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自组显微镜 (测量实验)一、实验目的了解显微镜的基本原理和结构，并掌握其调节、使用和测量它的放大率的一种方法。二、实验原理 物镜Lo的焦距fo很短，将F1放在它前面距离略大于fo的位置，F1经Lo后成一放大实像F1，然后再用目镜Le作为放大镜观察这个中间像F1，F1应成像在Le的第一焦点Fe之内，经过目镜后在明视距离处成一放大的虚像F1。三、实验仪器1、带有毛玻璃的白炽灯光源S2、1/10mm分划板F13、二维调整架： SZ-074、物镜Lo： fo=15mm5、二维调整架： SZ-076、测微目镜Le（去掉其物镜头的读数显微镜）7、读数显微镜架 : SZ-388、三维底座： SZ-019、一维底座： SZ-0310、一维底座： SZ-0311、通用底座： SZ-04四、仪器实物图及原理图图四（1）图四（2）五、实验步骤1、 把全部器件按图四的顺序摆放在平台上，靠拢后目测调至共轴。2、 把透镜Lo、Le的间距固定为180mm。3、 沿标尺导轨前后移动F1（F1紧挨毛玻璃装置，使F1置于略大于fo的位置），直至在显微镜系统中看清分划板F1的刻线。六、数据处理显微镜的计算放大率： 其中：，见图示。本实验中的fe=250/20(计算方法可参考光学书籍)实验数据处理=160mm =110mm= 45mm =70mm=110mm160mm=50mm=|250（50）|(4570) 3.968自组望远镜 (测量实验)一、实验目的了解望远镜的基本原理和结构，并掌握其调节、使用和测量它的放大率的两种方法。二、实验原理最简单的望远镜是由一片长焦距的凸透镜作为物镜，用一短焦距的凸透镜作为目镜组合而成。远处的物经过物镜在其后焦面附近成一缩小的倒立实像，物镜的像方焦平面与目镜的物方焦平面重合。而目镜起一放大镜的作用，把这个倒立的实像再放大成一个正立的像，如图五所示。三、实验仪器1、带有毛玻璃的白炽灯光源S2、毫米尺F3、二维调整架： SZ-074、物镜Lo： fo=225mm5、二维调整架： SZ-076、测微目镜Le：（去掉其物镜头的读数显微镜）7、读数显微镜架 : SZ-388、通用底座： SZ-049、通用底座： SZ-0410、通用底座： SZ-0411、通用底座： SZ-0412、白屏： SZ-13四、仪器实物图及原理图图五五、实验步骤1、 把全部器件按图五的顺序摆放在平台上，靠拢后目测调至共轴。2、 把F和Le的间距调至最大，沿导轨前后移动Lo，使一只眼睛通过Le看到清晰的分划板F上的刻线。3、 再用另一只眼睛直接看毫米尺F上的刻线，读出直接看到的F上的满量程28条线对应于通过望远镜所看到F上的刻线格数e。4、 分别读出F、Lo、Le的位置a、b、d。5、 去Le，用屏H找到F通过Lo所成的像，读出H的位置c。六、数据处理又望远镜的测量放大率：M=140/e望远镜的计算放大率： 其中：U1=b-a，V1=c-b，U2=d-c，AB、AB见图中所示。实验数据处理U1=b-a=790mmV1=c-b=450mmU2=d-c=50mm望远镜的计算放大率：=450(790+450+50)/(79050)=14.696望远镜的测量放大率：M=140/e=4.67自组透射式幻灯机 (测量实验)一、实验目的了解幻灯机的原理和聚光镜的作用，掌握对透射式投影光路系统的调节。二、实验原理幻灯机能将图片的像放映在远处的屏幕上，但由于图片本身并不发光，所以要用强光照亮图片，因此幻灯机的构造总是包括聚光和成像两个主要部分，在透射式的幻灯机中，图片是透明的。成像部分主要包括物镜L、幻灯片P和远处的屏幕。为了使这个物镜能在屏上产生高倍放大的实像。P必须放在物镜L的物方焦平面外很近的地方，使物距稍大于L的物方焦距。聚光部分主要包括很强的光源（通常采用溴钨灯）和透镜L1L2构成的聚光镜。聚光镜的作用是一方面，要在未插入幻灯片时，能使屏幕上有强烈而均匀的照度，并且不出现光源本身结构（如灯丝等）的像；一经插入幻灯片后，能够在屏幕上单独出现幻灯图片的清晰的像。另一方面，聚光镜要有助于增强屏幕上的照度。因此，应使从光源发出并通过聚光镜的光束能够全部到达像面。为了这一目的，必须使这束光全部通过物镜L，这可用所谓“中间像”的方法来实现。即聚光器使光源成实像，成实像后的那些光束继续前进时，不超过透镜L边缘范围。光源的大小以能够使光束完全充满L的整个面积为限。聚光镜焦距的长短是无关紧要的。通常将幻灯片放在聚光器前面靠近L2的地方，而光源则置于聚光器后2倍于聚光器焦距之处。聚光器焦距等于物镜焦距的一半，这样从光源发出的光束在通过聚光器前后是对称的，而在物镜平面上光源的像和光源本身的大小相等。三、实验仪器1、带有毛玻璃的白炽灯光源S2、聚光镜L1： f1=50mm3、二维调整架： SZ-074、幻灯底片P5、干板架： SZ-126、放映物镜L2： f2=190mm7、二维调整架： SZ-078、白屏H： SZ-139、三维底座： SZ-0110、一维底座： SZ-0311、二维底座： SZ-0212、一维底座： SZ-0313、通用底座： SZ-04四、仪器实物图及原理图（见图六）五、实验步骤1、 把全部仪器按图六的顺序摆放在平台上，靠拢后目测调至共轴。2、 将L2与H的间隔固定在间隔所能达到的最大位置，前后移动P，使其经L2在屏H上成一最清晰的像。3、 将聚光镜L1紧挨幻灯片P的位置固定，拿去幻灯片P，沿导轨前后移动光源S，使其经聚光镜L1刚好成像于白屏H上。4、 再把底片P放在原位上，观察像面上的亮度和照度的均匀性。并记录下所有仪器的位置，并算U1、U2、V1、V2的大小。5、 把聚光镜L1拿去，在观察像面上的亮度和照度的均匀性。6、 注：演示其现象时的参考数据为U1=35，V1=35，U2=300，V2=520。和计算焦距时的数据并不相同。六、数据处理放映物镜的焦距：聚光镜的焦距：其中：、（）为像的放大率（）图六实验数据处理=230mm =160mm =80mm =300mm=+=380mm =+=390mm =0.696 =3.75放映物镜的焦距：=3.75/(3.75+1)380=63.08mm 聚光镜的焦距：=390/(0.696+1) 390/(0.696+1)=94.36mm光的干涉实验一、实验目的观察双缝干涉现象及测量光波波长；观察牛顿环等厚干涉现象，用干涉法测量透镜表面的曲率半径。二、实验原理（一）杨氏双缝实验用两个点光源进行光的干涉实验的典型代表，是杨氏实验。杨氏实验以简单的装置和巧妙的构思就实现普通光源来做干涉，它不仅是许多其它光学的干涉装置的原型，在理论上还可以从中提许多重要的概念和启发，无论从经典光学还是从现代光学的角度来看，杨氏实验都具有十分重要的意义。杨氏实验的装置如附图2-1所示，在普通单色光源（如钠光灯）前面放一个开有小孔S的屏，作为单色点光源。在S照明的范围内的前方，再放一个开有两个小孔的S1和S2的屏。S1和S2彼此相距很近，且到S等距。根据惠更斯原理，S1和S2将作为两个次波向前发射次波（球面波），形成交迭的波场。这两个相干的光波在距离屏为D的接收屏上叠加，形成干涉图样。为了提高干涉条纹的亮度，实际中S，S1和S2用三个互相平行的狭缝（杨氏双缝干涉），而且可以不用接收屏，而代之目镜直接观测，这样还可以测量数据用以计算。在激光出现以后，利用它的相干性和高亮度，人们可以用氦氖激光束直接照明双孔，在屏幕同样可获得一套相当明显的干涉条纹，供许多人同时观看。附图2-1 杨氏实验原理参看附图2-1，设两个双缝S1和S2的间距为d，它们到屏幕的垂直距离为D（屏幕与两缝连线的中垂线相垂直）。假定S1和S2到S的距离相等，S1和S2处的光振动就是具有相同的相位，屏幕上各点的干涉强度将由光程差决定。为了确定屏幕上光强极大和光强极小的位置，选取直角坐标系o-xyz，坐标系的原点O位于S1和S2连线的中心，x轴的方向为S1和S2连线方向，假定屏幕上任意点P的坐标为（x,y,D），那么S1和S2到P点的 距离r1和r2分别写为： (1)由上两式可以得到 若整个装置放在空气中，则相干光到达P点的光程差为： 在实际情况中，d远小于D，这时如果x和y也比D小的多（即在z轴附近观察）则有。在次近似条件下上式变为： (2)再由光程差判据 ，p为光强极大处。，p为光强极小处。可知道在屏幕上各级干涉的极大的位置为： (3)干涉极小的位置是： (4)相邻两极大或两极小值之间的间距为干涉条纹间距，用来表示，它反映了条纹的疏密程度。由(3)式可得相干条纹的间距为 (5)变换可得： 式中：d两个狭缝中心的间距 单色光波波长 D双缝屏到观测屏（微测目镜焦平面）的距离这就是本实验所要使用的原理公式。从实验中测得D，d以及x，即可由上式算出。三、实验仪器(一)杨氏双缝实验1、钠光灯（可加圆孔光栏）2、凸透镜L： f=50mm3、二维调整架： SZ-074、单面可调狭缝： SZ-225、双缝（使用多缝板，规格参考下面注释）6、干板架： SZ-127、测微目镜Le（去掉其物镜头的读数显微镜）8、读数显微镜架 : SZ-389、三维底座： SZ-0110、二维底座： SZ-0211、一维底座： SZ-0312、一维底座： SZ-03四、仪器实物图及原理图（数据仅供参考） （一）杨氏双缝实验图2-3杨氏双缝实验实物图及原理图五、实验步骤 （一）杨氏双缝实验1、 把全部仪器按照图2-3的顺序在平台上摆放好，并调成共轴系统。钠光灯（可加圆孔光栏）经透镜聚焦于狭缝上。使单缝和双缝平行，而且由单缝射出的光照射在双缝的中间。（图中数据均为参考数据）2、 直接用眼睛观测到干涉条纹后，再放入微测目镜后进行测量。使相干光束处在目镜视场中心，并调节单缝和双缝的平行度（调节单缝即可），使干涉条纹最清晰。3、 用微测目镜测出干涉条纹的间距x，双缝到微测目镜焦平面上叉丝分化板的距离D。 4、利用已知双缝间距，再把测出的x和D代入到公式中求出波长。把实验值和真实值进行比较，并找出误差原因。实验测得:D = 100mm d = 1mm两相邻条纹位置：左0.87mm右0.75mm = 0.12mm = 0.12*1/100=0.0012mm=1200nm 钠光灯波长为589.3nm两者相比较存在较大的误差。这样大的误差主要是有两个方面引起的：1、测量装置误差，因为所用测量设备精确到0.01mm与纳米级还是有103背数量级的误差。2、人员读数误差，由主观因素所影响。 夫郎和费单缝衍射 (测量实验)一、实验目的观察夫郎和费衍射图样及演算单缝衍射公式二、实验原理平行光通过狭缝时产生的衍射条纹定位于无穷远，称作夫郎和费单缝衍射。它的衍射图样比较简单，便于用菲涅耳半波带法计算各级加强和减弱的位置。设狭缝AB的宽度为（如附图10，其中把缝宽放大了约百倍），入射光波长为，附图10O点是缝宽的中点，OP0是AB面的法线方向。AB波阵面上大量子波发出的平行于该方向的光线经透镜L会聚于P0点，这部分光波因相位相同而得到加强。就AB波阵面均分为AO、BO两个波阵面而言，若从每个波带上对应的子波源发出的子波光线到达P0点时光程差为/2，此处的光波因干涉相消成为暗点，屏幕上出现暗条纹。如此讨论，随着角的增大，单缝波面被分为更多个偶数波带时，屏幕上会有另外一些暗条纹出现。若波带数为奇数，则有一些次级子波在屏上别的一些位置相干出现亮条纹。如波带为非整数，则有明暗之间的干涉结果。总之，当衍射光满足： （）时产生暗条纹；当满足： （）时产生明条纹。在使用普通单色光源的情况下（本实验使用钠灯），满足上述原理要求的实验装置一般都需要在衍射狭缝前后各放置一个透镜。但是一种近似的方法也是可行的，就是使光源和观测屏距衍射缝都处在“远区”位置。用一个长焦距的凸透镜L使狭缝光源SP1成像于观测屏S上（如附图11），其中S与SP1的距离稍大于四倍焦距，透镜大致在这个距离中间，在仅靠L安放一个衍射狭缝SP2，屏S上即出现夫郎和费衍射条纹。附图11设狭缝SP2与观测屏S的距离为，第k级亮条纹与衍射图样中心的距离为xk则 由于角极小，因而。又因为衍射图样中心位置不易准确测定，所以总是量出两条同级条纹间的距离2xk。由产生明条纹的公式可知： 由此可见，为了求得入射光波长，须测量，a和b三个量。三、实验仪器1、钠光灯（加缝或孔光栏）2、凸透镜L： f=50mm3、二维调整架： SZ-074、单面可调狭缝： SZ-225、凸透镜L2： f=70mm6、二维调整架： SZ-077、测微目镜Le（去掉其物镜头的读数显微镜）8、读数显微镜架 : SZ-389、三维底座： SZ-0110、二维底座： SZ-0211、一维底座： SZ-0312、一维底座： SZ-03四、仪器实物图及原理图图十四五、实验步骤1、把钠灯光通过透镜聚焦到单缝上成为缝光源。再把所有器件按图十四的顺序摆放在平台上，调至共轴。其中小孔（=1mm）和微测目镜之间的距离必须保证满足远场条件。（图中数据均为参考数据）2、调节焦距为70的透镜直至能在微测目镜中看到衍射条纹。如果无条纹，可去调节小孔的大小。直到找到合适的小孔为止。3、仔细调节狭缝的宽度，直到目镜视场内的中央条纹两侧各有可见度较好的3，4条亮纹。记录单缝和微测目镜的位置，计算出两者间的距离b。4、读出狭缝宽度a，并且记录下来。六、数据处理为了便于计算波长可以设，而 2xk为两条同级条纹间的距离先对不同的次级k求出z值，求平均，再计算 七、注：多孔架的8孔大小分别为：0.10mm，0.15mm，0.20mm，0.30mm，0.50mm，0.60mm，1.0mm，2.0mm。实验数据处理a=0.40mm b=310mm左边第k级明纹读数右边第k级明纹读数同明纹间距z=第三级明纹33.5第三级明纹3.5+400=37052.86第二级明纹91.5第二级明纹56.5+300=26553第一级明纹42.5+100第一级明纹1.5+300=15953(52.865353) 352.9552.950.40/3106.8387096774193548387096774193548e-4mm=683.9nm偏振光分析 (测量实验)一、实验目的观察光的偏振现象，分析偏振光，起偏，定光轴二、实验原理（一） 偏振光的基本概念 光是电磁波，它的电矢量E和磁矢量H相互垂直，且均垂直于光的传播方向c，通常用电矢量E代表代表光的振动方向，并将电矢量E和光的传播方向c所构成的平面称为光振动面。在传播过程中，电矢量的振动方向始终在某一确定方向的光称为平面偏振光或线偏振光，如附图15（a）。光源发射的光是由大量原子或分子辐射构成的。由于大量原子或分子的热运动和辐射的随机性，它们所发射的光的振动面，出现在各个方面的几率是相同的。故这种光源发射的光对外不显现偏振的性质，称为自然光附图15（b）。在发光过程中，有些光的振动面在某个特定方向上出现的几率大于其他方向，即在较长时间内电矢量在某一方向上较强，这种的光称为部分偏振光，如图附图15（c）所示，还有一些光，其振动面的取向和电矢量的大小随时间作有规律的变化，而电矢量末端在垂直于传播方向的平面上的轨迹呈椭圆或圆。这种光称为椭圆偏振光或圆偏振光。 附图15（a） 附图15（b） 附图15（c）（二）获得偏振光的常用方法将非偏振光变成偏振光的过程称为起偏，起偏的装置称为起偏器。常用的起偏装置主要有：1、反射起偏器（或透射起偏器）当自然光在两种媒质的界面上反射和折射时，反射光和折射光都将成为部分偏振光。当入射角达到某一特定值时，反射光成为完全偏振光，其振动面垂直于入射面（见附图16）而角就是布儒斯特角，也称为起偏振角，由布儒斯特定律得例如，当光由空气射向n=1.54的玻璃板时，=57度若入射光以起偏振角射到多层平行玻璃片上，经过多次反射最后透射出来的光也就接近于线偏振光，其振动面平行于人射面。由多层玻璃片组成的这种透射起偏振器又称为玻璃片堆。见附图17。附图16附图17附图182、晶体起偏器 利用某些晶体的双折射现象来获得线偏振光，如尼科尔棱镜等。1、 偏振片（分子型薄膜偏振片）聚乙烯醇胶膜内部含有刷状结构的炼状分子。在胶膜被拉伸时，这些炼状分子被拉直并平行排列在拉伸方向上，拉伸过的胶膜只允许振动取向平行于分子排列方向（此方向称为偏振片的偏振轴）的光通过，利用它可获得线偏振光，其示意图参看图附图18。偏振片是一种常用的“起偏”元件，用它可获得截面积较大的偏振光束（它就是本实验使用的元件）。(三)偏振光的检测 鉴别光的偏振光状态的过程称为检偏，它所用的装置称为检偏器。实际上，起偏器和检偏器是通用的。用于起偏的偏振片称为起偏振器，把它用于检偏就成为检偏器了。按照马吕斯定律，强度为I0的线偏振光通过检偏器后，透射光的强度为式中为入射光偏振方向与检偏器偏振轴之间的夹角。显然，当以光线传播方向为轴转动检偏器时，透射光强度I将发生周期性变化。当=0度时，透射光强度最大；当=90度时，透射光强度最小（消失状态）；当0度90度时，透射光强度介于最大值和最小之间。因此，根据透射光强度变化的情况，可以区别光的不同偏振状态。（四）偏振光通过波晶片时的情形1.波晶片波晶片是从单轴晶体中切割下来的平行平面板，其表面平行于光轴。当一束单色平行自然光正入射到波晶片上时，光在晶体内部便分解为o光与e光。o光电矢量垂直与光轴;e光电矢量平行于光轴。而o光和e光的传播方向不变，仍都与表面垂直。但o光在晶体内的速度为,e光的为即相应的折射率、不同。设晶片的厚度为，则两束光通过晶体后就有位相差式中为光波在真空中的波长。的晶片，称为全波片；者为半波片（/2波片）；为/4片，上面的k都是任意整数。不论全波片，半波片或/4片都是对一定波长而言。以下直角坐标系的选择，是以e光振动方向为横轴，o光振动方向为纵轴。沿任意方向振动的光，正入射到波晶片的表面，其振动便按此坐标系分解为e分量和o分量。2.光束通过波片后偏振态的改变平行光垂直入射到波晶片后，分解为e分量和o分量，透过晶片，二者间产生一附加位相差。离开晶片时合成光波的偏振性质，决定于及入射光的性质。（1）偏振态不变的情形（i）自然光通过波晶片，仍为自然光。因为自然光的两个正交分量之间的位相差是无规的，通过波晶片，引入一恒定的位相差，其结果还是无规的。（ii）若入射光为线偏振光，其电矢量E平行e轴（或o轴），则任何波长片对它都不起作用，出射光仍为原来的线偏振光。因为这时只有一个分量，谈不上振动的合成与偏振态的改变。除上述二情形外，偏振光通过波晶片，一般其偏振情况是要改变的。（2）/2片与偏振光（i）若入射光为线偏振光，在/2片的前面（入射处）上分解为 =0或出射光表示为 讨论二波的相对位相差，上式可写为 =出射光二正交分量的相对位相差由决定。现在和这说明出射光也是线偏振光，但振动方向与入射光的不同。如入射光与晶片光轴成角，则出射光与光轴成-角。即线偏振光经/2片电矢量振动方向转过了2角。（ii）若入射光为椭圆偏振光，作类似的分析可知，半波片既改变椭圆偏振光长（短）轴的取向，也改变椭圆偏振光（圆偏振光）的旋转方向。（3）/4片与偏振光（i）入射光为线偏振光 =0或则出射光为则出射光为此式代表一正椭圆偏振光。对应于右旋，对应于左旋。当时，出射光为圆偏振光。（ii）入射光为圆偏振光 此式代表线偏振光。出射光电矢量沿一、三象限；，沿二、四象限。（iii）入射光为椭圆偏振光 出射光为可见出射光一般为椭圆偏振光。三、实验仪器1、HeNe激光器（632.8nm）2、偏振