Transcript 光学实验基础知识
光学实验基础知识 课程背景 光学：物理学经典学科，发展迅速。 经典光学理论和实验方法：促进科技进步。 新的研究成果和实验技术：促进光学学科及其他 科技领域发展，如天文、化学、生物、医学等。 光学实验技术：观察基本光学现象，学习和掌握 光学实验的基本知识和基本方法，培养基本的光 学实验技能。 光学实验：仪器精密，调节复杂，只有在了解仪 器结构性能基础上建立清晰的物理图像，才能选 择有效而准确的调节方法，判断仪器是否处于正 常的工作状态。 理论联系实际：在光学实验过程中，仪器的调节 和检验，实验现象的观察、分析等都离不开理论 的指导。 一、光学实验的主要内容 （一）基本物理量的测量方法 基本物理量：透镜的焦距、基点、曲率半径，介质 折射率、溶液浓度、光波波长、光栅常量等。 测量方法： 焦距测量：物距像距法、二次成像法、自准直法、辅助透镜法 折射率测量：最小偏向角法、掠入射法 光波波长测量：双棱镜干涉法、迈克尔逊干涉法、透射光栅法 溶液浓度测量：旋光法 偏振光分析、单色仪定标 加深理论—掌握方法—观察现象—分析现象 （二）常用光学仪器的使用 光具座、分光计、测微目镜、读数显微镜、干涉仪 等。 （三）学习分析光学实验中的基本光路 自准直光路、分光光路、助视放大光路、恒偏向光 路。 （四）继续学习分析误差的方法和提高对实验数 据的处理能力 注重系统误差的消除 二、光学实验的特点 与理论密切结合 频率极高的电磁波，1014数量级，光学现象不直观， 只能观察一定时间内的平均效果。靠理论的支撑才能把握 住实验现象。 仪器调节要求高 仪器精密，必须严格调节，才能保证精度。迈克尔逊干涉 仪精度可达10-4mm。 实验能力要求高 实验技能、理论基础、判断能力。 三、注意事项 动作轻缓（取放元件、调节仪器、走动） 不要触及光学表面（拿毛玻璃面、棱） 取物品做到“有序”（顺着桌面摸，防止 跌落） 避免急躁情绪 互相照应（避免互相干扰） 四、基本光路 （一）自准直光路 1. O O O′ f′ 分划板 透镜 平面镜 在物体自身的平面上产生物体的实像，所以称为自准直光路。 2. α α O′ y′ α α O y O f′ 分划板 透镜 平面镜 3. O′ α y′ 2α 2α OO y α f′ 分划板 透镜 平面镜 物平面与反射镜平面相对位置影响实像的位置， 例如：分光计的调节就是利用自准直光路实现光轴与 主轴的垂直。 应用：自准直目镜。 阿贝目镜 高斯目镜 （二）三棱镜分光光路 复色光→棱镜 →单色光 同一棱镜对不同波长的光具有不同的折射率。（针 对钠光波长589.3nm而言） i1 δ i1′ i2 i2′ 偏向角：出射光与入射光的夹角。 最小偏向角：光路对称时，出射光与入射光的夹角。 （三）光栅分光光路 分光原理：光栅方程 dsinθ=kλ 各级谱线分布于零级像两侧。 零级像：k=0, θ=0的位置，所有波长的光重叠在 一起。 五、基本光学仪器的使用 （一）光具座 双杆式和平直导轨式 长度为1-2m，刻有 毫米标尺。 滑块支架。 将各种光学元件（透镜、面镜等等）组合成 特定的光学系统，运用这些光学系统成像时，要 想获得优良的像，必须保持光束的同心结构，即 要求该光学系统符合或接近理想光学系统的条件， 这样，物方空间的任一物点，经过该系统成像时， 在像方空间必有唯一的共轭像点存在，而且符合 各种理论计算公式。为此，在光具座上调节光学 系统，必须满足以下几点。 1.光具座水平 调节光具座底角的水平调节螺钉(借助水平尺)， 使光具座水平。 2.共轴 调节光学系统中各光学元件的光轴,使之共轴。 并让物体发出的成像光束满足近轴光线的要求。 3.等高 因为成像公式中的各段距离,都是指光学 系统光轴上的距离,所以要从光具座轨道上的 读数求出符合实际的距离,必须做到光学系统 的光轴和光具座道轨的基线平行——简称等 高。 调节光学系统各元件的共轴等高，是光学 实验中的一项基本要求，必须很好掌握，一 般的调节可分粗调和细调两步进行。 （1） 粗调 先把物、透镜、像屏 等元件放置于光具座上， 如图依次检查并调整物、 透镜及屏的中心（图中 物体P 经透镜L 成像于 P′），使各元件的中心 大致在与导轨平行的同 一条直线上，并使物平 面、像屏平面和透镜面 相互平行且垂直于光具 座导轨。 （2） 细调 二次成像法 成小像时， 调节光屏位置， 使P〞与屏中心 重合； 成大像时，则 调节透镜的高低 或左右，使P′位 于光屏中心。依 次反复调节，便 可调好。 （二）分光计 精密测角仪：测量棱镜角，偏向角 分光仪器：借助分光元件可观察光谱，测 量波长。 1.分光计的构造 简单结构 具体结构 1，狭缝装置 2，狭缝装置锁紧螺丝 3，准直管 4，制动架 5，载物台 6，载物台调平螺丝 7，载物台锁紧螺丝 8，望远镜 9，望远镜锁紧螺丝 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丝 α 13，望远镜光轴水平调节螺丝 14，支臂 15，望远镜微调螺丝 16，望远镜止动螺丝 17，转轴与度盘止动螺丝 18，制动架 19，底座 20，转座 21，度盘 22，游标盘 23，支柱 24，游标盘微调 螺丝 25，游标盘止动螺丝 26，准直管光轴水平调节螺 丝 27，准直管光轴高低调节螺 丝 28，狭缝宽度调节手轮 2.分光计的调节 测量前应调节分光计，达到： 望远镜聚焦到无穷远，望远镜的光轴对准 仪器的中心转轴并与中心转轴垂直。 待测光学元件的表面与中心转轴平行。 平行光管出射平行光，且光轴与望远镜的 光轴共轴。 1) 目视粗调 ⑤ 调节望远镜俯仰调节螺钉 平行光管俯仰调节螺钉 ② 平行光管水平调节螺钉 松开 游标盘锁紧螺钉 ③ 锁紧 载物台升降锁紧螺钉 移动底座 望远镜支架 望远镜水平调节螺钉 调节 载物盘水平调节螺钉 ① ④ 松开望远镜锁紧螺钉 2) 用自准直法将望远镜调焦到无穷远 ⑵ ⑶ ⑴ 反射像 叉丝像 透光窗 伸缩目镜筒 分划板视场 旋转目镜调节鼓轮 载物盘水平、望远镜俯仰调节的特例 平面镜两侧面的反射像同时位于 d d 或 时，只需调节载物 盘的水平调节螺钉 平面镜两侧面的反射像分别位于 d d 和 时，只需调节望远 镜的俯仰调节螺钉 观察不到反射像的原因 目镜中观察到的叉丝和透光窗中黑色十字的像模 糊。（转动目镜调节鼓轮） 望远镜没有聚焦于无穷远。（松开目镜筒锁紧螺 钉，前后移动目镜筒 ） 平面反射镜的镜面与望远镜的光轴不垂直。 俯视 侧视 转动载物台或望远镜 调节望远镜俯仰或载物盘水平调节螺钉 用光路图表示为 （1），若望远镜向下偏，由图： 若偏斜严重将得不到像 若偏斜不严重，由图 像点P将会在物S的下方， 现象为十字叉丝将向下偏 （2）若望远镜上偏： 现象为： 叉丝上偏 棱镜下偏： 现象为： 叉丝下偏 若棱镜上偏： 现象为： 叉丝上偏 3) 调节望远镜光轴与中心转轴垂直 ①放置平面镜 ②拨动 游标盘 ③调节载物盘水平调节螺钉或望远镜俯仰调节螺钉 载物盘水平、望远镜俯仰的各半调节 d 调节载物盘水平调节螺钉 d/2 调节望远镜俯仰调节螺钉 4) 调节平行光管 平行光管由狭缝和准直透镜组成。 狭缝 锁紧螺钉 俯仰调节螺钉 ① ② ③ 松开狭缝锁紧螺钉 转动狭缝 转动狭缝 前后移动狭缝 调节平行光管俯仰调节螺钉 锁住狭缝锁紧螺钉 3.分光计的测量原理 平行光管 平行光管 α1 α2 β1 望远镜 δ δ ＝(α2-α1+β2-β1)/2 β2 望远镜 读数方法 游标窗口 游标盘 主刻度盘 233º13΄ 偏心差 测三棱镜顶角 平行光管出射的平行光射 向三棱镜的两个光学表 面，用望远镜分别接收 两表面的反射光，就可 计算出两束光的夹角Φ。 由几何关系可以证明Φ 与三棱镜顶角A的关系 为： Φ = 2A 平行光管 A＝（α2-α1+β2-β1）/4 望远镜 （三）光源 1.热辐射光源 基于热辐射原理，白炽灯，灯丝加热到白炽状态而发光。 连续光谱，功率较低，碘钨灯，溴钨灯。 2.气体放电光源 电流——气体介质——放电发光。 低压汞灯：小于1个大气压工作，在可见光区产生4条明亮 的特征曲线。工作电压20V，工作电流1300mA. 低压钠灯：金属蒸汽弧光放电。 在可见光区发成两条极强黄色谱线：589.0nm,589.6nm. 工作电压20V，工作电流1.3A。 3.激光光源 受激辐射发光，极强的方向性，发散角小。 极好的单色性和相干性，能量高度集中。 He-Ne激光器：可见光区输出波长632.8nm，单 色红光。管端工作电压2—3kv,直流工作电流3— 6mA。 实验报告书写要求： 预习报告（教师签字有效） 1.实验内容及步骤 （详述） 2.待测数据列表 3.仪器操作方法及注意事项。 原始数据（教师签字有效） 填入待测数据列表 实验报告 实验名称 室温、相对湿度、大气压、姓名、日期 1.实验目的 2.仪器与用具 3.实验原理 （简述，主要公式，原理图） 4.实验主要内容 （简述） 5.数据处理 （1）重新列表整理原始数据，并可增加必要的中间计算结果，注 明物理量的名称和单位。 （2）处理数据 按每次实验的具体要求处理实验数据，报道测量结果 6.实验结果的分析与评定 主要包括各种不确定度来源对实验结果的影响，并且对结果进行 评定，是否达到精度的要求，如没达到，分析问题所在。 7.回答问题 （书后问题，不做硬性要求） 8.建议和体会 （收获、感想和体会，对实验的改进建议和方案等。） 报告册每人2本，交替使用，每做完两个实验上交一次。 评分规则： 每项实验满分5分 预习报告 （1分） 纪律操作 （1分） 实验报告 （3分） 第1—4步：0.5分； 第5步： 2分； 第6—8步：0.5分。 实验分组： 第一轮第一周： 第1组：薄透镜焦距的测定 第2组：用双棱镜干涉测钠光波长 第3组：准直管法测透镜的焦距 1→2 2→3 3→1 第4组：分光计的调节及棱镜玻璃折射率的测定 第5组：用牛顿环干涉测透镜曲率半径 第6组：用单缝衍射测定钠光波长 4→5 5→6 6→4 第二轮第一周： 第1组：光具组基点的测定 第2组：望远镜和显微镜 第3组：偏振光的分析 第4组：用旋光计测定糖溶液的浓度 1 2 3 4 第5组：用透射光栅测定光波波长 第6组：用掠入射法测定透明介质的折射率 第7组：迈克尔逊干涉仪的调节和使用 第8组：单色仪的定标 5 6 7 8