汕头大学：物理系实验教学中心《光学》课程教学资源（实验讲义，共十九个实验）.pdf_大学文库

光学实验预备知识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常用到的知识和调节技术。初学者在做光学实验以前，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、实验须知1.1实验前须完成下述工作：1.1.1课前做好预习工作：了解实验的目的、原理、内容及所使用的仪器及设备，绘制好记录实验原始数据的表格等。1.1.2实验前认真对照器材设备配置清单，检查实验配置是否齐全，发现问题及时报告指导教师。1.1.3不要把与实验无关的东西带入实验室，注意保持实验室的环境卫生。1.2实验操作时须注意1.2.1要爱护实验仪器，不要用手去触摸光学元器件表面。开始实验时一定要先搞清楚仪器的使用规则和量程范围，然后按实验要求正确操作，发现问题及时报告指导教师。1.2.2以科学的态度，认真、客观、准确地记录实验数据。1.2.3实验操作完毕首先请指导教师检查实验数据，由教师在实验原始数据记录单上签字；然后拆开实验光路（电路）及组件；最后整理器材填写实验情况记录本，指导教师检查完毕并验收后方可离开实验室。三、实验报告：1、完成实验后须写完整的实验报告，并附教师签过字的实验原始数据，实验报告下次实验前交。一、光学元件和仪器的维护光学仪器的种类繁多，应用十分广泛。光学仪器一般由光学系统和机械系统两大部分组成（有些还有电部分）。光学仪器是一种具有较高精度的仪器，它结构精密、紧凑、动作轻便灵活。因此在使用过程中更应小心操作，经常进行维护，以保证仪器原有的精度并延长仪器的使用寿命。1.1光学系统光学仪器的主要部分是由各种透镜、反射镜、棱镜、球面镜、平面镜、分划板等光学元件所组成的。它们是光学仪器的核心部件。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报废。造成损坏的常见原因有：a.破损、磨损、划伤、裂纹；b.脱胶、膜层损伤；C.发霉、生雾、腐蚀；d.污损、刻线脱色。2

2 光学实验预备知识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常用到的知识和调节技术。初学者在做光学实验以前，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、实验须知 1.1 实验前须完成下述工作： 1.1.1 课前做好预习工作：了解实验的目的、原理、内容及所使用的仪器及设备，绘制好记录实验原始数据的表格等。 1.1.2 实验前认真对照器材设备配置清单，检查实验配置是否齐全，发现问题及时报告指导教师。 1.1.3 不要把与实验无关的东西带入实验室，注意保持实验室的环境卫生。 1.2 实验操作时须注意 1.2.1 要爱护实验仪器，不要用手去触摸光学元器件表面。开始实验时一定要先搞清楚仪器的使用规则和量程范围，然后按实验要求正确操作，发现问题及时报告指导教师。 1.2.2 以科学的态度，认真、客观、准确地记录实验数据。 1.2.3 实验操作完毕首先请指导教师检查实验数据，由教师在实验原始数据记录单上签字；然后拆开实验光路（电路）及组件；最后整理器材填写实验情况记录本，指导教师检查完毕并验收后方可离开实验室。三、实验报告： 1、完成实验后须写完整的实验报告，并附教师签过字的实验原始数据，实验报告下次实验前交。一、光学元件和仪器的维护光学仪器的种类繁多，应用十分广泛。光学仪器一般由光学系统和机械系统两大部分组成（有些还有电部分）。光学仪器是一种具有较高精度的仪器，它结构精密、紧凑、动作轻便灵活。因此在使用过程中更应小心操作，经常进行维护，以保证仪器原有的精度并延长仪器的使用寿命。 1.1 光学系统光学仪器的主要部分是由各种透镜、反射镜、棱镜、球面镜、平面镜、分划板等光学元件所组成的。它们是光学仪器的核心部件。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报废。造成损坏的常见原因有： a.破损、磨损、划伤、裂纹； b.脱胶、膜层损伤； c.发霉、生雾、腐蚀； d.污损、刻线脱色

基于以上原因，光学仪器在使用和储葳时主要应注意：a.避震；b.防尘；c.防潮；d.防霉；e.防锈。1.2机械系统光学仪器中机械系统主要有下列三个作用：a.固定光学元件；b.按照光学系统的要求给予部分光学元件一定的调节自由度并使得光学仪器有一定的测量范围；C.使光学元件处于某一特定位置上，以保证各光学元件间的共轴及确定的相对位置。光学仪器中机械零件的特点：a.薄壁；b.细牙：c.发黑：d.精密。二使用光学仪器的注意事项2.1使用前必须仔细阅读仪器使用说明书，充分了解仪器的原理，结构及使用方法和操作要求。2.2了解电源和操作条件是否符合仪器使用条件。2.3仪器或光学元件轻拿轻放，勿使它们受到冲击或震动，特别是要防止摔落。2.4不准用手触摸光学元件表面，如必需用手拿光学元件时，只能接触其磨砂面，如透镜的边缘、棱镜的上下表面等。不能对着光学元件表面说话，以防口水溅在元件表面。2.5除实验室规定外，不允许任何溶液及物体接触光学元件表面。2.6光学表面如有灰尘及污痕，应在实验室的老师指导下处理。2.7调整光学仪器时，要耐心细致，边观察边调整，动作要轻、慢，严禁盲目及粗鲁操作。仪器上的锁紧螺钉、螺母等不能拧得过紧，以免引入光弹效应。注意机械零件的保护。2.8在暗室中应先熟悉各种仪器用具安放位置，在暗环境下动作要轻缓。2.9仪器使用完毕，应加罩或回箱，注意防尘防污。三光学实验常用调节方法3.1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0物体紧贴在一起。如果标尺远离被测物体，读数将5随眼睛的位置不同而有所改变，难以测准，如图1所示。可是在光学实验中被测物体往往是一个看得图1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，我们可以作一简单实验：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，且两指互相平行。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3

3 基于以上原因,光学仪器在使用和储蒇时主要应注意： a.避震； b.防尘； c.防潮； d.防霉； e.防锈。 1.2 机械系统光学仪器中机械系统主要有下列三个作用： a.固定光学元件； b.按照光学系统的要求给予部分光学元件一定的调节自由度并使得光学仪器有一定的测量范围； c.使光学元件处于某一特定位置上，以保证各光学元件间的共轴及确定的相对位置。光学仪器中机械零件的特点： a.薄壁； b.细牙； c.发黑； d.精密。二使用光学仪器的注意事项 2.1 使用前必须仔细阅读仪器使用说明书，充分了解仪器的原理，结构及使用方法和操作要求。 2.2 了解电源和操作条件是否符合仪器使用条件。 2.3 仪器或光学元件轻拿轻放，勿使它们受到冲击或震动，特别是要防止摔落。 2.4 不准用手触摸光学元件表面，如必需用手拿光学元件时，只能接触其磨砂面，如透镜的边缘、棱镜的上下表面等。不能对着光学元件表面说话，以防口水溅在元件表面。 2.5 除实验室规定外，不允许任何溶液及物体接触光学元件表面。 2.6 光学表面如有灰尘及污痕，应在实验室的老师指导下处理。 2.7 调整光学仪器时，要耐心细致，边观察边调整，动作要轻、慢，严禁盲目及粗鲁操作。仪器上的锁紧螺钉、螺母等不能拧得过紧，以免引入光弹效应。注意机械零件的保护。 2.8 在暗室中应先熟悉各种仪器用具安放位置，在暗环境下动作要轻缓。 2.9仪器使用完毕，应加罩或回箱，注意防尘防污。三光学实验常用调节方法 3.1 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不同而有所改变，难以测准，如图1 所示。可是在光学实验中被测物体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，我们可以作一简单实验：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，且两指互相平行。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，其移动方向与眼睛图 1

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，既无“视差”。由此可以利用视差现象来判断待测像与标尺是否贴近。若待测像和标尺间有视差，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。3.2共轴调节：光学实验经常要用一个或多个透镜成像。为了获得好的像，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导轨平行。为达到上述要求的调节我们统称为共轴调节。具体方法如下：粗调：将光源、物体和透镜靠拢，调节它们的取向和A,A,OABz高低左右位置，凭眼晴观察，使物（或物屏）和成像平面（或像屏）与导轨垂直。这一步因B单凭眼睛判断，调节效果与实验者的经验有关，图2故称为粗调。通常应再进行细调（要求不高时可只进行粗调）。细调：这一步要靠其他仪器或成象规律来判断和调节。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：使物与凸透镜共轴实际上是指将物上的某一点调到透镜的主光轴上，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。根据凸透镜成象规律即可判断。如图2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O，或O，位置都能在屏上成像，一次成大像A,B，另一次成小像A,B,，物点A位于光轴上，则两次像的A,和Az点都在光轴上而且重合。物点B不在光轴上，则两次像的B，和B，点一定都不在光轴上，而且不重合。但是，小像的B，点总是比大像的B，点更接近光轴。据此可知，若要将B点调到凸透镜光轴上，只需记住像屏上小像的B，点位置（可在屏上贴坐标纸，供记录位置时作参考物），调节透镜（或物）的高低左右，使B，向B，靠拢。这样反复调节几次直到B,与B，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道理，Y逐个增加待调透镜，调节它们使之逐个与第一个透镜共轴。四、常用光学仪器简介：41.日镜接筒2.目镜3.锁紧螺钉4.调焦手轮5标尺6.测微鼓轮7.锁紧手轮I8.接头轴9.方轴10.锁紧手轮II11.底座12.反光镜旋轮13.压片14.半反镜组15.物镜组16.镜筒17.刻尺18.锁紧螺钉19.梭镜室图3读数显微镜

4 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，既无“视差”。由此可以利用视差现象来判断待测像与标尺是否贴近。若待测像和标尺间有视差，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。 3.2 共轴调节：光学实验经常要用一个或多个透镜成像。为了获得好的像，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导轨平行。为达到上述要求的调节我们统称为共轴调节。具体方法如下：粗调：将光源、物体和透镜靠拢，调节它们的取向和高低左右位置，凭眼睛观察，使物（或物屏）和成像平面（或像屏）与导轨垂直。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）。细调：这一步要靠其他仪器或成象规律来判断和调节。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：使物与凸透镜共轴实际上是指将物上的某一点调到透镜的主光轴上，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。根据凸透镜成象规律即可判断。如图2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 位置都能在屏上成像，一次成大像 A1B1 ，另一次成小像 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 点一定都不在光轴上，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。据此可知，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（可在屏上贴坐标纸，供记录位置时作参考物），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道理，逐个增加待调透镜，调节它们使之逐个与第一个透镜共轴。四、常用光学仪器简介：图 2 1.目镜接筒 2.目镜 3.锁紧螺钉 4.调焦手轮 5. 标尺 6.测微鼓轮 7.锁紧手轮I 8.接头轴 9.方轴 10.锁紧手轮II 11.底座 12.反光镜旋轮 13. 压片 14.半反镜组 15.物镜组 16.镜筒 17.刻尺 18.锁紧螺钉 19.棱镜室图 3 读数显微镜

4.1读数显微镜实验室常用测量显微镜来测量长度，其优点是：测量准确度高：可以做到无接触测量，在测量过程中对被测物体的影响较小。读数显微镜的量程一般为几个厘米，分度值为0·01mml。常见的一种读数显微镜JCD型的机械部分是根据螺旋测微原理制造的，一个与螺距为1mm的丝杆联动的刻度圆盘上有100个等分格，因此它的分值是0·01mm。4.2分光计分光计是正确测定光线偏转角的仪器，不少物理量如折射率、波长的测定都要用到它。分光计有各种类型，其结构也有不同，但它总是由三足底座，平行光管，载物台，望远镜和读数装置等所组成。分光计在使用前一定要经过仔细的调整，使其处于正常工作状态：①望远镜能接收平行光：②平行光管能发出平行光；③望上之远镜和平行光管共光轴，且均与分光计的中心轴（载物平台的法线）相垂直。只有这样才能使入射光和出射光265的平面与刻度盘载物台相平行，而使24分光计刻度盘上的读数正确反映出光162线的偏转角。因此正确地调整分光计，对减少测量误差，提高测量的准确度1.狭缝装置2.狭缝装置锁紧螺钉3.平行光管部件4.制动架（二）5.载物台6.载物台调平螺钉（3只）7.载物台锁紧螺钉8.望远镜部件9.目镜锁紧螺是十分重要的。而分光计的调整方法钉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对一般光学仪器的调整也有一定的通螺钉13.望远镜光轴水平调节螺钉14.支臂15.望远镜微调螺钉16.转座与度用性。角止动螺钉17.望远镜止动螺钉18.制动架（一）19.底座20.转座21.度盘22.游标盘23.立柱24.游标盘微调螺钉25.游标盘止动螺钉26.平行4.3迈克尔逊干涉仪光管光轴水平调节螺钉27.平迈克尔逊干涉仪其基本光路如图5行光管光轴高低调节螺钉28.狭缝宽度调节手轮29.平行平板连座30.光栅板连座31.6.3V变压器所示。图中S为光源，A、B为平行平面图4JJY分光计玻璃板，A称为分束镜，在它的一个表面镀有半透半反射金属膜M，B称为补偿板。C、D为互相垂直的平面镜。A、B与C、D均成45°角。迈克尔逊干涉仪在光学实验和计量技术中有着广泛的应用。例如：可用它测量光波的波长、微小长度、光源的相干长度，用相干性较好的光源可对较大的长度作精密测量，以及可用它来研究温度、压力对光传播的影响等。随着应用的需要，迈克尔逊干涉仪有多种多样的形式。五、实验室常用光源：5.1He—Ne激光光源：5图5

5 4.1 读数显微镜实验室常用测量显微镜来测量长度，其优点是：测量准确度高；可以做到无接触测量，在测量过程中对被测物体的影响较小。读数显微镜的量程一般为几个厘米，分度值为 0·01mm。常见的一种读数显微镜 JCD3 型的机械部分是根据螺旋测微原理制造的，一个与螺距为 1mm 的丝杆联动的刻度圆盘上有 100 个等分格，因此它的分值是 0·01mm。 4.2 分光计分光计是正确测定光线偏转角的仪器，不少物理量如折射率、波长的测定都要用到它。分光计有各种类型，其结构也有不同，但它总是由三足底座，平行光管，载物台，望远镜和读数装置等所组成。分光计在使用前一定要经过仔细的调整，使其处于正常工作状态：① 望远镜能接收平行光；② 平行光管能发出平行光；③ 望远镜和平行光管共光轴，且均与分光计的中心轴（载物平台的法线）相垂直。只有这样才能使入射光和出射光的平面与刻度盘载物台相平行，而使分光计刻度盘上的读数正确反映出光线的偏转角。因此正确地调整分光计，对减少测量误差，提高测量的准确度是十分重要的。而分光计的调整方法对一般光学仪器的调整也有一定的通用性。 4.3 迈克尔逊干涉仪迈克尔逊干涉仪其基本光路如图5 所示。图中S为光源，A、B为平行平面玻璃板，A称为分束镜，在它的一个表面镀有半透半反射金属膜M，B称为补偿板。C、D为互相垂直的平面镜。A、B与C、D均成 45 角。迈克尔逊干涉仪在光学实验和计量技术中有着广泛的应用。例如：可用它测量光波的波长、微小长度、光源的相干长度，用相干性较好的光源可对较大的长度作精密测量，以及可用它来研究温度、压力对光传播的影响等。随着应用的需要，迈克尔逊干涉仪有多种多样的形式。五、实验室常用光源： 5.1 He—Ne激光光源： 1.狭缝装置 2.狭缝装置锁紧螺钉 3.平行光管部件 4.制动架(二) 5. 载物台 6.载物台调平螺钉(3 只) 7.载物台锁紧螺钉 8.望远镜部件 9.目镜锁紧螺钉 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钉 13.望远镜光轴水平调节螺钉 14.支臂 15.望远镜微调螺钉 16.转座与度角止动螺钉 17.望远镜止动螺钉 18.制动架(一) 19.底座 20.转座 21.度盘 22.游标盘 23.立柱 24.游标盘微调螺钉 25.游标盘止动螺钉 26.平行光管光轴水平调节螺钉 27.平行光管光轴高低调节螺钉 28.狭缝宽度调节手轮 29.平行平板连座 30. 光栅板连座 31.6.3V 变压器图 4 JJY 分光计图 5

7 实验薄透镜焦距的测量一、目的： 1、掌握薄透镜焦距的测量； 2、学会调节光学系统。二、原理：如图1所示，设薄透镜的第二焦距为 f ' ,物距为s,对应的象距为 s ' ，则由透镜成象公式得： 1 f ＝ 1 s － 1 s „„ （1） f ＝ s s ss    „„„ （2）应用上式时，必须注意各物理量所适用的符号规则。本讲义规定：光线自左向右进行；距离从参考点（薄透镜心）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，未知量则根据结果中的符号判断其物理意义。下面介绍测量会聚透镜的二种方法：（1）由物距与象距求距离：取物与白屏之间的距离L大于4 f  ，此后，固定物与白屏的位置，移动透镜则必能在白屏上两次成象，如图2所示。透镜在位置 I 时：物距 S  (L  d  S ) 2 ;象距 S  d  S 2 ，得放大、倒立的实象 P 。透镜在位置  时：物距 S  (L  S ) 2 ; 象距 S  S 2 ，得缩小、倒立的实象 P。由（2）式知：对位置 I 而言： L L d S d S f ( )( ) 2 2        „„„„„„„„„„„（A）对位置  而言： L L S S f      2 2 ( ) „„„„„„„„„„„„„„„„（B ）从方程（A）（B）中不难解出： L L d f 4 2 2    „„„„„„„„„„„（3 ）（3）式表明：只要测出 d 和 L 就可以算出 f  。由于 f  是通过透镜两次成象而求得的，因而这种方法又称二次成象法。（2）由光的可逆性原理求焦距：如图3所示，当物屏P放在透镜L的第一焦平面上时，由P发出的光经透镜后将成为平行光。如果在透镜后面放一与透镜光轴垂直的平面镜M，就可把这一束平行光反射回去，再经过原透镜L 则必成象于物屏平面上。P与L之间的距离就是透镜L的第二焦距 f  。这方法是利用调节实验装置本身使之产生平行光以达到调焦目的，所以又称为自准直法。图 1 L P I I I d s ' P'' P ' 图 2