光學(xué)實(shí)驗(yàn)理論課第1頁(yè)/共75頁(yè)

關(guān)于本學(xué)期光學(xué)實(shí)驗(yàn)

一、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

*實(shí)驗(yàn)一薄透鏡焦距的測(cè)定*實(shí)驗(yàn)三1、分光計(jì)的調(diào)節(jié)及棱鏡角的測(cè)定；2、分光計(jì)測(cè)棱鏡折射率*實(shí)驗(yàn)五顯微鏡；實(shí)驗(yàn)六單色儀的定標(biāo)；第2頁(yè)/共75頁(yè)

實(shí)驗(yàn)七用雙棱鏡干涉測(cè)光波波長(zhǎng)*實(shí)驗(yàn)八牛頓環(huán)測(cè)平凸透鏡的曲率半徑

*實(shí)驗(yàn)九用透射光柵測(cè)光波波長(zhǎng)*實(shí)驗(yàn)十四1、邁克爾遜干涉的調(diào)節(jié)及測(cè)氦氖激光波長(zhǎng)；2、邁克耳遜干涉儀測(cè)鈉雙線(xiàn)的波長(zhǎng)差

二、實(shí)驗(yàn)安排和實(shí)驗(yàn)進(jìn)度第3頁(yè)/共75頁(yè)輪次周實(shí)驗(yàn)內(nèi)容儀器套數(shù)小組數(shù)（以每輪的第一周為例。供參考）12、3、4薄透鏡焦距的測(cè)定1512分光計(jì)的調(diào)節(jié)及棱鏡角的測(cè)定1512顯微鏡151127、8、9分光計(jì)測(cè)棱鏡折射率1512邁克耳遜干涉儀的調(diào)節(jié)及測(cè)激光波長(zhǎng)1512牛頓環(huán)測(cè)平凸透鏡的曲率半徑1511310、11、12透射光柵測(cè)光波波長(zhǎng)1512邁克耳遜干涉儀測(cè)鈉雙線(xiàn)的波長(zhǎng)差1512二選一（盡量選單色儀的定標(biāo)）單色儀的定標(biāo)66雙棱鏡干涉測(cè)光波波長(zhǎng)125

本周三將分組名單發(fā)給我。第4頁(yè)/共75頁(yè)

緒論光學(xué)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)知識(shí)一、常用光學(xué)儀器

1、光具座

（1）調(diào)節(jié)要求：

各光學(xué)元件共軸且等高；光束滿(mǎn)足傍軸條件（光束傍軸、物象傍軸）。共軸與等高第5頁(yè)/共75頁(yè)

共軸：各元件主光軸共線(xiàn)：等高：共軸的主光軸與導(dǎo)軌平行：第6頁(yè)/共75頁(yè)

（2）調(diào)節(jié)：粗調(diào)；細(xì)調(diào)。粗調(diào)：將導(dǎo)軌上所有元件靠攏，靠目測(cè)調(diào)節(jié)，令其初步共軸和等高。細(xì)調(diào)：目標(biāo):在物象屏距離大于四倍焦距時(shí)，移動(dòng)透鏡所得的兩次成像（大像和小像）中心應(yīng)重合。第7頁(yè)/共75頁(yè)調(diào)節(jié)：

透鏡在1位時(shí)成大像。若大像偏離中心時(shí)，調(diào)節(jié)物位置或透鏡位置（高低、左右），使大像位于像屏中心；1第8頁(yè)/共75頁(yè)調(diào)節(jié)：

再把透鏡移到2位，此時(shí)成小像。若小像偏離像屏中心，可調(diào)節(jié)像屏，使小像位于像屏中心。12第9頁(yè)/共75頁(yè)

以上兩步反復(fù)調(diào)節(jié)，即可實(shí)現(xiàn)共軸與等高。12第10頁(yè)/共75頁(yè)2、測(cè)微目鏡

作用：裝在各種顯微鏡、望遠(yuǎn)鏡上，測(cè)量經(jīng)物鏡所成的中間像（實(shí)像）的大小。

顯微鏡成像原理圖：第11頁(yè)/共75頁(yè)中間像第12頁(yè)/共75頁(yè)測(cè)微目鏡原理圖（詳圖見(jiàn)P7圖0-2-2）接物鏡可上下移動(dòng)目鏡組帶十字叉絲的分度板手動(dòng)鼓輪可左右移動(dòng)帶刻度的固定分劃板第13頁(yè)/共75頁(yè)

視場(chǎng)中看到的清晰的分劃板上的毫米刻度與分度板上的十字叉絲：第14頁(yè)/共75頁(yè)調(diào)節(jié)步驟：

上下調(diào)節(jié)目鏡，清晰地見(jiàn)到毫米刻度和十字叉絲；

調(diào)節(jié)物鏡與待測(cè)像的距離，使之清晰地成像在分度板上（像與十字叉絲無(wú)視差）

轉(zhuǎn)動(dòng)目鏡鏡筒，使得毫米刻度的標(biāo)尺方向與待測(cè)長(zhǎng)度方向平行，以便測(cè)量；第15頁(yè)/共75頁(yè)

鼓輪周邊刻度100格，每轉(zhuǎn)一圈能使分劃板移動(dòng)1mm。已知鼓輪轉(zhuǎn)動(dòng)格數(shù)即可知分劃板移動(dòng)長(zhǎng)度（估算到10分之1格）第16頁(yè)/共75頁(yè)注意事項(xiàng)：

測(cè)量時(shí)應(yīng)始終保持鼓輪朝同一方向轉(zhuǎn)動(dòng)，避免中途改變鼓輪的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，以免造成螺距誤差（詳見(jiàn)P7）。第17頁(yè)/共75頁(yè)3、分光計(jì)

分光計(jì)是一種可精密測(cè)量角度的光學(xué)儀器。幾何光學(xué)中，主要用于測(cè)量：棱鏡頂角、光束的偏向角等。在波動(dòng)光學(xué)中，主要用于觀(guān)察和測(cè)量：光譜、光譜線(xiàn)的波長(zhǎng)等。

分光計(jì)的結(jié)構(gòu)

詳見(jiàn)P9圖0-2-5。實(shí)物圖及原理圖：第18頁(yè)/共75頁(yè)第19頁(yè)/共75頁(yè)

中心軸第20頁(yè)/共75頁(yè)調(diào)節(jié)：

目的：通過(guò)調(diào)節(jié)，使得三個(gè)平面：讀值平面、待測(cè)平面與光束平面平行，此時(shí)三個(gè)平面已與分光計(jì)中心軸垂直。

讀值平面：讀值平面就是刻度盤(pán)和游標(biāo)內(nèi)盤(pán)旋轉(zhuǎn)形成的平面，固定且與分光計(jì)中心軸垂直。讀值平面第21頁(yè)/共75頁(yè)

觀(guān)察平面：準(zhǔn)直管與轉(zhuǎn)動(dòng)的望遠(yuǎn)鏡形成的平面，要求望遠(yuǎn)鏡與中心軸垂直。

光束平面：入射光、反射光、折射光都必須在同一平面內(nèi)。第22頁(yè)/共75頁(yè)

粗調(diào)：

調(diào)節(jié)分粗調(diào)和細(xì)調(diào)兩步。

調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡目鏡，使能看清十字叉絲。

用望遠(yuǎn)鏡觀(guān)察遠(yuǎn)處物體，并調(diào)節(jié)物鏡使遠(yuǎn)處物體和十字叉絲都清晰。此時(shí)望遠(yuǎn)鏡已能粗略觀(guān)察平行光。

通過(guò)目測(cè)，調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡軸和載物平臺(tái)，使之盡量與中心軸垂直。此步驟要求盡量細(xì)致準(zhǔn)確。第23頁(yè)/共75頁(yè)

細(xì)調(diào)：

應(yīng)用自準(zhǔn)直原理調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡適合觀(guān)察平行光：

將平面反射鏡置于載物平臺(tái)上，詳見(jiàn)P12圖0-2-9a。如此放置只需調(diào)節(jié)一顆螺絲即可（如圖中的或）

點(diǎn)亮“小十字叉絲”照明燈。

將望遠(yuǎn)鏡垂直對(duì)準(zhǔn)反射鏡面，直到看到綠色的“小十字叉絲”反射像，調(diào)節(jié)物鏡，使得該反射像與測(cè)量用十字叉絲間無(wú)視差。第24頁(yè)/共75頁(yè)

此時(shí)望遠(yuǎn)鏡已適合觀(guān)察平行光，不得再改變其調(diào)焦?fàn)顟B(tài)。

用逐步逼近法（二分之一調(diào)節(jié)法）進(jìn)行調(diào)節(jié)，使得望遠(yuǎn)鏡光軸與中心軸垂直。

目的：最終要使經(jīng)反射鏡兩個(gè)反射面反射進(jìn)入望遠(yuǎn)鏡的綠色“小十字叉絲”反射像都與調(diào)整用十字叉絲重合。

方法：當(dāng)兩者不重合時(shí)，分別調(diào)節(jié)載物平臺(tái)螺絲及望遠(yuǎn)鏡傾斜調(diào)整螺絲，各使兩者之間距離減小原距離的一半。第25頁(yè)/共75頁(yè)

對(duì)反射鏡的兩個(gè)反射面所成的綠色叉絲像反復(fù)用此法進(jìn)行調(diào)節(jié)，直至使其與調(diào)整用十字叉絲完全重合。

調(diào)節(jié)準(zhǔn)直管使之產(chǎn)生平行光，并使其光軸與望遠(yuǎn)鏡光軸重合：

照亮準(zhǔn)直管狹縫，前后調(diào)節(jié)狹縫，使從望遠(yuǎn)鏡中能看到清晰的狹縫像，且與測(cè)量叉絲之間無(wú)視差。此時(shí)準(zhǔn)直管出射的已是平行光。第26頁(yè)/共75頁(yè)

調(diào)節(jié)準(zhǔn)直管的傾斜螺絲，使得狹縫像的中心位于測(cè)量叉絲的交點(diǎn)處。此時(shí)望遠(yuǎn)鏡和準(zhǔn)直管的光軸已平行，并近似重合。至此，整個(gè)調(diào)節(jié)過(guò)程結(jié)束。

問(wèn)題：為何上述講近似重合，而不是完全重合？

答：因目測(cè)限制，在滿(mǎn)足近軸條件時(shí)，近似重合與完全重合的觀(guān)察結(jié)果是一樣的。故觀(guān)測(cè)者無(wú)法分辨之。第27頁(yè)/共75頁(yè)

二、實(shí)驗(yàn)規(guī)范1、實(shí)驗(yàn)前寫(xiě)好預(yù)習(xí)報(bào)告（寫(xiě)在專(zhuān)用實(shí)驗(yàn)紙上），包括：實(shí)驗(yàn)名稱(chēng)、實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)儀器、實(shí)驗(yàn)原理（文字和光路圖）、實(shí)驗(yàn)步驟、原始數(shù)據(jù)記錄表格。

——請(qǐng)老師檢查。2、布置和調(diào)整光路（參照P18）第28頁(yè)/共75頁(yè)3、測(cè)量（參照P18）4、歸整（參照P18

）

三、實(shí)驗(yàn)后的數(shù)據(jù)處理1、列表法

將所有的直接測(cè)量數(shù)據(jù)（原始數(shù)據(jù)）、間接測(cè)量數(shù)據(jù)、平均值、誤差及誤差平均值及標(biāo)準(zhǔn)不確定度等都填在表格中。第29頁(yè)/共75頁(yè)

如長(zhǎng)度測(cè)量：被測(cè)量LiL︳Li-L︳ΔLL

±ΔL次數(shù)1231.951230.031.95±0.03數(shù)據(jù)1.961.981.950.010.030.04第30頁(yè)/共75頁(yè)2、作圖法

優(yōu)點(diǎn)：直觀(guān)、簡(jiǎn)潔、適合一些函數(shù)關(guān)系復(fù)雜和未知函數(shù)關(guān)系的間接測(cè)量量的數(shù)據(jù)處理。四個(gè)點(diǎn)必須在曲線(xiàn)上找。第31頁(yè)/共75頁(yè)作圖規(guī)則和步驟：

（1）取合適的作圖比例，盡量不使有效數(shù)字由于作圖而改變。

（2）用細(xì)鉛筆畫(huà)出的交叉點(diǎn)來(lái)表示實(shí)驗(yàn)點(diǎn)。

（3）畫(huà)出的曲線(xiàn)或直線(xiàn)使實(shí)驗(yàn)點(diǎn)均勻分布在曲線(xiàn)或直線(xiàn)兩側(cè)。為什么？（4）需要計(jì)算的點(diǎn)必須在曲線(xiàn)或直線(xiàn)上找。為什么？第32頁(yè)/共75頁(yè)

原始數(shù)據(jù)紀(jì)錄；數(shù)據(jù)處理（間接測(cè)量量的計(jì)算、作圖、誤差處理等）；結(jié)果分析；回答思考題。3、數(shù)據(jù)處理的要求

不許偽造、隨意涂改或抄襲原始數(shù)據(jù)；原始數(shù)據(jù)用鋼筆紀(jì)錄；圖表要用鉛筆、尺、曲線(xiàn)板等工具完成；最后應(yīng)對(duì)實(shí)驗(yàn)精度的提高和減小誤差等方面進(jìn)行討論。第33頁(yè)/共75頁(yè)四、注意事項(xiàng)1、光學(xué)元件與光學(xué)儀器的使用和維護(hù)（參照P18）

（1）實(shí)驗(yàn)既可以是對(duì)理論的驗(yàn)證，又可以是根據(jù)理論公式對(duì)實(shí)際物理量的測(cè)量。實(shí)驗(yàn)中所用到的公式都是理論課上學(xué)過(guò)的公式。2、實(shí)驗(yàn)與理論的異同第34頁(yè)/共75頁(yè)

原因：理論公式成立的前提是物理實(shí)體的理想性。實(shí)驗(yàn)公式要考慮到實(shí)際物理實(shí)體的非理想性。（2）實(shí)驗(yàn)因?yàn)橐紤]到測(cè)量的精度和減小誤差，所用的公式又和理論課上學(xué)過(guò)的公式不同。第35頁(yè)/共75頁(yè)

實(shí)驗(yàn)一薄透鏡焦距的測(cè)定

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、掌握光學(xué)系統(tǒng)共軸的調(diào)節(jié)、視差原理的應(yīng)用；2、掌握薄透鏡焦距常用的測(cè)定方法。

二、實(shí)驗(yàn)原理第36頁(yè)/共75頁(yè)可視為薄透鏡，記為：當(dāng)很?。ê屯哥R焦距比）時(shí)，透鏡正透鏡（會(huì)聚透鏡）負(fù)透鏡（發(fā)散透鏡）第37頁(yè)/共75頁(yè)

薄透鏡的光心、焦點(diǎn)、焦距及其性質(zhì)第38頁(yè)/共75頁(yè)1——照明燈；2——平行光管；3、待測(cè)物（帶有刻度的玻板）；4——待測(cè)透鏡，焦距為：（待測(cè)）5——讀數(shù)目鏡；6——光具座導(dǎo)軌；7——平行光管透鏡，8——帶有十字叉絲的分劃板，玻板刻度成像處；9——讀數(shù)鼓輪。第39頁(yè)/共75頁(yè)設(shè)物高（玻板上刻線(xiàn)之間的距離）為，像高為據(jù)此式可算出待測(cè)透鏡焦距。（分劃板上所成的玻板上刻線(xiàn)的像之間的距離），則據(jù)幾何光學(xué)原理，有：第40頁(yè)/共75頁(yè)

三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容（參考P22）

1、調(diào)節(jié)

粗調(diào)；細(xì)調(diào)共軸、等高；

2、焦距測(cè)量

公式法，重復(fù)測(cè)三次取平均值；3、誤差分析：對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行誤差分析。第41頁(yè)/共75頁(yè)

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模▍⒄誔31）

實(shí)驗(yàn)三分光計(jì)的調(diào)節(jié)及棱鏡頂角的測(cè)量

自準(zhǔn)直法測(cè)棱鏡角

二、實(shí)驗(yàn)原理

1、分光計(jì)的調(diào)節(jié)和使用；

2、棱鏡頂角的測(cè)定

圖為等邊棱鏡ABC及其棱鏡角第42頁(yè)/共75頁(yè)準(zhǔn)直管望遠(yuǎn)鏡望遠(yuǎn)鏡第43頁(yè)/共75頁(yè)

三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容參照P31

1、分光計(jì)的調(diào)節(jié)；

2、棱鏡頂角的測(cè)定。

要求：自準(zhǔn)直法重復(fù)側(cè)三次，取平均值并計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)不確定度；第44頁(yè)/共75頁(yè)

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

實(shí)驗(yàn)五顯微鏡（望遠(yuǎn)鏡不作要求）

實(shí)驗(yàn)原理及實(shí)驗(yàn)內(nèi)容詳見(jiàn)教材及補(bǔ)充講義。

1、熟悉顯微鏡的構(gòu)造及放大原理；

2、學(xué)會(huì)一種測(cè)定顯微鏡放大率的方法；

3、顯微鏡的使用并測(cè)微小長(zhǎng)度。第45頁(yè)/共75頁(yè)第46頁(yè)/共75頁(yè)第47頁(yè)/共75頁(yè)

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

實(shí)驗(yàn)八牛頓環(huán)（劈尖干涉不作要求）

兩束滿(mǎn)足相干條件的光相遇，會(huì)產(chǎn)生干涉現(xiàn)象——有的地方始終加強(qiáng)，有的地方始終減弱，出現(xiàn)明暗相間的干涉條紋。（視頻課第二集29’11”）

牛頓環(huán)的干涉條紋——明暗相間的、疏密漸變的同心圓環(huán)，

二、實(shí)驗(yàn)原理

測(cè)量平凸透鏡的曲率半徑第48頁(yè)/共75頁(yè)薄膜干涉原理正入射時(shí)：第49頁(yè)/共75頁(yè)等厚條紋第50頁(yè)/共75頁(yè)等傾條紋第51頁(yè)/共75頁(yè)牛頓環(huán)形成一空氣薄膜，光線(xiàn)正入射，光程差公式為：設(shè)觀(guān)察暗條紋，則有：牛頓環(huán)干涉原理第52頁(yè)/共75頁(yè)半徑能直接測(cè)量嗎？代入，得：第53頁(yè)/共75頁(yè)圓心如何確定？實(shí)驗(yàn)的靈魂是減小誤差！第54頁(yè)/共75頁(yè)

牛頓環(huán)的級(jí)次數(shù)很難確定（詳見(jiàn)P62）。能否避開(kāi)對(duì)環(huán)的級(jí)次的計(jì)數(shù)？

對(duì)第k級(jí)環(huán)外面的第k+m級(jí)環(huán)，有：第55頁(yè)/共75頁(yè)

實(shí)驗(yàn)中采用鈉燈照明，納黃光波長(zhǎng)給定：

取和

則直接測(cè)量量為

的兩

個(gè)坐標(biāo)：第56頁(yè)/共75頁(yè)

二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及注意事項(xiàng)

1、牛頓環(huán)的調(diào)節(jié)：注意分光板的角度。

3、測(cè)20個(gè)暗環(huán)的直徑，共40個(gè)讀數(shù)。得到10個(gè)

為什么？第57頁(yè)/共75頁(yè)

實(shí)際中，平凸透鏡的曲率并非處處相等，故測(cè)量時(shí)最少測(cè)量40個(gè)牛頓環(huán)的直徑坐標(biāo)，得到20個(gè)直徑，10個(gè)直徑的平方差，取平均值。第58頁(yè)/共75頁(yè)20個(gè)20個(gè)10個(gè)第59頁(yè)/共75頁(yè)鼓輪轉(zhuǎn)動(dòng)引起的螺桿推進(jìn)方向20個(gè)20個(gè)

2、測(cè)暗環(huán)直徑時(shí)，必須注意讀數(shù)顯微鏡方向旋鈕應(yīng)始終向一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)。為什么？第60頁(yè)/共75頁(yè)

三、數(shù)據(jù)處理（參照P62）環(huán)序數(shù)X(cm)X’(cm)D=x-x’D2u=D2k+m-D2ku平均△u△u平均R(m)△R（m）u’=D222-D2km345..2122第61頁(yè)/共75頁(yè)實(shí)驗(yàn)三2、棱鏡玻璃折射率的測(cè)定此實(shí)驗(yàn)為第一輪實(shí)驗(yàn)三中的實(shí)驗(yàn)1、（棱鏡角的測(cè)定）的繼續(xù)。參照書(shū)中內(nèi)容即可。需要提醒的是：1、第一輪實(shí)驗(yàn)中已經(jīng)測(cè)得的棱鏡角A可作為已知條件使用；2、實(shí)驗(yàn)中以汞燈中最亮的綠色光譜線(xiàn)為準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)量。第62頁(yè)/共75頁(yè)需要修改的部分詳見(jiàn)補(bǔ)充講義。一、邁克爾遜干涉儀原理1、光的干涉原理視頻1：光的干涉。視頻2：麥?zhǔn)细缮嬖怼?/p>

實(shí)驗(yàn)十四1、邁克耳遜干涉儀的調(diào)節(jié)及氦氖激光波長(zhǎng)的測(cè)定第63頁(yè)/共75頁(yè)邁克爾遜干涉儀第64頁(yè)/共75頁(yè)原理圖第65頁(yè)/共75頁(yè)2、干涉條紋等傾條紋等厚條紋3、應(yīng)用于長(zhǎng)度的精密測(cè)量①波長(zhǎng)要單一并穩(wěn)定。②計(jì)數(shù)要準(zhǔn)確。第66頁(yè)/共75頁(yè)需要修改的部分詳見(jiàn)補(bǔ)充講義。嚴(yán)格平行光程嚴(yán)格相等第67頁(yè)/共75頁(yè)內(nèi)容及需要修改的部分詳見(jiàn)補(bǔ)充講義。

實(shí)驗(yàn)九用透射光柵測(cè)光波波長(zhǎng)第68頁(yè)