图1,,附图1,附图2,实际使用的共轴球面系统透镜组,多数情
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