1、1,大學(xué)物理實驗,2,光學(xué)實驗原理介紹,請安靜 現(xiàn)在上課,光學(xué)實驗原理介紹,實驗17 等厚干涉實驗,實驗7 分光計的調(diào)節(jié)與使用,實驗8 邁克爾遜干涉儀的調(diào)整和使用,實驗16 用分光計研究光柵光譜,3,實驗26 分光計的調(diào)節(jié)與使用,課本P145,1、了解分光計的結(jié)構(gòu)，學(xué)習(xí)調(diào)整分光計 2、掌握利用分光計測量三棱鏡頂角的方法 3、測量玻璃的折射率,【實驗?zāi)康摹?【實驗項目】,4,【實驗儀器】,分光計（JJY型）、平面鏡、三棱 鏡、鈉光燈汞燈與電源,5,6,2、平行光管作為產(chǎn)生平行光束的光源。 管的一端裝一會聚透鏡，另一端是帶有狹縫的圓筒。旋松螺釘2，,分光計主要由底座、平行光管、望遠(yuǎn)鏡、載物臺和讀數(shù)

2、圓盤五部分組成。,1、底座中心有一豎軸，稱為儀器的中心軸或主軸。度盤和游標(biāo)盤套在中心軸上，可繞中心軸轉(zhuǎn)動。,狹縫圓筒可沿軸向移動和繞軸轉(zhuǎn)動。管的水平方位角由螺釘26調(diào)節(jié)，仰角由螺釘27調(diào)節(jié)，狹縫寬度由手輪28調(diào)節(jié)。,7,目鏡上有照明裝置。 旋松螺釘9，目鏡筒可沿軸向移動和繞軸轉(zhuǎn)動。 筒的仰角由螺釘12調(diào)節(jié)，望遠(yuǎn)鏡光軸水平方位由螺釘13調(diào)節(jié)。 望遠(yuǎn)鏡可以繞儀器中心軸轉(zhuǎn)動。,（返回40頁）,阿貝自準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡,載物臺,無視差,3、望遠(yuǎn)鏡觀測用。由目鏡系統(tǒng)和物鏡組成。,反射像,目鏡,阿貝棱鏡,8,4、載物臺放置平面鏡等光學(xué)元件用。它套于游標(biāo)盤上，可繞主軸轉(zhuǎn)動。 旋緊螺釘7和放松螺釘25，可使載物臺隨同

3、游標(biāo)盤轉(zhuǎn)動； 旋緊螺釘7和25，調(diào)節(jié)螺釘24則可進行轉(zhuǎn)動微調(diào)； 放松螺釘7，可單獨轉(zhuǎn)動和升降載物臺； 臺面下三螺釘6可調(diào)節(jié)臺面的傾斜度（水平）。,9,5、讀數(shù)圓盤讀數(shù)裝置。由可繞主軸轉(zhuǎn)動的刻度盤和游標(biāo)盤組成。 刻度盤刻有720等分刻線，最小分度值為半度(30分)。 在游標(biāo)盤對徑方向設(shè)有兩個角游標(biāo)。它們各有30個分格對應(yīng)度盤上29個分度值，所以游標(biāo)上每分度為1分，這樣小于半度可利用游標(biāo)讀數(shù)。 設(shè)置兩個游標(biāo)是為了消除刻度盤和游標(biāo)盤的圓心與儀器主軸的軸心不重合所引起的偏心誤差。測量時分別讀出兩個游標(biāo)的讀數(shù)，取其平均值。 設(shè)開始時兩游標(biāo)尺讀數(shù)為 和 ，在望遠(yuǎn)鏡轉(zhuǎn)過一角度 后，兩游標(biāo)尺讀數(shù)為 和 ，則按

4、下式計算：,10,讀數(shù)方法：與游標(biāo)卡尺相似，這里讀出的是角度。 以角游標(biāo)零線為準(zhǔn)，讀出刻度盤上的度值，再找游標(biāo)上與刻度盤剛好重合的刻線為所求之分值。 若游標(biāo)零線落在半度刻線之外，則讀數(shù)應(yīng)加上30分。 讀數(shù)示例：,320,11,注意： 在測量過程中，由于望遠(yuǎn)鏡可能位于任何方位，故必須注意望遠(yuǎn)鏡轉(zhuǎn)動過程中是否越過了刻度的零點。 如越過了刻度的零點，則按下式計算望遠(yuǎn)鏡轉(zhuǎn)角。,12,例如當(dāng)望遠(yuǎn)鏡有位置轉(zhuǎn)到時，雙游標(biāo)的讀數(shù)分別如下表所示。,游標(biāo)1讀數(shù)測得望遠(yuǎn)鏡轉(zhuǎn)角為,游標(biāo)2讀數(shù)測得望遠(yuǎn)鏡轉(zhuǎn)角為,13,一、三棱鏡頂角的測量原理,反射法側(cè)三棱鏡頂角 如圖4-26-2所示，一束平行光由頂角方向射入，在兩光學(xué)面

5、上分成兩束反射光。測出兩束反射光線之間的夾角，則可得到頂角A為,【實驗原理】,14,二、分光計的使用調(diào)整 （P147-151）,調(diào)整最終要求： 1、望遠(yuǎn)鏡對平行光聚焦（即望遠(yuǎn)調(diào)焦于無窮遠(yuǎn)）。 2、平行光管發(fā)出平行光。 3、望遠(yuǎn)鏡、平行光管的光軸垂直于儀器公共軸。,分光計調(diào)整的關(guān)鍵是調(diào)好望遠(yuǎn)鏡， 其他的調(diào)整則以望遠(yuǎn)鏡為準(zhǔn)。,A、B面反射像,15,【實驗內(nèi)容及步驟】,目的：保證望遠(yuǎn)鏡或載物臺轉(zhuǎn)過的角度與儀器讀數(shù)裝置所測得的角度一致。,返回46頁,實驗41 測光柵的實驗內(nèi)容,一、調(diào)整分光計 調(diào)整分光計，要求達到： （1）望遠(yuǎn)鏡對平行光聚焦。 （2）平行光管發(fā)出平行光。 （3）望遠(yuǎn)鏡、平行光管的光軸垂

6、直于儀器公共軸。 （4）在調(diào)整達到上述三點要求后，在載物臺上放置 并調(diào)整測量用的三棱鏡，使其兩光學(xué)側(cè)面平行于分光計光軸。,16,精細(xì)調(diào)節(jié):,目鏡調(diào)焦 : 使能看清分劃板上的十字叉線和綠色十字窗；,1、望遠(yuǎn)鏡對平行光聚焦（即望遠(yuǎn)調(diào)焦于無窮遠(yuǎn)）,粗調(diào) : 將望遠(yuǎn)鏡、載物臺、平行光管用目測粗調(diào)成水平，并與中心軸垂直。 （這一步粗調(diào)很重要，是以下細(xì)調(diào)的前提，也是細(xì)調(diào)成功的保證）,望遠(yuǎn)鏡適合接收觀察平行光的調(diào)整,17,注意：從望遠(yuǎn)鏡中能同時清晰看到分劃板準(zhǔn)線和綠色反射像且無視差，是望遠(yuǎn)鏡能接收平行光的判定標(biāo)志（右圖）。,物鏡調(diào)焦 使能看清從小鏡反射回來的綠色像，并與分劃板上的十字叉線無視差，這時物鏡和目

7、鏡的焦平面與分劃板重合，望遠(yuǎn)鏡就能接收平行光。 （調(diào)整方法：自準(zhǔn)直法。其中小鏡要按指導(dǎo)書P150圖9所示來放置。）,18,在望遠(yuǎn)鏡能接收平行光的基礎(chǔ)上，利用“各半調(diào)節(jié)法”來調(diào)節(jié)，使從小鏡兩反射面反射回來的綠色十字像均能與調(diào)整用準(zhǔn)線（分劃板上方的十字叉線）重合，這時綠色十字窗和綠色十字像的位置是關(guān)于測量用準(zhǔn)線（分劃板中心的十字叉線）上下對稱。根據(jù)光的反射定律可知，這時望遠(yuǎn)鏡光軸與小鏡反射面垂直。兩反射面的反射像均與調(diào)整準(zhǔn)線重合，說明小鏡反射面與分光計中心軸平行。, 望遠(yuǎn)鏡光軸與分光計中心軸垂直調(diào)整,望遠(yuǎn)鏡光軸和分光計中心軸垂直的判定標(biāo)志： 兩反射像都與分光板調(diào)整用的準(zhǔn)線(上叉絲)重合。,B面反射

8、像,A面反射像,19,20,載物臺傾角沒有調(diào)好的表現(xiàn)及調(diào)整方法,結(jié)論： 如果兩鏡面反射象的象點一上一下，要調(diào)載物臺下螺釘，直到兩鏡面象點高度相等，才表明載物臺已調(diào)好。,A,B,載物臺轉(zhuǎn)180后,載物臺轉(zhuǎn)180前和后,21,望遠(yuǎn)鏡光軸沒有調(diào)好的表現(xiàn)及調(diào)整方法,結(jié)論： 如果兩鏡面反射象的象點高度相同，但沒落在上十字橫線上，要調(diào)望遠(yuǎn)鏡仰角螺釘12，使象落在這一橫線上。,載物臺轉(zhuǎn)180后,載物臺轉(zhuǎn)180前和后,22,實際上，載物臺和望遠(yuǎn)鏡同時沒有調(diào)好是存在的，因此常用的調(diào)整方法是下面介紹的“各半調(diào)節(jié)法”，使亮十字像與上方的十字叉絲重合（見圖5-26-11(c)）。,23,2、平行光管出射平行光的調(diào)整,

9、望遠(yuǎn)鏡對準(zhǔn)平行光管（注意：這一步及后面操作絕對不能動望遠(yuǎn)鏡的仰角調(diào)節(jié)螺絲以及物鏡和目鏡的焦距），從望遠(yuǎn)鏡觀察平行光管的光亮狹縫像，調(diào)節(jié)平行光管透鏡的焦距，使光亮狹縫恰好位于平行光管透鏡的焦平面上，這時從望遠(yuǎn)鏡中可清晰看到狹縫的像呈現(xiàn)在分劃板平面上（一條明亮的細(xì)線），這說明望遠(yuǎn)鏡接收到的是平行光，也就是說，平行光管出射的是平行光。,所以從望遠(yuǎn)鏡里可清晰看到狹縫的像呈現(xiàn)在分劃板上且無視差，是平行光管出射平行光的判定標(biāo)志。,24,在上一步的基礎(chǔ)上，調(diào)節(jié)平行光管（或望遠(yuǎn)鏡）的水平擺向調(diào)節(jié)螺絲，使狹縫細(xì)線像與十字叉線豎線重合；然后轉(zhuǎn)動狹縫90O，調(diào)節(jié)平行光管的仰角螺絲，使狹縫細(xì)線像與中心水平線重合。這時

10、平行光管光軸與望遠(yuǎn)鏡光軸共線，也就與分光計中心軸垂直。,3、平行光管光軸與分光計中心軸垂直的調(diào)整,可見，從望遠(yuǎn)鏡看到狹縫亮線與豎直叉線重合，狹縫亮線轉(zhuǎn)90o后又與中心水平叉線重合，是平行光管光軸與望遠(yuǎn)鏡光軸共線并與分光計中心軸垂直的判定標(biāo)志。,轉(zhuǎn)90,25,調(diào)整方法根據(jù)自準(zhǔn)直法，用已調(diào)好的望遠(yuǎn)鏡來進行。為了便于調(diào)整，把三棱鏡按下圖所示位置放置夾穩(wěn)在載物臺上，使平臺下三個螺釘6a 、 6b、 6c中每兩個的連線與三棱鏡的鏡面正交。,4、放置并調(diào)整三棱鏡，使其側(cè)面平行于分光計光軸,根據(jù)實驗內(nèi)容的不同需要，置入待測元件后，還要進行相應(yīng)的某些調(diào)節(jié)。,望遠(yuǎn)鏡,6b,6c,6a,26,旋轉(zhuǎn)望遠(yuǎn)鏡，使望遠(yuǎn)鏡

11、對準(zhǔn)棱鏡的一個折射面AB，調(diào)節(jié)載物臺下的6a螺釘（注意此時望遠(yuǎn)鏡先前已調(diào)好，不可再動仰角螺絲，否則前面的調(diào)整就會前功盡棄） ，使在望遠(yuǎn)鏡中能看到反射回來的亮十字像與分劃板上方的十字準(zhǔn)線重合；再旋轉(zhuǎn)望遠(yuǎn)鏡，使望遠(yuǎn)鏡對準(zhǔn)棱鏡另一折射面AC，調(diào)節(jié)載物臺下的6b螺釘；以同樣的方法反復(fù)進行上述調(diào)整，直到AB、AC面反射回來的亮十字像均和分劃板上部的十字準(zhǔn)線重合為止。此時三棱鏡的兩個折射面均與分光計中心軸平行。,27,二. 測定三棱鏡的頂角和最小偏向角（折射率）,測量頂角,測量最小偏向角,28,重復(fù)測量三次，按公式 A= j/2 求出頂角A，計算其不確定度。,將載物臺和游標(biāo)盤固連； 將望遠(yuǎn)鏡和刻度盤固連。

12、 轉(zhuǎn)動望遠(yuǎn)鏡，按圖5-26-2所示的反射法，測量三棱鏡頂角A。記錄下望遠(yuǎn)鏡所處位置分別為和時的兩刻度盤讀數(shù) 和 ，則,1. 測定三棱鏡的頂角,29,=2A,游標(biāo),游標(biāo),位置： 游標(biāo)讀數(shù)1 游標(biāo)讀數(shù)1,位置： 游標(biāo)讀數(shù) 游標(biāo)讀數(shù),30,(1)將三棱鏡放置于載物臺上，使棱鏡折射面與平行光管軸線的夾角約為30o（如圖26-15）。 (2)觀察偏向角的變化。輕緩轉(zhuǎn)動載物臺，使折射光線沿偏向角減小的方向移動。當(dāng)看到在載物臺轉(zhuǎn)到某個位置折射光線將反方向移動，這一位置就是,圖26-15,折射光線以最小偏向角出射的位置。讀出此時的讀數(shù)圓盤兩游標(biāo)的讀數(shù)q 1、q 1 。,2. 測定最小偏向角dmin，計算三棱鏡

13、對鈉光的折射率,31,(3)測定入射光方向。旋緊7、25螺釘，鎖緊載物臺，移去三棱鏡，將望遠(yuǎn)鏡對準(zhǔn)平行光管，使分劃板十字豎線對準(zhǔn)狹縫中央，讀出此時兩游標(biāo)的讀數(shù)q 2、q 2。 (4)重復(fù)測量三次，由公式 和 可以求出三棱鏡對鈉光的折射率n。,32,1. 分光計為精密儀器，各活動部分均應(yīng)小心操作。當(dāng)輕輕推動可轉(zhuǎn)動部件而無法轉(zhuǎn)動時，切記不能強制使其轉(zhuǎn)動，應(yīng)分析原因后再進行調(diào)節(jié)。旋轉(zhuǎn)各旋鈕時動作應(yīng)輕緩； 2. 嚴(yán)禁用手觸摸棱鏡、平面鏡和望遠(yuǎn)鏡、平行光管上各透鏡的表面，嚴(yán)防棱鏡和平面鏡磕碰或跌落。,【注意事項】,33,1. 測定三棱鏡頂角A （數(shù)據(jù)處理示例 ）,頂角平均值：,其中,數(shù)據(jù)記錄表格（參考）

14、,附：數(shù)據(jù)記錄表格（參考格式）,右游標(biāo),左游標(biāo),右游標(biāo),左游標(biāo),右游標(biāo),左游標(biāo),34,頂角測量的不確定度： A類：,B類：以儀器示值誤差限為1計,所以,35,三棱鏡頂角的測量結(jié)果為：,相對不確定度： EA=0.12%,（P=0.68）,36,2、測定最小偏向角min 分光計編號： .,平均值,右游標(biāo),左游標(biāo),右游標(biāo),左游標(biāo),棱鏡對汞燈綠光的折射率,37,【思考題】,3、計算棱鏡對汞燈綠光的折射率為,三棱鏡對不同的色光的折射能力是不同，頻率大的光折射率大，也就是，波長越長則折射率越小,即紅光的折射率最小，而紫光最大。太陽光通過三棱鏡時,光束會發(fā)生折射,不同波長的光折射率不同, 白光分解為紅、橙、

15、黃、綠、青、藍、紫七種顏色。,38,【思考題】,預(yù) 習(xí) 思 考 題 2必做 思 考 題 3 4必做,【思考題】,39,實驗41 用分光計研究光柵光譜,1、熟悉分光計的調(diào)節(jié)與使用； 2、觀察光通過光柵的衍射現(xiàn)象，了解光柵的主要特性； 3、學(xué)會用透射光柵測定光柵常數(shù)、角分辨率、角色散率及光波波長。,【實驗?zāi)康摹?【實驗項目】,課本P219,40,分光計，平面光柵，平面鏡，汞燈。,光柵是根據(jù)多縫衍射原理制成的一種分光元件。 平面光柵 透射式光柵 結(jié)構(gòu)上分 階梯光柵 ，類型上分 凹面光柵燈 反射式光柵 本實驗使用透射式平面刻痕光柵。 當(dāng)光照射在透射式平面刻痕光柵上時，刻痕處由于散射不易透光，光線只能在

16、刻痕間的狹縫中通過。因此光柵實 際上是一排密集、均 勻而又平行的狹縫。,【實驗儀器】,41,【實驗原理】,衍射現(xiàn)象,42,1、利用光柵衍射測量光柵常數(shù)或光波波長,根據(jù)夫瑯和費衍射理論，單色平行光束投射到光柵平面，在各個狹縫處發(fā)生衍射，衍射光相遇疊加產(chǎn)生干涉，形成的干涉亮條紋，稱為光柵譜線 。,43,這些條紋的亮暗和位置由光程差來確定，其中亮條紋滿足下面的光柵方程: （ K=1，2，3，） 其中 d = a + b 稱為光柵常數(shù)，為入射光的波長，K 為明條紋的級數(shù)，k是K級明條紋的衍射角。 如果入射光是復(fù)色光，則除零級條紋外，對于其他的同級譜線，因各單色光的波長不同，其衍射角也各不相同，于是復(fù)色

17、入射光將被分解為單色光。因此，將出現(xiàn)按波長次序排列的單色譜線，稱為光柵的衍射光譜。相同K值譜線組成的光譜稱為K 級光譜。例如：,44,光波波長測量 如果已知光柵常數(shù)d，用分光計測出K級光譜中某一條紋的衍射角，按光柵方程即可算出該條紋所對應(yīng)的單色光的波長； 光柵常數(shù)d 測量 若已知某單色光的波長為，用分光計測出K級光譜中該色條紋的衍射角，即可算出光柵常數(shù)d。,（ K=1，2，3，）,45,2、利用光柵衍射測量光柵的角色散率,從光柵方程可知，對給定的光柵（即d一定），衍射角k與波長有關(guān)，除零級譜線外，其它級次的譜線按不同的波長而彼此分開。光柵的這種色散能力用角色散率來表示。它定義為同級光譜中兩條相

18、近的譜線衍射角之差與其波長差之比。 即 對光柵方程微分，即得角色散率,可見，在光柵常數(shù) d 已知時，只要測得某級譜線得衍射角，就可由上式算出該波長得角色散率D。,46,3、利用光柵衍射測量光柵的分辨本領(lǐng),分辨本領(lǐng)： （光柵的另一個基本特性參數(shù)） 定義為兩條剛可被分辨開的譜線的波長差除以它們的平均波長，即,何謂兩條剛可被分辨開的譜線？ 按瑞利條件，兩條剛可被分辨開的譜線就是其中一條譜線的最 亮處正好落在另一 條譜線的最暗處。 由此條件可推算 得,N為刻痕條數(shù)。因為K不很大，所以R主要由N決定。,47,（1）分光計調(diào)整 按分光計使用要求調(diào)節(jié)好分光計，要求達到：望遠(yuǎn)鏡適應(yīng)接收平行光；平行光管出射平行

19、光；望遠(yuǎn)鏡和平行光管光軸均垂直于儀器主軸。 （2）光柵放置與調(diào)整 按圖所示放置光柵在在物臺上。 對光柵放置的調(diào)整要求是，光柵平面 垂直與平行光管的光軸(用自準(zhǔn)直法： 調(diào)節(jié)載物臺下螺絲b或c使綠十字和上叉絲重合）； 光柵刻痕與儀器中心轉(zhuǎn)軸平行（調(diào)節(jié)a使左右的譜線中央均在水平叉絲上）。,【實驗內(nèi)容與步驟】,16頁分光計調(diào)節(jié),1、分光計調(diào)整與光柵放置,48,轉(zhuǎn)動望遠(yuǎn)鏡，測出+1級、-1級的綠光譜線的衍射角 ，測量6次，列表記錄數(shù)據(jù)，并進行數(shù)據(jù)處理計算出d值。（已知綠=546.07nm）看下頁圖 應(yīng)用公式R = kN 和N=l /d 或公式 計算出光柵分辨本領(lǐng)R，l 為平行光管通光孔徑（由實驗室提供）

20、。 測量+1級、-1級的兩黃光譜線的衍射角，求出波長黃1、 黃2；應(yīng)用公式D= /算出角色散率D。,2、光柵常數(shù)d和光柵分辨本領(lǐng)R的測量,3、光波波長和光柵角色散率D的測量,49,左邊綠色光譜,右邊綠色光譜,0白色光譜,右游標(biāo),左游標(biāo),50,1級譜線位置 ： 游標(biāo)讀數(shù)1 游標(biāo)讀數(shù)1,1級譜線位置 ： 游標(biāo)讀數(shù) 游標(biāo)讀數(shù),51,【注意事項】（P222） 1.零級譜線很強，長時間觀察會傷害眼睛，觀察時必須在狹縫前加一兩層白紙以減弱光強。 2.汞燈的紫外線很強，不可直視。 3.汞燈在使用時不要頻繁啟閉，否則會降低其壽命。 【問題討論】 1.對于同一光源，分別利用光柵分光和棱鏡分光，所產(chǎn)生的光譜有何區(qū)

21、別？ 2.用公式 測量時應(yīng)保證什么條件？如何保證？ 3.分光計調(diào)整的要求有哪些？ 4.如果光柵平面與轉(zhuǎn)軸平行，但刻痕與轉(zhuǎn)軸不平行，則整個光譜有什么異常？,52,分光計編號： .,平均值,右游標(biāo),左游標(biāo),右游標(biāo),左游標(biāo),53,預(yù) 習(xí) 思 考 題 1（必做） 2（必做） 思 考 題 1（必做） 4（必做）當(dāng)用波長為589.3nm的鈉黃光垂直照射到每毫米具有500條刻痕的平面透射光柵上時，最多能觀察到第幾級譜線？ 答：由(a+b)sin =k 得 k=(a+b)/sin 最大為90 所以 sin =1 又a+b=1/500mm=2 10-6m， =589.0nm=589.0 10-9m k=（210

22、-6/589.0）10-9=3.4 最多只能看到三級光譜。,54, 光程和光程差概念 在光介質(zhì)中傳播時，光振動的相位沿傳播方向逐點落后。若光在折射率為n的介質(zhì)中傳播通過的路程為r，則光振動相位落后的值為,式中的nr就成為與路程相應(yīng)的光程。由光程差引起的相位差的關(guān)系為 相位差= 光程差,55,1.從實驗中加深理解等厚干涉原理及定域干涉的概念； 2.掌握讀數(shù)顯微鏡的調(diào)節(jié)與使用； 3.掌握用牛頓環(huán)測定透鏡的曲率半徑和觀測劈尖干涉條紋的方法。 4. 學(xué)會用逐差法處理實驗數(shù)據(jù)。,【實驗?zāi)康摹?實驗42 牛頓環(huán),56,【實驗儀器】,讀數(shù)顯微鏡、牛頓環(huán)和劈尖裝置、鈉光燈。,【實驗儀器】,57,1.等厚干涉,

23、如何產(chǎn)生等厚干涉？ 當(dāng)光源照到一塊由透明介質(zhì)做的薄膜上時，光在薄膜的上表面被分割成反射和折射兩束光（分振幅），折射光在薄膜的下表面反射后，又經(jīng)上表面折射，最后回到原來的媒質(zhì)中，在這里與反射光交迭，發(fā)生相干。只要光源發(fā)出的光束足夠?qū)挘喔晒馐慕坏鼌^(qū)可以從薄膜表面一直延伸到無窮遠(yuǎn)。,當(dāng)平行光照到一塊透明介質(zhì)的薄膜上時，薄膜厚度相同處產(chǎn)生同一級的干涉條紋，厚度不同處產(chǎn)生不同級的干涉條紋。這種干涉稱為等厚干涉。,【實驗原理】,58,空氣的折射率 n =1 ； /2是光線在薄層下表面反射有半波損失而引入的附加光程差。,兩反射光線的光程差為,鈉光燈,牛頓環(huán)是由一個曲率半徑很大的平凸透鏡的凸面與一個平面玻

24、璃接觸在一起構(gòu)成，平凸透鏡的凸面與玻璃片之間的空氣層厚度從中心接觸點到邊緣逐漸增加。,當(dāng)以平行單色光垂直入射牛頓環(huán)儀時，入射光在空氣薄層的上下兩表面反射，形成的兩束和相干光在薄層附近相遇疊加干涉，其干涉圖樣：中心是一暗圓斑，而周圍是許多明暗相間、間隔逐漸減小的同心環(huán)，稱為牛頓環(huán)，它屬于等厚干涉條紋。,2用牛頓環(huán)測透鏡的曲率半徑,59,（明條紋） （暗條紋）,* k 級為暗環(huán)或亮環(huán)的條件：（條紋的半徑公式）,暗環(huán)： 明環(huán)：,（k=0，1，2，）,（k = 0, 1, 2, ）,則,根據(jù)光的干涉條件：,由幾何關(guān)系式 R2=( R-d )2 + rk2 R d，忽略d 2，有,k 級相干光的光程差為

25、：,60,測量方法：用兩個暗環(huán)（或明環(huán)）的半徑平方的差來計算R時，可以消除因附加光程差而產(chǎn)生的誤差。 對于第m環(huán)暗環(huán)半徑: 對于第n環(huán)暗環(huán)半徑: R為牛頓環(huán)直徑。實驗中波長已知，所以只要測量第m環(huán)和第n環(huán)的直徑 Dm、Dn ，就可以計算出R。,m、n表示干涉條紋的暗環(huán)序數(shù)，m-n為干涉暗環(huán)條紋的級差。,曲率半徑表達式,思考：為什么測量直徑可以使測量更精確？ 測量直徑如果對不準(zhǔn)，測得的是弦而不是直徑，則對R的結(jié)果有無影響？為什么？,61,注意：（為什么不測半徑r？為什么測量直徑更精確？ ） (1)由于透鏡與平板玻璃接觸時引起形變，使接觸處為一圓面，而圓面的中心很難定準(zhǔn)，因此牛頓環(huán)的中心不是一個點

26、，而是一個不太清晰的暗圓斑，而且黑圓斑里的級數(shù)是多少就難以確定。 (2)透鏡與平板玻璃之間可能有灰塵等存在，而引起一個附加厚度，從而形成附加的光程差。因此很難準(zhǔn)確判定絕對級數(shù) k 和測定 rk 。,若入射光波長l已知，測出各級暗環(huán)或明環(huán)的半徑，則可計算出曲率半徑R。 若R已知，就可以計算出入射光波長l。,62,3.劈尖等厚干涉,單色光正入射（很小，近似垂直入射），由空氣薄膜上、下表面反射的反射光和反射光的光程差為 產(chǎn)生一簇與劈棱平行的間隔相等、明暗相間的直線條紋，同一厚度d對應(yīng)同一級條紋 （棱邊處，d=0，=/2，出現(xiàn)暗條紋）： 明紋 ： k=1,2, 暗紋 ： k=0,1,2 相鄰亮紋或暗紋

27、對應(yīng)的厚度差： 相鄰亮紋或暗紋間距： 薄膜厚度或細(xì)絲直徑：,63,結(jié)論： 等厚干涉條紋的級次與薄膜厚度成正比，增大厚度時，干涉條紋將移向交線方向；干涉條紋的間距與薄膜楔角 有關(guān)，增大楔角，條紋間距減小。,64,實驗裝置的調(diào)整 輕微調(diào)節(jié)牛頓環(huán)裝置上的三個螺絲，使牛頓環(huán)中心大致位于裝置的中央并呈圓環(huán)形。 按圖3-17-5布置好實驗器件，點亮鈉燈15分鐘，使顯微鏡筒正對牛頓環(huán)裝置的中心。 讀數(shù)顯微鏡的調(diào)節(jié) 調(diào)節(jié)450半反鏡和鈉燈的高度，使從顯微鏡目鏡處可觀察到的黃光視場中亮度最大，這時基本上滿足入射光垂直于待測透鏡的要求。 調(diào)節(jié)目鏡、物鏡的焦距，使十字叉絲和干涉條紋最清晰且無視差，移動鏡筒能左右看清

28、40條干涉條紋以上。 為什么調(diào)節(jié)顯微鏡物鏡鏡筒時，只能由下向上調(diào)節(jié)？,【實驗內(nèi)容及步驟】, 使十字叉絲像的交點盡可能對準(zhǔn)牛頓環(huán)暗斑的中心，使在移動測量時叉絲像的另一根能夠與干涉圓環(huán)相切。,65,2. 測量牛頓環(huán)的平凸透鏡曲率半徑 測出以下暗環(huán)的直徑：D30、D29、D28、D27、D26和D15、D14、D13、D12、D11，列表記錄數(shù)據(jù)。 注意：在測量過程中，測微鼓輪應(yīng)沿同一個方向旋轉(zhuǎn)，中途不可反轉(zhuǎn)，以免鼓輪螺旋回程間隙引起回程誤差。 求出D302 -D152，D292 -D142，。注意上述D的下標(biāo)數(shù)字是以圓環(huán)的中心為0開始數(shù)的暗環(huán)序數(shù)，它不代表干涉級數(shù)。 分別用逐差法和作圖法處理數(shù)據(jù)，

29、計算透鏡的曲率半徑R和u（R）。鈉光波長l=5.89310-4mm。,為了減少誤差，選取的干涉暗環(huán)級差（m-n）應(yīng)該大一些，例如取m-n=15，即測量相距為15暗環(huán)的兩暗環(huán)的直徑，而且要相繼測量5組這樣的兩暗環(huán)直徑的。,66,作圖法計算R： （必做內(nèi)容） 由 可知，rm2與m成正比，其斜率為Rl，故可把測出的結(jié)果以D2為縱坐標(biāo)，對應(yīng)的環(huán)數(shù)m（n）為橫坐標(biāo)，作圖得一直線，求得斜率為a，由R=a/4l算出R。 測量劈尖干涉暗條紋之間的距離及劈尖所夾紙片厚度（自擬測量方法和步驟）。（選做內(nèi)容） 觀察牛頓環(huán)和劈尖干涉條紋的疏密情況，并從理論上加以解釋。 （必做內(nèi)容）,67,牛頓環(huán)編號： ，,m-n=1

30、5 ，=5.89310-4mm，,【數(shù)據(jù)記錄】,68,1、用逐差法求R值，?。╩-n）=15，即依次計算 5個數(shù)值，再求出平均值代入下式求出平凸透鏡的曲率半徑R （mm）,【數(shù)據(jù)處理】,2、用作圖法求R 由 式可知，rm2與m成正比，其斜率為R，故可把測出的結(jié)果以D2為縱坐標(biāo)，對應(yīng)的環(huán)數(shù)m（n）為橫坐標(biāo)，作圖得一直線，求得斜率為a，由R= a /4算出R。,69,1.干涉環(huán)兩側(cè)的序數(shù)不要數(shù)錯. 2. 防止實驗裝置受震引起干涉環(huán)的變化. 3. 防止移測顯微鏡的“回程誤差”，第一個測量值就要注意。測量過程要單向測量，顯微鏡必須始終沿一個方向旋轉(zhuǎn)。 4. 平凸透鏡及平板玻璃的表面加工不均勻是本實驗的

31、重要誤差來源，為此應(yīng)測量大小不等的多個干涉環(huán)的直徑去計算R，可得平均的效果。,【注意事項】,70,【思考題】,1、預(yù)習(xí)思考題做（1）；（做在預(yù)習(xí)報告上） 提示：看該實驗項目的實驗原理部分，自己歸納。 2、思考題做（1）（2）（做在實驗報告上） 提示： （2）從右圖A看能否證明 （3）提示：從右圖B分析。 實驗分析討論：問題自己選定，沒做這部分扣10分。,【思考題】,1、如何解釋牛頓環(huán)干涉圖樣中不等間距的現(xiàn)象。 提示：牛頓環(huán)以接觸點為中心的明暗相間同心圓，相鄰條紋 不等間距，內(nèi)疏外密。 2、用同樣的方法能否測定凹透鏡的曲率半徑。 3、表面曲率半徑R變大,圓環(huán)半徑rk怎么變? 如果用波長更長的單色

32、光照,圓環(huán)半徑怎么變?,越大半徑rk也越大,71,牛頓親自制造了儀器進行實驗，他把一塊平凸透鏡放在一塊雙凸透鏡上面，使平凸透鏡的平面向下，然后慢慢壓緊，圍繞中心便陸續(xù)冒出各種顏色的圓環(huán)；如果使上面的平凸透鏡慢慢抬起離開下面的雙凸透鏡，則帶有顏色的圓環(huán)又在中心相繼消失，這就是著名的“牛頓環(huán)”現(xiàn)象牛頓還發(fā)現(xiàn)色環(huán)的顏色有一定的排列次序；當(dāng)壓緊兩透鏡時，色環(huán)的直徑會不斷增大，其周邊的寬度則減小，若是抬起上面的透鏡，色環(huán)的直徑就會縮小，其周邊的寬度則增大牛頓還測量了環(huán)的半徑，發(fā)現(xiàn)它和透鏡的曲率半徑、空氣膜的厚度有一定關(guān)系“牛頓環(huán)”現(xiàn)象實際上是兩束光發(fā)生“干涉”的結(jié)果但是由于牛頓是傾向于光的微粒說的觀點，

33、因此對這種光的波動性的表現(xiàn)沒有作進一步的實驗探索和理論研究,72,實驗40 邁克爾遜干涉儀的調(diào)整和使用,實驗22 非平衡直流電橋原理與應(yīng)用,課本P214,1、了解邁克爾遜干涉儀的設(shè)計原理； 2、了解儀器的構(gòu)造，掌握調(diào)節(jié)方法； 3、考察等傾干涉形成的條件。 *4、學(xué)會測定鈉燈雙黃線的波長差 。,【實驗?zāi)康摹?73,圖26-2 邁克爾遜干涉儀光學(xué)結(jié)構(gòu)原理圖,S,P1,M2,M1,P2,E,P1分光板 P2補償板,M1可移反光鏡 M2固定反光鏡,74,M1可沿導(dǎo)軌移 動，它由粗調(diào)手輪和微調(diào)手輪控制移動，移動的距離從主尺和讀數(shù)窗的游標(biāo)讀出。 M2固定。 M1、M2鏡面的傾斜度由背后三個螺絲調(diào)節(jié)， M2

34、 的調(diào)節(jié)，更精細(xì)地可由水平拉簧螺絲和垂直拉簧螺絲調(diào)節(jié)。,固定反射M2鏡,可移動反射M1鏡,1、M1、M2（平面反射鏡）,75,2、G1、G2為兩塊折射率和厚度都相同的平面玻璃板。均與M1、M2成45o角放置。其中 G1分束板。 底面為半透明的反射面，使入射的光分為強度近于相等的兩束光（反射光和透射光）。 G2補償板。 用于射向M2的透射光束的光程補償。,補償板G2,分光束板G1,76,3、讀數(shù)標(biāo)尺裝置 用于測量M1鏡的位置和移動的距離。 讀數(shù)原理與千分尺一樣： 粗調(diào)手輪的刻度為（1/100）mm。微動手輪的刻度為（1/10000）mm，故最小可估讀到10-5mm。 若m是主尺讀數(shù)，l是粗調(diào)手輪

35、讀數(shù)，n是微調(diào)手輪讀數(shù)，則M1移動的距離,m讀數(shù)主尺,l 讀數(shù)窗口,77,78,1,實驗現(xiàn)象,1、邁克爾遜干涉儀光路原理圖,【實驗原理】,nG,nG,79,80,等傾干涉光路,81,（用擴展光源照射） 當(dāng)M2M1時，M1M2，光束以同一傾斜角i入射M1、M2，M1與M2 之間形成一個等厚的空氣薄層，所得的干涉為等傾干涉。等傾干涉條紋圖象是一些明暗相間的同心圓環(huán)。 根據(jù)幾何關(guān)系和折射定律，光線、的光程差為：,可見，在空氣薄層厚度 h 一定時，光程差只決定于光束的入射角i 。,二、等傾干涉原理 1、定域等傾干涉,實驗現(xiàn)象解釋,82,即所有傾角相同的光線具有相同光程差，它們被聚焦在透鏡L的焦平面處的

36、干涉加強與減弱的情況也相同。所以，我們稱這種干涉為等傾干涉，此看到的干涉條紋圖樣是亮暗相間的同心圓環(huán)。 明暗條紋應(yīng)滿足下面條件： 亮條紋： （k=1、2、） 暗條紋： ,可見，空氣薄層厚度d 一定時，入射角i 越小，即越靠近中心，光程差越大，圓環(huán)條紋的級數(shù) k 越高，在中心處，光程差最大，i =0，級次最高（k最大）。若這時，中心處剛好時亮斑，則有,轉(zhuǎn)實驗內(nèi)容頁,83,實驗中，當(dāng)慢慢移動M1鏡，使 薄膜增厚h：中心的光強發(fā)生周期性的變化，不斷冒出新的亮斑，而周圍的亮環(huán)也不斷地向外擴大。 減小膜厚h：亮環(huán)一個一個向中心縮進，而中心亮斑一個一個消失。,由式，有,可見，當(dāng)中心亮斑變化一個級次（kc=

37、1），即每冒出（或消失）一個亮斑，就意味著空氣薄層厚度增加了（/2），也就是M1鏡移動了（/2）的距離。顯然，當(dāng)中心亮斑變化了N個級次（ kc=N），即冒出（或消失）了N個亮斑，則有,轉(zhuǎn)實驗內(nèi)容頁,84,從上式可知， 1）測出h（可從儀器讀出），并數(shù)出個數(shù)N，通過上式計算出光源的波長。 2）已知波長和數(shù)出個數(shù)N，就可以精確地測量長度h。,注意：擴展光源照射薄膜所得的等傾干涉條紋定域在無窮遠(yuǎn)或定域在透鏡焦平面上，是定域干涉。,轉(zhuǎn)實驗內(nèi)容頁,85,等 厚 干 涉 條 紋,等 傾 干 涉 條 紋,轉(zhuǎn)思考題,86,87,* 干涉條紋定位問題 不論是平行平面薄層還是楔形薄層，當(dāng)光源是擴展的光源（面光源）

38、時，所生的干涉條紋都有一定的位置（等傾干涉定域在無窮遠(yuǎn)，等厚干涉定域在薄膜表面），故這些干涉統(tǒng)稱為定位干涉。而當(dāng)光源為點光源時。不論是在平行平面薄層中還是在楔形薄層中，與光源在同一邊的空間的任一點都可得一定的干涉，稱這種干涉為不定位干涉。參考： 母國光光學(xué)P.221-222,* 面光源只能獲得定域干涉，這是由于面光源上每一點都產(chǎn)生自己的一組非定域條紋，并且各組條紋之間有移位，所以，在某點附近條紋的可見度將要降低，甚至消失，干涉條紋不是在任何位置上都能看到，而只能在某個定域面或其附近看到。,88,四、鈉黃雙線復(fù)合光的等傾干涉,實驗用的鈉光束實際上是由兩個不同波長（1=589.6nm和2=589.0nm）、強度相當(dāng)?shù)膯紊馐M成的復(fù)合光束。這一復(fù)合光產(chǎn)生的干涉條紋的清晰度將隨光程差的改變而周期性地變化。當(dāng),2=k11= （2k2+1）,1=k11= k22 ：,1的亮紋與2的亮紋恰好重合，條紋最清晰；,1的亮紋與2的暗紋恰好重合，看不見條紋（此時稱