實驗一-薄透鏡焦距的測定.doc

實驗一 薄透鏡焦距的測定實驗目的學會調節(jié)光學系統使之共軸。掌握測量薄會聚透鏡和發(fā)散透鏡焦距的方法。驗證透鏡成像公式，并從感性上了解透鏡成像公式的近似性。實驗儀器型光具座，底座及支架，薄凸透鏡，薄凹透鏡，平面鏡，物屏（可調狹逢組、有透光箭頭的鐵皮屏或一字針組），像屏（白色，有散射光的作用）。重點難點：1、按實驗操作規(guī)程規(guī)范操作。2、動手操作能力培養(yǎng)。德育滲透：1、培養(yǎng)學生愛護儀器，保護國家財產的意識。2、培養(yǎng)學生互相幫助，團結協作的精神教學方法1、講授法。2、演示法。3、學生分組實驗法布置作業(yè)：1、數據處理。2、誤差分析3、獨立完成實驗報告。4、預習下一個實驗實驗原理共軛法測量凸透鏡焦距利用凸透鏡物、像共軛對稱成像的性質測量凸透鏡焦距的方法，叫共軛法。 所謂“物象共軛對稱”是指物與像的位置可以互移，如圖511（）所示。其中（）圖中處于物點的物體經凸透鏡在像點處成像P，這時物距為，像距為。若把物點移到圖511（）中的點，那么該物體經同一凸透鏡成像于原來的物點，即像點將移到圖511（）中的點。于是，圖51（）中的物距和像距分別是圖511（）中的像距和物距，即物距，像距。這就是“物像共軛對稱”。設（物屏和像屏之間的距離為）。根據上面的共扼法，如果物與像的位置不調換，那么，物放在處，凸透鏡L放在處，所成一倒立放大實像在處；將物不動，凸透鏡放在處，所成倒立縮小的實像也在處，如圖512所示。由圖可知，或。于是可得方程組 解方程組得 （5）該式是共軛法測量凸透鏡焦距的公式。由于是通過移動透鏡兩次成像而求得的，所以，這種方法又稱二次成像法。另外，從方程組中消去，得， ，。當有實根必須有 （5）即物屏與像屏之間的距離大于或最少等于四倍的焦距，物才能通過凸透鏡二次成像。自準直法測量凸透鏡焦距如圖所示，當以狹縫光源作為物放在透鏡的第一焦平面上時，由發(fā)出的光經透鏡后將形成平行光。如果在透鏡后面放一個與透鏡光軸垂直的平面反射鏡，則平行光經反射，將沿著原來的路線反方向進行，并成像在狹縫平面上。狹縫與透鏡之間的距離，就是透鏡的第二焦距。這個方法是利用調節(jié)實驗裝置本身，使之產生平行光以達到調焦的目的，所以稱自準直法。用物距與像距法測量凹透鏡焦距由于對實物，凹透鏡成虛像，所以直接測量凹透鏡的物距、像距，難以兩全。我們只能借助與凸透鏡成一個倒立的實像作為凹透鏡的虛物，虛物的位置可以測出。凹透鏡能對虛物成實像，實像的位置可以測出。于是，就可以用高斯公式求出凹透鏡的焦距，如圖514所示。實驗內容共軛法測量凸透鏡焦距（）粗調，將光具座上的光具靠攏，調節(jié)高低左右；光心中心大致在同一高度和一直線上。（）細節(jié)，用共軛原理進行調整，使物屏與像屏之間的距離，將凸透鏡從物屏向像屏緩慢移動，若所成的大像與小像的中心重合，則等高共軸已調節(jié)好，若大像中心在小像中心的下方，說明凸透鏡位置偏低，應將位置調高；反之，則將透鏡調低；左右亦然。詳見光學實驗基礎知識。（）讀出物屏所在位置，像屏所在位置p，填入自擬的表格中，求出。（）移動凸透鏡，使像屏上呈現清晰的放大的倒立實像，記下此時的位置，繼續(xù)移動凸透鏡，使像屏上呈現清晰的縮小的倒立實像，記下此時的位置，求出。重復上述步驟五次，共得四組數據，用（5）式計算出每組的值，求出的平均值。自準直法測量凸透鏡焦距（）按圖513所示，在光具座上放置狹縫光源、平面鏡，并使它們之間的距離比所測凸透鏡的焦距大。在物屏和平面鏡之間放上被測量的凸透鏡。（）適當調節(jié)光路，使物屏發(fā)出的光通過透鏡后，由平面鏡再反射回去，并再次通過透鏡射向物屏。（）在光具座上，前后移動凸透鏡，使物屏上產生倒立、等大、清晰的實像，當共軸很好時，物與像完全重合，用紙片遮住平面鏡，清晰的像應該消失。記下凸透鏡在導軌上的位置。重復步驟（3）五次，記錄物及透鏡所在的位置，計算出的平均值。用物距與像距法測量凹透鏡焦距（）按圖5固定物屏的位置于處，并在其后的導軌上放置一凸透鏡，使像屏上成一倒立縮小的實像。記下像屏位置。（通過凸透鏡也可成一個倒立放大的實像，但所成的縮小實像亮度、清晰度高，易準確定位；另外，由于光具座尺寸的限制，所以，實驗中只能成縮小的實像。）（）移動像屏的位置，重復（1）步驟五次，將測量6次所得的位置填入自擬的表格中。（）在凸透鏡與像屏之間放上凹透鏡，的位置應靠近一些，此時上倒立縮小的實像可能模糊不清，可將像屏向后移動，直至在處又出現清晰的像。重復找出、的位置六次，填入自擬的表中。（4）利用高斯公式計算出凹透鏡的焦距。（高斯公式具體用到這里、均為負值，若大，也大；，）思考題為什么要調節(jié)光學系統共軸？調節(jié)共軸有那些要求？怎樣調節(jié)？為什么實驗中常用白屏作為成像的光屏？可否用黑屏、透明平玻璃、毛玻璃，為什么？ 為什么實物經會聚透鏡兩次成像時，必須使物體與像屏之間的距離大于透鏡焦距的4倍？實驗中如果選擇不當，對的測量有何影響？在薄透鏡成像的高斯公式中，在具體應用時其正、負號如何規(guī)定？ 補充材料1有關“薄透鏡”的部分術語（1）薄透鏡：若透鏡的厚度與其球面的曲率半徑相比，小得可以忽略不計，則稱為薄透鏡。（2）主光軸：連接透鏡兩球面曲率中心的直線，稱為透鏡的主光軸。（3）光心：透鏡主截面上的中心點，通過該點的光線，不改變原來的方向，稱這點為光心。（4）副光軸：通過光心的任一直線稱為薄透鏡的副光軸。（5）主截面：能過光心而垂直于主光軸的平面稱為透鏡的主截面。（6）物空間：規(guī)定入射光束在其中進行的空間稱為物空間。（7）像空間：折射光束在其中進行的空間稱為像空間。（8）像焦點（第二焦點）：平行于光軸的光束，經透透折射后，會聚于主光軸上的一點稱像點。（9）像焦距（第二焦距）：從透鏡的光心到像焦點的距離稱為薄透鏡的焦距。（10）物焦點（第一焦點）：主光軸上發(fā)光點發(fā)出的光經薄透鏡折射后成為一束平行光，此點稱物焦點。（11）物焦距（第一焦點）：從透鏡光心到的距離稱為薄透鏡的物距。（12）副焦點：平行于任一副光軸的平行光，通過透鏡后會聚于這副光軸上的一點，這一點稱為副焦點。（13）焦平面：焦平面就是由許許多多副焦點的集合構成的平面；或定義為：過焦點而垂直于主光軸的平面，也稱焦平面。（14）實像：自物點發(fā)出的光線經透鏡折射后，實際匯聚于一點的像。（15）虛像：自物點發(fā)出的光線經透鏡折射后，光線發(fā)散，而其光線的反向延長線匯聚一點的像。（16）實物：發(fā)散的入射光束的頂點，稱實物。實驗二 分光計測透明介質的折射率實驗目的了解分光儀的結構；掌握分光儀的調節(jié)和使用方法。掌握測定棱鏡頂角的方法。學會用最小偏向角測定棱鏡的折射率。實驗儀器型（或型）分光儀，三棱鏡（等邊），汞燈。 重點難點：1、按實驗操作規(guī)程規(guī)范操作。2、動手操作能力培養(yǎng)。3、用最小偏向角法測定棱鏡玻璃的折射率德育滲透：1、培養(yǎng)學生愛護儀器，保護國家財產的意識。2、培養(yǎng)學生互相幫助，團結協作的精神教學方法1、講授法。2、演示法。3、學生分組實驗法布置作業(yè)：1、數據處理。2、誤差分析3、獨立完成實驗報告。4、預習下一個實驗實驗原理測量三棱鏡的頂角12 三棱鏡由兩個光學面和及一個毛玻璃面構成。三棱鏡的頂角是指與的夾角，如圖531所示。自準值法就是用自準值望遠鏡光軸與面垂直，使三棱鏡面反射回來的小十字像位于準線中央，由分光儀的度盤和游標盤讀出這時望遠鏡光軸相對于某一個方位的角位置；再把望遠鏡轉到與三棱鏡的面垂直，由分光儀度盤和游標盤讀出這時望遠鏡光軸相對于的方位角，于是望遠鏡光軸轉過的角度為，三棱鏡頂角為由于分光儀在制造上的原因，主軸可能不在分度盤的圓心上，可能略偏離分度盤圓心。因此望遠鏡繞過的真實角度與分度盤上反映出來的角度有偏差，這種誤差叫偏心差，是一種系統誤差。為了消除這種系統誤差，分光儀分度盤上設置了相隔的兩個讀數窗口（、窗口），而望遠鏡的方位由兩個讀數窗口讀數的平均值來決定，而不是由一個窗口來讀出，即， （531）于是，望遠鏡光軸轉過的角度為應該是 （532）用最小偏向角法測定棱鏡玻璃的折射率如圖532所示，在三棱鏡中，入射光線與出射光線之間的夾角的稱為棱鏡的偏向角，這個偏向角與光線的入射角有關 （533） （534）由于是的函數，因此實際上只隨變化，當為某一個值時，達到最小，這最小的稱為最小偏向角。為了求的極小值，令導數，由（534）式得（535）由折射定率得， 于是，有此式與（533）比較可知，在棱鏡折射的情況下，所以 由折射定律可知，這時，。因此，當時具有極小值。將、代入（533）、（534）式，有， ，。 （536）由此可見，當棱鏡偏向角最小時，在棱鏡內部的光線與棱鏡底面平行，入射光線與出射光線相對于棱鏡成對稱分布。由于偏向角僅是入射角的函數，因此可以通過不斷連續(xù)改變入射角，同時觀察出射光線的方位變化。在的上述變化過程中，出射光線也隨之向某一方向變化。當變到某個值時，出射光線方位變化會發(fā)生停滯，并隨即反向移動。在出射光線即將反向移動的時刻就是最小偏向角所對應的方位，只要固定這時的入射角，測出所固定的入射光線角坐標，再測出出射光線的角坐標，則有 （537）實驗內容1按光學實驗基礎知識，對分光儀進行調整（）調節(jié)目鏡，看清分劃板上準線及小棱鏡上十字。（）在載物平臺上放上三棱鏡并調節(jié)望遠鏡及平臺，使在望遠鏡中看到三棱鏡兩個光學面反射的小十字像。（）調節(jié)望遠鏡物鏡，使十字像清晰。（）調整望遠鏡與分光儀主軸垂直。用自準值法測量三棱鏡頂角（）鎖緊分度盤制動螺釘，轉動望遠鏡（這時望遠鏡轉動鎖緊螺釘9松開），使望遠鏡對準三棱鏡的反射面，鎖緊望遠鏡轉動螺釘9。利用望遠鏡轉動微調，使由面反射回來的小十字像位于分劃板準線的中央，記下分度盤兩個窗口的讀數值與。（）松開鎖緊螺釘，把望遠鏡轉到與面垂直，再鎖緊螺釘。利用微調使由面反射回來的小十字像位于分劃板上準線中央，記下分度盤上兩個窗口的讀數、。（）按上述兩步重復測量四次，將數據填入自擬表中，由（531）式求出，計算出的平均值及標準誤差。用反射法測量三棱鏡頂角R1R24在圖533中，用光源照亮平行光管，它射出的平行光束照射在棱鏡的頂角尖處，而被棱鏡的兩個光學面和所反射，分成夾角為的兩束平行反射光束、。由反射定律可知，所以。因為，所以。于是只要用分光儀測出從平行光管的狹縫射出的光線經、兩個面反射后的二束平行光與之間的夾角，就可得頂角，則 （538）（）按實驗內容的步驟調好分光儀。（）參照圖532轉動望遠鏡，尋找面反射的狹縫像，使狹縫像與豎直準線重合，記下分光儀、窗口的讀數，繼續(xù)轉動望遠鏡，尋找面反射的狹縫像，也使狹縫像與豎直準線重合，再記下分光儀、窗口的讀數、。（）重復上述測量四次，將數據填入自擬表中，由（537）式求出的平均值及標準誤差。用最小偏向角法測定棱鏡玻璃的折射率（）用汞燈作光源照亮狹縫，由平行光管射出光線進入望遠鏡，尋找狹縫像，使狹縫像與分化板上的中央豎直準線重合，記下這時望遠鏡筒所在的角坐標。（）將三棱鏡放置在載物臺平臺上，使平行光管射出光線進入三棱鏡的面，轉動平臺在三棱鏡的面觀察望遠鏡中的可見光譜，跟蹤綠譜線的移動方向。尋找最小偏向角的最佳位置，當輕微調節(jié)載物平臺，而綠譜線恰好要反向移動時，固定載物平臺。再轉動望遠鏡，使狹縫的像（綠譜線）與中央豎直準線重合，記下這時出射光線角坐標、。（）按上述步驟重復三次，由（537）式求出的平均值，把與代入（536）式，求出棱鏡玻璃的折射率值。并計算出的相對誤差。思考題分光儀主要由哪幾部分組成？各部分作用是什么？分光儀的調整主要內容是什么？每一要求是如何實現的？分光儀底座為什么沒有水平調節(jié)裝置？在調整分光儀時，若旋轉載物平臺，三棱鏡的AB、AC、BC三面反射回來的綠色小十字像均對準分化板水平叉絲等高的位置，這時還有必要再采用二分之一逐次逼近法來調節(jié)嗎？為什么？望遠鏡對準三棱鏡面時，窗口讀數是293度21分30秒，寫出這時窗口的可能讀數和望遠鏡對準面時，窗口的可能讀數值。如圖534所示，分光儀中刻度盤中心與游標盤中心不重合，則游標盤轉過角時,刻度盤讀出的角度，但，試證明。什么是最小偏向角？在實驗中，如何來調整測量最小偏向角的位置？若位置稍有偏離帶來的誤差對實驗結果影響如何？為什么？實驗三 雙棱鏡干涉測波長教學目的1.掌握一種利用分割波前實現雙光束干涉的方法2.用菲涅耳雙棱鏡絕對測量光波波長3.光場空間相干性的初步觀察儀器用具納光燈,雙棱鏡,凸透鏡,測微目鏡,單狹縫,光具座等.重點難點：1、按實驗操作規(guī)程規(guī)范操作。2、動手操作能力培養(yǎng)。3、掌握使干涉條紋清晰的主要調節(jié)步驟德育滲透：1、培養(yǎng)學生愛護儀器，保護國家財產的意識。2、培養(yǎng)學生互相幫助，團結協作的精神教學方法1、講授法。2、演示法。3、學生分組實驗法布置作業(yè)：1、數據處理。2、誤差分析3、獨立完成實驗報告。4、預習下一個實驗實驗內容波動光學研究光的波動性質、規(guī)律及其應用，主要內容包括光的干涉、衍射和偏振。1818年菲涅耳的雙棱鏡干涉實驗不僅對波動光學的發(fā)展起到了重要作用，同時也提供了一種非常簡單的測量單色光波長的方法。通過本實驗學習利用光的干涉現象測量光波波長的方法，了解雙縫的干涉條件及在實驗中如何實現，掌握實驗光路的調節(jié)和測微目鏡的使用。1雙棱鏡干涉及測光波長方法菲涅耳雙棱鏡是由兩塊底邊相接、折射棱角a小于1的直角棱鏡組成的。從單縫發(fā)出的光經雙棱鏡折射后，形成兩束猶如從虛光源發(fā)出的頻率相同、振動方向相同、并且在相遇點有恒定相位差的相干光束，它們在空間傳播時，有一部分彼此重疊而形成干涉場。在圖3-15-2中，設由雙棱鏡B所產生的兩相干虛光源S1、S2間距為d，觀察屏P到S1S2平面的距離為D。若P上的P0點到S1和S2的距離相等，則S1和S2發(fā)出的光波到P0的光程也相等，因而在P0點相互加強而形成中央明條紋(零級干涉條紋)。設S1和S2到屏上任一點PK的光程差為D，PK與P0的距離為XK，則當dD和XKD時，可得到(3-15-1)當光程差D為波長的整數倍，即(K=0、1、2、)時，得到明條紋。此時，由（3-15-1）式可知(3-15-2)這樣，由（3-15-2）式相鄰兩明條紋的間距為于是(3-15-3)對暗條紋也可得到同樣的結果。（3-15-3）式即為本實驗測量光波波長的公式。2實驗裝置與光路滿足的條件實驗裝置如圖3-15-4所示，除光源外各器件均需安置在光具座上，Q為鈉光燈；S為寬度及取向可調單縫；透鏡L1將光源Q發(fā)出的光會聚于單縫S上，以提高照明單縫上的光強度；B為雙棱鏡；L2為輔助成像透鏡，用來測量兩虛光源S1、S2之間的距離d；P為觀察屏，用作調節(jié)光路；M為測微目鏡。根據光的干涉理論和條件，為獲得對比度好、清晰的干涉條紋，調節(jié)好的光路必須滿足以下條件：（1）光路中各元件同軸等高。（2）單縫與雙棱鏡棱脊嚴格平行，通過單縫的光對稱地射在雙棱鏡的棱脊上。（3）單縫寬窄合適，否則干涉條紋對比度很差。3光路調節(jié)實驗中單縫S寬度的調節(jié)是單邊移動來實現的，故單縫應置于三維可調滑塊上；雙棱鏡B置二維可調滑塊上；輔助成像透鏡L2置三維可調滑塊上。（1）目測各器件共軸等高。（2）調節(jié)光源Q、透鏡L1及單縫S使光對稱射在雙棱鏡B的棱脊上。（3）單縫S與雙棱鏡B距離合適（一方面兩者距離越大，干涉條紋越蜜；另一方面經雙棱鏡折射后的光線匯聚在單縫上。），將測微目鏡M置于雙棱鏡后附近處，在改變單縫寬度、取向的同時觀察干涉情況，以獲得對比度好、清晰的干涉條紋。（4）移動測微目鏡使其與單縫的距離略大于輔助成像透鏡L2四倍焦距。注意在移動測微目鏡的同時觀察干涉條紋，若干涉條紋朝一邊移動則通過調節(jié)放置單縫的三維可調滑塊，使干涉條紋處于目鏡中央。（5）在雙棱鏡與目鏡之間加入輔助成像透鏡，移動其位置使通過目鏡能觀察到虛光源兩次成像。（6）固定各器件之間距離不變，測量有關量。3測微目鏡測微目鏡是用來測量微小間距的儀器，由目鏡、可動分劃板、固定分劃板、讀數鼓輪與連接裝置組成。其結構外形簡圖如圖3-15-3所示。使用時，通過轉動讀數鼓輪帶動絲桿可以推動可動分劃板左右移動，該分劃板上刻有十字交叉線，其移動方向垂直于目鏡光軸，移動距離可通過帶有刻度的不動鼓輪及可動讀數鼓輪讀出。測微目鏡的讀數方法與螺旋測微計相似，豎線或交叉點位置的毫米數由不動鼓輪的刻度讀出，毫米以下的讀數由可動鼓輪上確定。本儀器測長范圍010mm，測量精度為0.01mm，可以估讀到0.001mm。使用時應先調節(jié)接目鏡，叉絲清晰后（此時待測物須成像在分劃板平面上）轉動鼓輪，推動分劃板使叉絲的交點或豎線與待測物的像邊緣重合，便可得到一個讀數。轉動鼓輪使叉絲的交點或豎線移動到待測物像的另一邊緣上，又得到一個讀數，兩讀數之差即為待測物像的大小。注意事項：（1）測微目鏡中十字叉絲移動的方向應與被測物線度方向平行，即豎線與之垂直。（2）為消除鼓輪的絲桿螺紋與螺母之間存在間隙以及鼓輪空轉所引起的系統誤差，測量應緩慢朝一個方向轉動鼓輪，中途不可逆轉。（3）轉動鼓輪觀測十字叉絲的位置時，不要移出其觀測范圍（010mm）。（4）不要用手觸摸任何鏡頭。分析思考1由實驗調節(jié)過程說明，得到清晰的、對比度好的干涉條紋的關鍵是什么？2結合實驗現象，討論分析單縫寬度對干涉現象的影響，改變單縫與雙棱鏡的間距時，干涉條紋的變化規(guī)律以及移動測微目鏡時干涉條紋的變化情況。3雙棱鏡干涉條紋的空間分布有何特點？在實驗中測量的相鄰亮紋間距DX與什么有關？在實驗中應注意什么？實驗四 邁克爾遜干涉儀的調節(jié)和使用實驗目的1.了解邁克爾遜干涉儀的干涉原理和邁克爾遜干涉儀的結構，學習其調節(jié)方法。2調節(jié)觀察干涉條紋，測量激光的波長。3測量鈉雙線的波長差。4練習用逐差法處理實驗數據。實驗儀器邁克爾遜干涉儀，鈉燈，針孔屏，毛玻璃屏，多束光纖激光源（HNL 55700）。重點難點：1、按實驗操作規(guī)程規(guī)范操作。2、動手操作能力培養(yǎng)。3、重點掌握調節(jié)鈉光的干涉條紋時，如已確定使指針的雙影重合，但條紋沒出現，分析可能產生的原因德育滲透：1、培養(yǎng)學生愛護儀器，保護國家財產的意識。2、培養(yǎng)學生互相幫助，團結協作的精神教學方法1、講授法。2、演示法。3、學生分組實驗法布置作業(yè)：1、數據處理。2、誤差分析3、獨立完成實驗報告。4、預習下一個實驗實驗原理1邁克爾遜干涉儀圖1是邁克爾遜干涉儀實物圖。圖2是邁克爾遜干涉儀的光路示意圖，圖中M和M是在相互垂直的兩臂上放置的兩個平面反射鏡，其中M是固定的；M由精密絲桿控制，可沿臂軸前、后移動，移動的距離由刻度轉盤(由粗讀和細讀2組刻度盤組合而成)讀出。在兩臂軸線相交處，有一與兩軸成45角的平行平面玻璃板G，它的第二個平面上鍍有半透（半反射）的銀膜，以便將入射光分成振幅接近相等的反射光和透射光，故G又稱為分光板。G也是平行平面玻璃板，與G平行放置，厚度和折射率均與G相同。由于它補償了光線和因穿越G次數不同而產生的光程差，故稱為補償板。從擴展光源S射來的光在G處分成兩部分，反射光經G反射后向著M前進，透射光透過G向著M前進，這兩束光分別在M、M上反射后逆著各自的入射方向返回，最后都達到E處。因為這兩束光是相干光，因而在E處的觀察者就能夠看到干涉條紋。由M反射回來的光波在分光板G的第二面上反射時，如同平面鏡反射一樣，使M在M附近形成M的虛像M，因而光在邁克爾遜干涉儀中自M和M的反射相當于自M和M的反射。由此可見，在邁克爾遜干涉儀中所產生的干涉與空氣薄膜所產生的干涉是等效的。當M和M平行時(此時M和M嚴格互相垂直)，將觀察到環(huán)形的等傾干涉條紋。一般情況下，M和M形成一空氣劈尖，因此將觀察到近似平行的干涉條紋(等厚干涉條紋)。2單色光波長的測定用波長為的單色光照明時，邁克爾遜干涉儀所產生的環(huán)形等傾干涉圓條紋的位置取決于相干光束間的光程差，而由M和M反射的兩列相干光波的光程差為2dcos i (1)其中i為反射光在平面鏡M上的入射角。對于第k條紋，則有2dcos ik (2)當M和M的間距d逐漸增大時，對任一級干涉條紋，例如k級，必定是以減少cosi的值來滿足式(2)的，故該干涉條紋間距向i變大(cos i值變小)的方向移動，即向外擴展。這時，觀察者將看到條紋好像從中心向外“涌出”，且每當間距d增加/2時，就有一個條紋涌出。反之，當間距由大逐漸變小時，最靠近中心的條紋將一個一個地“陷入”中心，且每陷入一個條紋，間距的改變亦為/2。因此，當M2鏡移動時，若有N個條紋陷入中心，則表明M相對于M移近了dN(/2) (3)反之，若有N個條紋從中心涌出來時，則表明M相對于M移遠了同樣的距離。如果精確地測出M移動的距離d，則可由式(3)計算出入射光波的波長。3測量鈉光的雙線波長差鈉光2條強譜線的波長分別為589.0 nm和589.6 nm，移動M，當光程差滿足兩列光波和的光程差恰為的整數倍，而同時又為的半整數倍，即k(k0.5)這時光波生成亮環(huán)的地方，恰好是光波生成暗環(huán)的地方。如果兩列光波的強度相等，則在此處干涉條紋的視見度應為零(即條紋消失)。那么干涉場中相鄰的2次視見度為零時，光程差的變化應為Lk(k1)(k為一較大整數)由此得2/K12/L| 于是=12/L| 2/L 式中為、的平均波長。對于視場中心來說，設M鏡在相繼2次視見度為零時移動距離為d，則光程差的變化L應等于2d，所以2/D(4)對鈉光平均值589.3 nm，如果測出在相繼2次視見度最小時，M鏡移動的距離d ,就可以由式(4)求得鈉光D雙線的波長差。4.點光源的非定域干涉現象激光器發(fā)出的光，經凸透鏡L后會聚S點。S點可看做一點光源，經G(G未畫)、M、M的反射，也等效于沿軸向分布的2個虛光源S、S所產生的干涉。因S、S發(fā)出的球面波在相遇空間處處相干，所以觀察屏E放在不同位置上，則可看到不同形狀的干涉條紋，故稱為非定域干涉。當E垂直于軸線時(見圖3)，調整M和M的方位也可觀察到等傾、等厚干涉條紋，其干涉條紋的形成和特點與用鈉光照明情況相同，此處不再贅述。實驗內容與步驟1觀察擴展光源的等傾干涉條紋并測波長點燃鈉光燈，使之與分光板G等高并且位于沿分光板和M鏡的中心線上，轉動粗調手輪，使M鏡距分光板G的中心與M鏡距分光板G的中心大致相等(拖板上的標志線在主尺32 cm 位置)。在光源與分光板G之間插入針孔板，用眼睛透過G直視M鏡，可看到2組針孔像。細心調節(jié)M鏡后面的 3 個調節(jié)螺釘，使 2 組針孔像重合，如果難以重合，可略微調節(jié)一下M鏡后的3個螺釘。當2組針孔像完全重合時，就可去掉針孔板，換上毛玻璃，將看到有明暗相間的干涉圓環(huán)，若干涉環(huán)模糊，可輕輕轉動粗調手輪，使M鏡移動一下位置，干涉環(huán)就會出現。再仔細調節(jié)M鏡的2個拉簧螺絲，直到把干涉環(huán)中心調到視場中央，并且使干涉環(huán)中心隨觀察者的眼睛左右、上下移動而移動，但干涉環(huán)不發(fā)生“涌出”或“陷入”現象，這時觀察到的干涉條紋才是嚴格的等傾干涉。測鈉光D雙線的平均波長。先調儀器零點，方法是：將微調手輪沿某一方向(如順時針方向)旋至零，同時注意觀察讀數窗刻度輪旋轉方向；保持刻度輪旋向不變，轉動粗調手輪，讓讀數窗口基準線對準某一刻度，使讀數窗中的刻度輪與微調手輪的刻度輪相互配合。始終沿原調零方向，細心轉動微調手輪，觀察并記錄每“涌出”或“陷入”50個干涉環(huán)時，M鏡位置，連續(xù)記錄6次。根據式(5-8)，用逐差法求出鈉光D雙線的平均波長，并與標準值進行比較。2觀察等厚干涉和白光干涉條紋在等傾干涉基礎上，移動M鏡，使干涉環(huán)由細密變粗疏，直到整個視場條紋變成等軸雙曲線形狀時，說明M與M接近重合。細心調節(jié)水平式垂直拉簧螺絲，使M與M有一很小夾角，視場中便出現等厚干涉條紋，觀察和記錄條紋的形狀、特點。用白熾燈照明毛玻璃(鈉光燈不熄滅)，細心緩慢地旋轉微動手輪，M與M達到“零程”時，在M與M的交線附近就會出現彩色條紋。此時可擋住鈉光，再極小心地旋轉微調手輪找到中央條紋，記錄觀察到的條紋形狀和顏色分布。3測定鈉光D雙線的波長差以鈉光為光源調出等傾干涉條紋。移動M鏡，使視場中心的視見度最小，記錄M鏡的位置；沿原方向繼續(xù)移動M鏡，使視場中心的視見度由最小到最大直至又為最小，再記錄M鏡位置，連續(xù)測出6個視見度最小時M鏡位置。用逐差法求d的平均值，計算D雙線的波長差。4點光源非定域干涉現象觀察方法步驟自擬。邁克爾遜干涉儀系精密光學儀器，使用時應注意防塵、防震；不能觸摸光學元件光學表面；不要對著儀器說話、咳嗽等；測量時動作要輕、要緩，盡量使身體部位離開實驗臺面，以防震動。問題解答1、調節(jié)等傾干涉條紋時，怎樣判斷是否觀察到了嚴格的等傾干涉條紋？當平面鏡M1和M2完全平行時，才能觀察到嚴格的等傾干涉條紋。這時如果眼睛上下、左右微微移動，同心干涉圓環(huán)的大小不變，僅僅是圓心隨眼睛移動而移動，并且干涉條紋反差大。這樣的干涉條紋就是嚴格的等傾干涉條紋。2、測量波長時應如何避免空程誤差？微動微調手輪，屏上條紋就應有變化，否則就存在空程誤差，可用手輕推可動反射鏡，消除空程誤差，測量時始終連續(xù)地沿一個方向轉動微調手輪。這樣就可以避免空程誤差。思考討論1、邁克爾遜干涉儀是怎樣實現雙光束干涉的？ 2、形成非定域干涉的條件是什么？3、形成等傾干涉的條件是什么？4、形成等厚干涉的條件是什么？5、非定域干涉條紋、等傾干涉條紋和等厚干涉條紋分別定域在何處？實驗中怎樣驗證？6、調節(jié)非定域干涉條紋時，若觀察到的條紋又細又密是何原因？如何調節(jié)使條紋變得又粗又?。?、在等傾干涉中，縮進或吐出一個條紋對應光程差的變化是多少？8、在等傾干涉中，縮進或吐出一個條紋對應可動反射鏡變化的距離是多少？9、用邁克爾遜干涉儀測定光波波長的基本原理是什么？如何測量？10、調節(jié)邁克爾遜干涉儀時看到的亮點為什么是兩排而不是兩個?兩排亮點是怎樣形成的?11、實驗中毛玻璃起什么作用?為什么觀察鈉光等傾干涉條紋時要用通過毛玻璃的光束照明?12、調節(jié)鈉光的干涉條紋時，如已確使針孔板的主光點重合，但條紋并未出現，試分析可能產生的原因。13、利用鈉光的等傾干涉現象測鈉光D雙線的平均波長和波長差時，應將等傾條紋調到何種狀態(tài)，測量時應注意哪些問題? 注意事項1邁克爾遜干涉儀是精密光學儀器，各光學表面必須保持清潔，嚴禁用手觸摸；調整時必須仔細、認真、小心、輕緩，嚴禁用力過度，損壞儀器。 2測量時要防止引入空程誤差，影響測量精度。 3避免激光直接射入眼睛，否則可能會造成視網膜永久性的傷害。 4數條紋變化數目過程中，若因震動出現條紋抖動難以辨認時，應暫停數條紋數，待穩(wěn)定后再繼續(xù)數。 5有些儀器粗調和細調手輪刻度不一致，可通過只讀細調手輪來讀數。實驗五 利用牛頓環(huán)測量球面的曲率半徑“牛頓環(huán)”現象是牛頓 (Isaac Newton，1642-1727) 的一項重要發(fā)現。牛頓把一個平凸透鏡放在一個雙凸透鏡上時，觀察到了明暗相間的同心圓環(huán)。他精確的測量了環(huán)的半徑，并發(fā)現環(huán)半徑的平方構成一個算術級數。從這一發(fā)現中他提出并確立了光的周期性。牛頓環(huán)實際上是光的波動性的最好證明，但牛頓并沒有從此走向光的波動說，這不能不說是一個遺憾。牛頓環(huán)和劈尖屬典型的等厚干涉，它們都是由同一光源發(fā)出的兩束光，分別經過其裝置所形成的空氣薄膜上、下表面反射后，在上表面相遇產生的干涉現象。利用光的干涉現象可以測量微小角度、很微小長度、微小直徑及檢測一些光學元件的球面度、平整度、光潔度等。教學目的1 觀察等厚干涉現象，加深對光的波動性的認識；2 學會使用測量顯微鏡；3 學會用牛頓環(huán)測球面曲率半徑的原理和方法。教學要求1 提交符合要求的預習報告；2 實驗操作在三小時內完成，操作正確，數據合格；3 寫出合格的實驗報告。重點難點：1、按實驗操作規(guī)程規(guī)范操作。2、動手操作能力培養(yǎng)。3、重點：用牛頓環(huán)測平凸透鏡曲率半徑的原理和方法，正確使用測量顯微鏡。4、難點：正確使用測量顯微鏡；調出清晰規(guī)范的牛頓環(huán)，正確數環(huán)數。德育滲透：1、培養(yǎng)學生愛護儀器，保護國家財產的意識。2、培養(yǎng)學生互相幫助，團結協作的精神教學方法1、講授法。2、演示法。3、學生分組實驗法布置作業(yè)：1、數據處理。2、誤差分析3、獨立完成實驗報告。4、預習下一個實驗實驗原理1 概述實驗原理，簡要介紹測量顯微鏡和牛頓環(huán)儀。提問：測量公式中各物理量的含義是什么？牛頓環(huán)是怎樣形成的？牛頓環(huán)的中心應是暗點還是亮點？什么叫空回量？實驗中應如何避免空回量？2 講解測量內容、程序及注意事項。3 學生自由提問，老師答疑。實驗要點1 說明正確調節(jié)牛頓環(huán)儀的方法，牛頓環(huán)應居透鏡正中，無畸變且最小。2 指出鈉光燈不能反復開啟，從實驗開始時打開到實驗結束時關閉，中途不得關與開。鈉光燈打開后，不能馬上使用，應等數分鐘，待正常發(fā)光后，才能開始調顯微鏡視場。3 在鈉光燈下調顯微鏡視場時，應強調讓鈉黃光均勻地充滿整個視場，不能在半明半暗狀態(tài)下調出牛頓環(huán)。4 調出牛頓環(huán)的步驟是：先調目鏡看清十字叉絲，再調焦距看清牛頓環(huán)圖象，注意反復調節(jié)目鏡和物鏡“消視差”。5 對牛頓環(huán)調焦距時，強調鏡筒只能從下向上調節(jié)，不允許反向調節(jié)。6 在牛頓環(huán)清晰可辨的前提下，對m和n應選取遠離園心的環(huán)來進行測量。7 顯微鏡十字叉絲的橫線雖不必嚴格調到每道環(huán)的中心，但十字叉絲的交點還是應與牛頓環(huán)中心大致相合為宜。8 十字叉絲的垂線切暗環(huán)時，應切在每一條紋的正中內。9 測量進行時，要重點強調：測微鼓輪只能朝一個方向旋轉，并指明調測方法，以防出現較大空回誤差。10 測讀數據時，要始終沿著一個方向數環(huán)數，不能從兩個方向讀數；要防止漏數環(huán)數。實驗報告1 提醒計算曲率半徑時，注意統一單位；2 熟練運用逐差法處理數據的方法；3 自己導出R的不確定度傳播公式；4 要求評估測量結果并分析誤差。注意事項不可用手觸摸光學元件的表面。必須保證單方向測量，避免回程差。鈉光源需要預熱5分鐘。鈉光源應盡量放在足夠遠的位置。調整顯微鏡的物距時，顯微鏡應從離牛頓環(huán)最近的位置開始向遠處走，以避免顯微鏡物鏡鏡頭與牛頓環(huán)相撞。實驗六 衍射光柵實驗目的1、了解光柵的主要特性，測量其光柵常數、分辨本領和角色散。2、用光柵測光波波長。3、了解光柵分光的特點。實驗儀器JJY型分光計（附件：變壓器6.3V/220V），平面反射鏡，手持照明放大鏡，平面全息光柵，鈉燈，汞燈，米尺。重點難點：1、按實驗操作規(guī)程規(guī)范操作。2、動手操作能力培養(yǎng)。3、光柵的調節(jié)德育滲透：1、培養(yǎng)學生愛護儀器，保護國家財產的意識。2、培養(yǎng)學生互相幫助，團結協作的精神教學方法1、講授法。2、演示法。3、學生分組實驗法布置作業(yè)：1、數據處理。2、誤差分析3、獨立完成實驗報告。4、預習下一個實驗實驗原理1、光柵的衍射光柵是根據多縫衍射原理制成的一種分光元件，它能產生譜線間距較寬的勻排光譜，所得光譜線的亮度比用棱鏡分光時要小些，但光柵的分辨本領比棱鏡大。光柵不僅適用于可見光，還能用于紅外和紫外光波，常用在光譜儀上。衍射光柵有透射光柵和反射光柵兩種，它們都相當于一組數目很多、排列緊密均勻的平行狹縫，透射光柵是用金剛石刻刀在一塊平面玻璃上刻成的，而反射光柵則把刻縫刻在磨匯豐銀行的硬質合金上。實驗教學用的是復制光柵（透射式），由明膠或動物膠在金屬反射光柵印下痕線，再用平面玻璃夾好，以免損壞。2、光柵的分辨本領和色散率衍射光柵的基本特性可以用它的分辨本領與色散率來表征。實驗內容1、光柵的調節(jié)（1）調節(jié)分光計，使望遠鏡對準無窮遠，望遠鏡軸線與分光計中心軸線相垂直，平行光管出射平行光。調節(jié)方法見光學實驗常用儀器部分。狹縫寬度調至約1毫米。（2）安置光柵，要求入射光垂直照射光柵表面，平行光管狹縫與光柵刻痕相平行。 （3）調節(jié)光柵使其刻痕與轉軸平行。注意觀察叉絲交點是否在各條譜線中央，如果不是，可調節(jié)螺絲予以改正，調好后，再回頭檢查光柵平面是否仍保持和轉軸平行。如有了改變，就要反復多次，直到兩個要求都滿足為止。2、測定光柵常數及分辨本領以汞燈為光源，測出K=1波長為5460.7?的綠光衍射角，求d。但應注意：+1與-1級的衍射角相差不能超過幾分，否則應重新檢查入射角是否為零。用米尺測出光柵寬度L，算出N，代入R=KN求分辨本領。3、測定未知光波波長及色散率用上法在K=1時測出水銀的兩條黃線1及2的衍射角，求出 1及2并計算出，再求出光柵的角色散率。4、觀察N和分辨本領的關系。設法擋住光柵的一部分，減少刻痕數目N，觀察鈉光兩條黃色譜線隨N的減少發(fā)生什么變化。5、比較用光柵分光和用三棱鏡分光得出的光譜各自的特點。數據處理1、衍射角數據。2、的計算。思考題光柵方程成立的條件是什么？在實驗中如何使這一條件得到滿足？答：dsinqkl成立的條件是：平行光垂直入射。在實驗中，要調節(jié)好分光計的平行光管使其發(fā)出平行光。為使入射的單色平行光垂直入射到光柵平面上，必須使光柵平面反射回的十字像的豎線與分劃板調整叉絲豎線及零級衍射線（白線）重合。表征光柵特征的參數除了d外，還有哪幾個？如何進行測量？答：表征光柵特征的參數除了光柵常數d外，還有光柵的角色散率 EQ F(dj,dl) EQ F(k,dcosjk) 和光柵的分辨率本領 R EQ F(l,Dl) kN（實際值小于理論估計值KN）。在垂直入射條件下，只要測出光柵常數d、光譜級數k和與之相應的jk，就可以求出光柵的角色散率。若測出光柵常數d、光譜級數k和暴露在入射光束中的光柵寬度L，就可以求出光柵的分辨本領RkNk EQ F(L,d) 如果平行光與光柵平面成q角，如何測光柵常數d？答：如果單色平行光以光柵平面成q角入射，則單色平行光與光柵法線夾角為a=90-q，則光柵方程為：d(sinjsina)=k (k=0、1、2)式中“+”號表示j與a在光柵法線同側，“-”號表示在異側。設j1、j2分別是光柵法線兩側的衍射角，對第一級光譜線k=1，有sinj2+sina=/d, sinj1-sina=/d.將上兩式相加，得sinj1+sinj2=2/dd=2/( sinj1+sinj2)顯然，對于k1，只要把已知的和測出的j1和j2代入上式，就可求出光柵常數d。實驗七 偏振現象的觀察與分析實驗目的1 觀察光的偏振現象；2 了解偏振光的產生和檢驗方法；3 測定布儒斯特角。儀器用具光具座、激光器、偏振片、1/2波片、1/4波片、刻度盤、玻璃片、光屏。重點難點：1、按實驗操作規(guī)程規(guī)范操作。2、動手操作能力培養(yǎng)。3、確定橢圓偏振光主軸方位角的方法德育滲透：1、培養(yǎng)學生愛護儀器，保護國家財產的意識。2、培養(yǎng)學生互相幫助，團結協作的精神教學方法1、講授法。2、演示法。3、學生分組實驗法布置作業(yè)：1、數據處理。2、誤差分析3、獨立完成實驗報告。4、預習下一個實驗實驗原理 偏振片可使自然光起偏，同時可對偏振光檢偏。 線偏振光經1/2波片后仍為線偏振光，起振動方向要選一角度。 橢圓或圓偏振光經1/2波片后仍為橢圓或圓偏振光，其旋轉方向發(fā)生改變。 線偏振光的振動面與晶偏的光軸布平行也布垂直時，經1/4波片后成為線偏振光或橢圓偏振光。 入射光經玻璃片后，反射光成為部分線偏振光。當入射角改變，使得反射光與折射光正好垂直時，反射光變成完全線偏振光，此為布儒斯特定律，其偏這性可用偏振偏檢驗。實驗內容 1 鑒別自然光和偏振光 在光具座上放置偏振片P1，讓激光通過P1，旋轉P1，通過光屏觀察光的強度變化，記下所觀察到的現象。 偏振片P1的方位角 145021002300 光屏上光強的變化 很亮 最亮 較暗 2 偏振光的檢偏 在偏振片P2的后面放置偏振片P2，則P2成為檢偏器。固定P1，緩慢旋轉P2的角度，觀察屏上光強的變化，記下觀察到的現象。P2的方位角 305190120150180210229240270300光強變化 暗 消光 亮 亮 亮 暗 暗 消光 亮 亮 亮 3 測量布儒斯特角0 調節(jié)P1和P2間的方位角，使得光屏上的光強最大，固定P2。在P1和P2之間裝上布儒斯特角測量裝置，用光屏接受反射光，仔細調節(jié)布儒斯特角測量裝置上玻璃片的角度和P1的方位角，使得反射光完全消光，記下玻璃片的角度2。再調節(jié)玻璃片的角度，使入射光與反射光重合，記下對應的角度1，則布儒斯特角為0=2-1，玻璃的折射率n由下式決定 n=arcctg0測量三次，求平均值。次 數123布儒斯特角 0=2-1337-228=54338-283=55340-283=570=55.3n=arcctg0=1.514實驗八 顯微鏡、望遠鏡的使用實驗目的1熟悉顯微鏡和望遠鏡的構造及其放大原理。2學會測定顯微鏡和望遠鏡放大率的方法。3掌握顯微鏡的正確使用方法，并學會利用顯微鏡測量微小長度。實驗儀器生物顯微鏡一臺 低倍望遠鏡一支 單縫（附鐵架） 石英標準尺 光源（臺燈）移測顯微鏡一支 測微目鏡（附鐵架） 待測樣品（光刻板、光柵玻片） 重點難點：1、按實驗操作規(guī)程規(guī)范操作。2、動手操作能力培養(yǎng)。德育滲透：1、培養(yǎng)學生愛護儀器，保護國家財產的意識。2、培養(yǎng)學生互相幫助，團結協作的精神教學方法1、講授法。2、演示法。3、學生分組實驗法布置作業(yè)：1、數據處理。2、誤差分析3、獨立完成實驗報告。4、預習下一個實驗實驗內容及要求1測定望遠鏡的放大率M.2利用顯微鏡配備的測微目鏡測量同一光柵的光柵常數。3如何進行取鏡和安放。取鏡和安放可概括為幾步：右手握，左手托，略偏左，安目鏡。右手握鏡臂，左手托鏡座，放在實驗臺略偏左的地方距邊緣7厘米左右，安裝好目鏡和物鏡。方法與步驟一、 光學顯微鏡的結構基本結構可分為兩個部分：（一）顯微鏡的光學部分 1.目鏡：由二、三片透鏡組成，安裝在鏡筒上端，也叫接目鏡。在目鏡上方刻有5、10、20等為放大倍數。從外表上看，鏡頭越長放大倍數越低。2.物鏡：由數組透鏡組成，安裝在轉換器上，又稱接物鏡，每臺顯微鏡上常備有幾個不同倍數的物鏡，物鏡上所刻8、10、40等就是放大倍數，習慣上把1020倍的叫做低倍物鏡；4060倍的叫做高倍物鏡；90100倍的叫做油鏡。從形態(tài)上看，接物鏡越長，放大倍數越高。顯微鏡的放大倍數，粗略計算方法為接目鏡放大倍數與接物鏡放大倍數的乘積。如觀察時所用接物鏡為40、接目鏡為10，則物體放大倍數為4010400倍。3.集光器：位于載物臺下方。由二、三塊透鏡組成，其作用是聚集來自反光鏡的光線，使光度增強，并提高顯微鏡的鑒別力，集光器下面裝有光圈（可變光闌），由十幾張金屬薄片組成，可以調節(jié)進入集光器光量的多少。若光線過強，則將光圈孔口縮小，反之則張大，集光器還可以上下移動，以調節(jié)適宜的光度。4.反光鏡：具兩面，一面為平面鏡，一面為凹面鏡。其用途是收集光線。平面鏡使光線分布較均勻。凹面鏡有聚光作用，反射的光線較強，一般在光線較弱時使用。（有些顯微鏡可自帶光源，因而沒有反光鏡）（二）機械部分1.鏡座：在顯微鏡的底部，用于支持整個顯微鏡。2.鏡柱、鏡臂和傾斜關節(jié)：鏡座上的直立短柱叫做鏡柱。鏡柱上方的彎曲的弓形部分叫做鏡臂，是握鏡的地方。鏡臂和鏡柱之間有一個能