物理学专业,光学实验教学指导书

1、实 验 教 学 指 导 书光学实验（物理学专业）陶淑芬二一二年二月修改目 录光学实验教学大纲1实验课基本要求8实验一 薄透镜焦距的测定10实验二 分光计的调节及棱镜顶角的测量17实验四 用双棱镜测定光波波长26实验五 利用牛顿环干涉测量透镜曲率半径31实验六 迈克尔逊干涉仪的调节和使用35实验八 光电效应测定普朗克常量44实验九 阿贝折射计测定透明介质的折射率50*实验十 偏振现象的观测与应用55*实验十一 光具组基点的测定57*实验十二 测定单、双缝衍射的光强分布61*实验十三 光波波长测量方案和结果的比较64*实验十四 细丝直径（或膜厚、空气折射率）的测量与比较65*实验十五 望远镜、显微

2、镜的组装及放大倍数的测定6657光学实验教学大纲 一、课程基本信息 课程代码：21213008课程名称：光学实验（Optics experiment）课程性质：必修课程类别：学科基础课总 学 时：36学时总 学 分：2学分二、课程描述 光学实验是普通高等学校物理学本科专业的一门重要的学科基础课程，是与光学课程相辅相成的独立设置的一门必修课程。内容涵盖几何光学、波动光学、及近代光学基础三个部分，是学生学习理解干涉、衍射、偏振、色散、光谱、折射率、最小偏向角、成象，象差等抽象概念，接受系统的实验训练，加强理论联系实际的重要途径之一。光学实验在暗室环境中进行，仪器精密，调整要求较高。通过本课程的学习

3、，使学生在光学实验的基本知识、基本方法、基本技能等方面受到系统的训练，加深对物理学基本概念和基本规律的理解和掌握，培养良好的科学素质、创新精神和实践能力。 三、课程目标 1. 知识性目标：通过本门课程的学习，使学生掌握基本光学实验原理、基本仪器性能和基本实验方法。对光学成像、干涉、衍射和偏振等光学理论概念和规律有比较系统的认识和正确的理解。培养学生分析问题和解决问题的能力。2. 技能性目标：学生通过该门课程的学习，掌握波长、焦距和折射率等基本光学量的测量方法，分光计、光具座等基本仪器的使用方法，进一步提高数据处理以及实验结果的分析判断等基本实验素养和能力。3. 情感性目标：树立学生崇尚科学和辩

4、证唯物主义的世界观，锻炼学生不畏艰苦、精益求精的科学精神，培养学生的探索、创新精神和科学思维能力，为进一步学习打下坚实的基础。四、课程内容 实验一 薄透镜焦距的测定（3学时）【主要内容】（1）认识光具座，学习光学元件共轴调节的方法； （2）用自准直法、物距像距法、贝塞尔法测量凸透镜焦距；（3）用自准直法、辅助法测量凹透镜焦距；（4）计算测量不确定度，比较测量方法异同；（5）验证透镜成像公式。【目的要求】（1）了解光具座的基本结构和工作原理，学习光学仪器共轴调节的方法；（2）掌握测量凸透镜和凹透镜焦距的几种实验方法；（3）验证透镜成像公式。实验二 分光计的调节及棱镜顶角的测量（3学时）【主要内容

5、】（1）认识分光计，学习分光计的调节和使用方法；（2）用反射法和自准直法测定棱镜顶角。【目的要求】（1）了解分光计的结构和使用功能；（2）学会分光计的调节和使用方法。（3）掌握反射法和自准直法测定棱镜顶角的方法。实验三 利用分光计测定棱镜折射率（3学时）【主要内容】（1）进一步熟悉分光计的调节和使用； （2）确定汞绿、黄1、黄2光谱线的最小偏向角位置，测量最小偏向角，（3）计算三棱镜相对汞绿、黄1、黄2光的折射率。【目的要求】（1）进一步熟悉分光计的调节和使用；（2）掌握测量最小偏向角的方法，测量三棱镜相对不同波长入射光的折射率； （3）通过实验加深对三棱镜色散现象的理解。实验四 用光电效应测

6、定普朗克常量（3学时）【主要内容】（1）学习使用光电效应实验仪； （2）测量365、405、436、546、577nm五个不同入射光波长对应的截止电压；（3）作截止电压与入射光频率关系曲线，计算普朗克常量。【目的要求】（1）通过实验进一步了解光电效应现象；（2）理解光的量子性，验证爱因斯坦方程；（3）测定普朗克常量。实验五 牛顿环干涉测量透镜曲率半径（3学时）【主要内容】（1）学习牛顿环仪、测量显微镜的调节和使用方法；（2）调节观察牛顿环干涉图样；（3）利用干涉图样测透镜的曲率半径。【目的要求】（1）加深对等厚干涉现象的认识和理解；（2）掌握用牛顿环干涉测透镜的曲率半径的方法。实验六 透明介质

7、折射率的测定（3学时）【主要内容】 （1）了解阿贝折射计的工作原理，学会使用阿贝折射计；（2）掌握用掠入射法测定透明介质折射率的方法； （3）利用阿贝折射计测定透明固体、液体样品的折射率。【目的要求】（1）了解阿贝折射计的工作原理；（2）掌握用掠入射法测定透明介质折射率的方法；（3）测定透明固体、液体样品的折射率。*实验七 用菲涅耳双棱镜测定光波波长 （3学时）【主要内容】（1）学习用双棱镜获得双光束干涉条纹的方法；（2）调整光路获得清晰的充满视场的干涉条纹，测量条纹间距，虚光源间距；（3）计算钠光波长。【目的要求】（1）掌握用双棱镜获得双光束干涉条纹的方法；（2）测定钠光的波长。实

8、验八 光栅衍射测光波波长及角色散率 （3学时）【主要内容】（1）调整分光计；（2）调整平行光垂直入射光栅面和缝；（3）测量光栅常数、光波长及角色散。【目的要求】（1）加深对光栅衍射基本原理的理解；（2）学会用透射光栅测定光的波长、光栅常数的方法。实验九 迈克耳逊干涉仪的调整和使用 （3学时）【主要内容】 （1）学习掌握调节迈克耳孙干涉仪的方法； （2）用迈克耳孙干涉仪测定激光波长； （3）观察白光的彩色干涉条纹； （4）测钠双线的波长差。 【目的要求】（1）了解迈克耳逊干涉仪的工作原理，掌握调整和使用的方法；（2）观察等厚、等倾干涉条纹，加深对各种干涉条纹特点的理解；（3）应用迈克耳

9、孙干涉仪测量激光的波长、和钠D双线波长差。实验十 测定单缝和双缝衍射的光强分布 （3学时）【主要内容】（1）测量单缝、双缝衍射相对光强的分布；（2）描绘单缝、双缝衍射相对光强的分布曲线。【目的要求】（1）加深对单缝、双缝衍射原理的理解，（2）掌握用光电元件测量单缝、双缝衍射相对光强分布的方法；（3）描绘单缝和双缝衍射光强分布曲线。*实验十一 偏振现象的观察和应用 （6学时）【主要内容】  （1）掌握起偏、检偏的方法；  （2）确定偏振片主截面，验证马吕斯定律；  （3）考查半波片对偏振光的影响，观察偏振光的产生及掌握检验的方法；  （4）用旋光计测定糖溶

10、液的浓度。 【目的要求】（1）观察光的偏振现象，加深对光的偏振现象的认识； （2）掌握产生和检验偏振光的原理和方法，验证马吕斯定律；（3）了解旋光计的构造原理，应用旋光计测定糖溶液的浓度。*实验十二 透镜组基点和基面的测定 （3学时）【主要内容】（1）了解光学系统基点的性质；（2）调整光路共轴，用两次成像法测量物象位置，计算透镜组基点位置；（3）使用测节器确定透镜组的基点位置；（4）验证高斯公式。【目的要求】（1）进一步了解光学系统基点的性质；（2）用成像法和测节器确定透镜组的基点位置；（3）验证高斯公式。*实验十三 发光强度和光通量的测量 （3学时）【主要内容】（1）了解光度计的构造及使用原

11、理；（2）学习光度计和积分球的使用方法；（3）测定电灯泡的发光强度及光通量。【目的要求】（1）了解光度计的构造及使用原理；（2）学习光度计和积分球的使用方法；（3）测定电灯泡的发光强度及光通量。*实验十四 平行光管的调整和使用 （3学时）【主要内容】（1）了解平行光管的结构原理；（2）调整平行光管；（3）测量平面玻璃基板的平行度；测量透镜的鉴别率。【目的要求】（1）了解平行光管的结构原理；（2）掌握平行光管的调整及使用方法；（3）测量平面玻璃基板的平行度；测量透镜的鉴别率。*实验十五 微小长度的光学测量 （6学时）【主要内容】自行设计实验方案，配置仪器，用光学方法测定细丝直径或透明膜厚或其他物

12、理量。【目的要求】利用已学力、电、光理论知识和实验技能，自行设计、完成新的实验内容。*实验十六 望远镜、显微镜的组装及放大倍数的测定 （6学时）【主要内容】  （1）测定显微镜和望远镜的放大率； （2）用显微镜测量微小长度； （3）测定显微镜和望远镜的分辨本领。【目的要求】 （1）熟悉显微镜和望远镜的构造及其放大原理；  （2）学会一种测定显微镜和望远镜放大率的方法；  （3）理解光学仪器分辩本领的物理意义，测定显微镜和望远镜的分辨本领。注：带*号实验为选做项目.五、教学策略与方法建议光学实验是一门重要的培养锻炼学生科学思维和实践动手能力的课程，教学过程

13、中要注意引导学生去发现问题，思考问题，学会自己解决问题，充分体现课程的特色。任课教师应充分了解本专业的特点，清楚先修课程和后续课程，准确把握教学中的重点和难点。除课程内容外教师还应该了解相关的物理学发展史和物理学前沿新成果，联系实验教学内容，利用科学家的治学精神和奋斗历程激励学生努力学习，联系物理学前沿新成果激发学生学习科学知识的兴趣，有效提高学生学习的主动性和积极性。实验课程的开设应该尽量和理论课同步，实现理论指导实验、实验巩固充实理论知识的理论联系实际的教学原则。教师在教学活动中应积极利用网络课程资源，给学生提供实验预习的条件，不断丰富教学形式。及时批改学生实验报告，了解学生学习掌握情况，

14、及时反馈并调整授课的方法和手段。教师应根据教学计划和实际情况，灵活选择大纲所列选做实验项目，完成规定实验学时。六、课程考核与评价1考核方式及形式：平时实验和期末测试相结合 考查 。平时实验包含预习、操作和数据处理，由实验报告反映，期末测试可以通过闭卷笔试、实作考试或撰写小论文任意一种方式反映。2综合成绩的评定：以平时成绩（60%）和期末测试（40%）两部分构成。七、教学参考资料1. 推荐教材与参考书：推荐教材：光学实验指导书曲靖师范学院物理实验中心自编讲义，2009.参考教材：1 杨述武主编普通物理实验（三、光学部分）第三版，北京：高等教育出版社，2001.2 吕斯骅主编基础物理实验，北京：北

15、京大学出版社，2002.3 王云才，李秀燕主编大学物理实验教程，北京：科学出版社，2003.3 贾玉润，王公治，凌佩玲主编大学物理实验，上海：复旦大学出版社，1987.2. 参考文献： 编写教学大纲、课程介绍参考资料 曲靖师范学院教务处编 2010.6 编写人：陶淑芬 审核人：实验课基本要求实验教学的过程实际上是在教师指导下由学生通过阅读教材及必要的参考书，独立思考，独立操作而完成的。一般分成如下三个阶段：1 实验预习课前预习是完成和做好实验的前提。通过预习，重点搞清本次实验的目的、要求、原理（包含理论原理和实验原理），以及所用仪器的性能和操作规程，明确实验方法和步骤等内容，在此基础上填写预习

16、报告。预习一般在课外进行，也可以到实验室结合仪器装置进行预习。预习报告的内容主要包括：实验名称、目的、所用仪器、实验原理和内容，并设计绘出测量数据记录表格。实验原理的填写，要根据自己的理解，用简明扼要的语言阐述实验所依据的原理和必要的公式，以及重要的原理图等，切不可简单照抄。2 实验操作进入实验室后，要自觉遵守实验室的规则，认真听取教师的指导和提出的要求。操作前必须先认识和熟悉仪器，了解仪器的使用方法及注意事项，然后再进行正确的安装和调试，在教师许可下方可开始实验。实验时要严格遵守实验规程进行，能较好地控制实验的物理过程和物理现象，认真仔细地观察实验现象，正确记录实验数据，不能抄袭和捏造数据。

17、实验中若有疑问或者仪器出现故障，要及时请教指导教师，切勿自行随意处理。实验完毕后，先请任课教师审查原始记录实验数据，教师签字认可后，再将仪器整理复原，实验学生（本人）填写实验登记表，经教师检查同意后方可离开实验室。3 实验报告实验报告是对实验的分析、总结、巩固和深化的过程，要独立完成，切勿涂改数据和抄袭报告。依据原始数据记录，对测量数据进行处理和分析，从而得出实验结果及对实验结果进行评价。实验报告的填写力求简明扼要、字迹清楚、符号和图表规范。实验报告包括以下内容：（1）实验名称：写明实验题目、日期以及实验者的基本信息。（2）实验目的：简述实验所要达到的目的。（3）实验仪器：写明仪器的名称、规格

18、和型号等。（4）实验原理和内容：简明扼要地阐述实验原理，力争图文并茂，突出实验原理公式及其适用条件，实验方法和具体测试内容。（5）实验原始数据：在实验过程中记录的与实验有关的环境条件和标明测量物理量单位的测量数据。需用钢笔填写，以表格形式呈现（数据统一靠格子的右上角），不得涂改（如出错，可在错误数据上划一条横线，在左下角另记）。（6）实验数据整理与计算：采用合适的方法，进行数据的整理和计算（主要的计算公式、不确定度和必要的计算步骤），图表绘制。例如：设待测量，直接测量量有三个，均进行n次等精度测量。则数据处理基本环节如下：是计算，；，；，；，。得到直接测量量的结果表述：，计算，推导出间接测量量

19、的不确定度计算关系（7）实验结果与讨论：必须根据计算，正确表述实验结果（单位）然后根据测量结果y与公认值y0之差是否在误差允许范围内进行判断，如果说明测量结果在误差允许范围内，测量是可信的。如果说明测量不可信，需要查找合成项中比较突出的测量因素，分析产生的具体原因（测量方法、仪器精度、计算错误等）。 实验一 薄透镜焦距的测定实验目的及要求1.学会测量透镜焦距的几种方法。2.掌握简单光路的分析和光学元件同轴等高的调节方法。3.熟悉光学实验的基本操作规程。实验仪器及用品光具座，凸透镜，凹透镜，钠光灯，物屏，像屏，平面反射镜实验原理在近轴光线的条件下，薄透镜成像满足高斯公式 (1-1)当薄透镜置于空

20、气中时，其焦距 (1-2)(1-2)式中, 为像方焦距； 为物方焦距；为像距；为物距。图1-1 薄透镜成像光路图式中的各线距离均从透镜中心(光心)量起，与光线行进方向一致为正，反之为负，如图1-1所示。若在实验中分别测出物距和像距，即可用式(1-2)求出该透镜的焦距。但应注意:测得量须添加符号，求得量则根据求得结果中的符号判断其物理意义。1凸透镜焦距的测量1.1物像公式法图1-2 自准法测凸透镜焦距光路图成像光路如图1-1所示，移动透镜或像屏位置，在像屏上得到清晰的实像，则透镜中心到物屏的距离为物距和透镜中心到像屏的距离，代入高斯公式（1-2），就可计算出透镜的焦距。计算时应注意添加符号的问题

21、。1.2自准法如图1-2所示，在物屏AB和平面反射镜M之间移动透镜，当物屏AB正好位于凸透镜的物方焦平面时，物屏AB上任一点发出的光线经透镜折射后，将变为平行光线，平行光被平面反射镜反射回来后，再经透镜折射，仍会聚在它的焦平面上，即在原物屏平面上，形成一个与原物大小相等，方向相反的倒立实像AB。此时像距,由高斯公式知 (1-3)显然透镜到物屏的距离就是待测透镜的焦距。图1-3位移法测焦距光路图由于这个方法是利用调节实验装置本身产生平行光以达到聚焦的目的，所以称之为自准法，该法简便快捷，但是测量误差有些大。1.3位移法(又称为贝塞尔法)物像公式法、自准法都因透镜的中心位置不易确定而在测量中引进误

22、差，位移法可以避免这一缺点。如图1-3所示，当取物屏与像屏之间的距离时，固定，则在物屏与像屏之间沿光轴方向移动透镜时，能够在像屏上观察到二次成像。设物距为时，得放大的倒立实像；物距为时，得缩小的倒立实像，两次成像时透镜的位移为d,则由几何关系和高斯公式可得： (1-4)可见，只要在光具座上确定物屏与像屏之间距离以及二次成像时透镜的位移，就可较准确的求出焦距。这种方法不涉及透镜本身的厚度，测量误差较小 。2凹透镜焦距的测量对于凹透镜，由于它对光线有发散作用，不能对实物成实像，我们采用下列辅助方法测凹透镜焦距。2.1 辅助凸透镜成像法如图1-4所示，先辅助凸透镜L使发光物AB生成缩小的实像AB，然

23、后在L和AB之间放入待测凹透镜L （尽量靠近AB，为什么？），则AB成为L的虚物，向后移动像屏直至在屏上生成放大的实像AB。L到AB和AB之间距离分别是待测凹透镜L 的物距s和像距s，根据式(1-2)即可求出L的焦距图1-4 辅助凸透镜成像光路图图1-5 凹透镜自准法光路图 (1-5)2.2辅助凸透镜自准法如图1-5所示，先使发光物经过辅助凸透镜L后生成实像，然后在L和之间放入待测凹透镜L ，则成为L的虚物，将像屏换成平面反射镜；移动L2，改变L2和之间的距离，当L2和之间的距离等于凹透镜L的焦距时，经L发散的光线为平行光，平行光再经平面镜反射回来，在物屏上生成一个与物等大的倒立实像。此时像距

24、,由高斯公式知 (1-6)即凹透镜L到的距离就是待测凹透镜的焦距。图1-6 光具座结构示意图仪器介绍光具座基本结构如图1-6所示,其主体是一个平直的导轨，导轨的长度为1-2，上面刻有毫米标尺，另外还有多个可以在导轨面上移动的滑块支架。一台性能良好的光具座应该是导轨的长度较长 , 平直度较好 ;还要保持光具座上各组件的同轴性和滑块支架的平稳性。调节光学系统各元件的共轴等高，是在光具座上进行实验的一项基本要求 ，必须熟练掌握 。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 ,靠拢目测，使各元件的中心大致在同一条直线上并与导轨平行, 而且使物平面、像屏平面和透

25、镜面相互平行且垂直于光具座导轨。(2) 细调依靠会聚透镜两次成像规律进行调节。使物和观察光屏的距离并固定 , 则在其间移动透镜时能在两个不同的位置和, 于屏上分别呈现大、小两个实像。若物的中心处在透镜光轴上而且光轴与导轨基线平行，则移动透镜时，大小两次成像的中心必将重合。若物的中心偏离光轴或导轨与光轴不平行，则当透镜移动时，两次成像时像的中心不再重合。因此可以根据像中心的偏移判断、调节共轴等高状态。一般采用“大像追小像”的方法，即先呈现小像并调节光屏标志线与小像中心重合，然后移动透镜呈现大像，调节透镜高低左右使大像中心与小像中心标志线重合，反复多次直至大小两次成像的中心重合。如果还有其他透镜需

26、要共轴等高，可以逐个加入光路，改变透镜之间位置或光屏位置，使在光屏上再次生成清晰像，调整加入透镜的高低左右，使像中心与光轴重合。 实验内容与步骤一、光具座上各光学元件同轴等高的调节1粗调 开启钠光灯，先将物屏、凸透镜和像屏放置于光具座上，（物屏尽量靠近光源放置！）使它们尽量靠拢，用眼睛观察，粗调各元件中心（含光源中心）大致在与导轨平行的同一条直线上，且使各元件截面垂直于光具座导轨。2细调 利用两次成像法进行细调，使物屏与像屏之间的距离，固定，在物屏与像屏之间沿光轴方向移动凸透镜，能够在像屏上观察到二次成像，采用“大像追小像”方法调节共轴。 移动凸透镜使生成缩小像，调节像屏标志线与小像中心重合；

27、移动凸透镜使生成放大像，调节透镜左右高低位置，使大像中心与小像中心（像屏标志线）重合；再移动透镜观察小像，重复上述调节直到大像和小像中心重合（均与像屏上同一标志线重合）。此时，物屏、凸透镜和像屏中心已经共轴。如果还有其他凸透镜，则逐一放入物屏与像屏之间，移动透镜或像屏，使再次成像，调节后放入的凸透镜的高低左右位置，使所成像中心与前述共轴中心标志线重合；如果是凹透镜，则采用辅助成像法如图1-4所示光路成像，调节凹透镜的高低左右位置使所成像中心与前述共轴中心标志线重合，直至各光学元件全部共轴为止。在满足共轴条件下，方可以进行下列实验测量。二、凸透镜焦距的测量1.自准法测凸透镜焦距按图1-2所示光路

28、放置光学元件。固定物屏，移动凸透镜L ，在物屏上得到一个与物等大倒立的清晰像（绕铅直轴略转动平面镜M，物象错开，便于观察判断成像清晰程度；实验中注意区分经凸透镜内表面和平面镜反射后所成的像，前者不随平面镜转动而移动！），记录物屏的位置读数与凸透镜L位置读数，则凸透镜焦距。重复测量5次，计算凸透镜焦距 。2.物距像距法测凸透镜焦距 按图1-1所示组织光路，在待测透镜L的一侧放置被光源照明的带网格的1字形物屏，在另一侧放置像屏。移动透镜或像屏，在像屏上得到清晰的实像，量取并记录物距（透镜L到物屏的距离）、像距（透镜L到像屏的距离）。，由式(1-2)求出焦距。改变像屏的位置，重复5次测量，求凸透镜焦

29、距及其不确定度。3.位移法测凸透镜焦距按图1-1所示放置各光学元件，使物屏与像屏之间的距离，并固定物屏与像屏位置。移动透镜，使在像屏上生成两次实像，如图1-3所示，记录物屏与像屏之间的距离和两次成像时透镜的位置X和X，则= X-X，由式(1-4)可求出 。重复测量5次，计算凸透镜焦距 及其不确定度。三、凹透镜焦距的测量1.辅助凸透镜成像法测凹透镜焦距按图1-4所示，移动凸透镜L，使像屏上生成清晰、倒立的缩小实像AB，保持凸透镜L的位置不变。将凹透镜L放入L与像屏之间（尽量靠近AB），然后向后移动像屏，使屏上重新得到清晰、放大、倒立的实像AB。记录L、AB、AB的位置，其中L至AB的距离为物距，

30、L至AB的距离为像距，代入式(1-5)求出。重复测量5次，求凹透镜焦距及其不确定度。2.自准法测凹透镜焦距按图1-5所示组织光路，移动凸透镜L，使像屏上生成清晰、倒立的缩小实像，保持凸透镜L的位置不变。在L和之间放入待测凹透镜L （尽量靠近AB），则成为L的虚物，将像屏换成平面反射镜；移动L2以改变L2和之间的距离，直至在物屏上得到一个与物等大、倒立的清晰实像（使平面镜稍微转动一个小角度，物象错开，便于观察判断成像清晰程度）。则此时L2至的距离为凹透镜L的焦距。 重复测量5次，求凹透镜焦距。数据记录表1测量凸透镜焦距 单位：cm方法物屏XP凸透镜XL1凸透镜XL1（X）像屏Xp自准直法-物距像

31、距法-位移法表2测量凹透镜焦距 单位：cm方法物屏XP凸透镜XL1p位置Xp凹透镜XL2像屏Xp辅助成像法自准直法-思考题1.高斯公式的前提条件是什么？2. 实验过程中对共轴调节有哪些要求?不满足这些要求对测量会产生什么影响?3.在自准直法测凸透镜焦距时，你观察到的像有什么特征?为什么？4.试分析比较各种测凸透镜焦距方法的误差来源，提出对各种方法优缺点的看法。5.试设计2种测量凹透镜焦距的实验方案，并简述原理及测量方法。注意事项1.测量物屏、透镜及像屏位置时，各滑座上的读数准线方向必须一致且与刻度尺密合。2.所有测量的前提是光学元件共轴，特别要注意保持光学元件截面垂直与导轨。3. 记录物距、像

32、距和计算焦距时，注意符号法则的运用。 4. 由于人眼对成像的清晰度分辨能力有限，所以观察到的像在一定范围内都清晰，为了减小误差，需要在像模糊清晰模糊的过程中反复寻找并确定清晰成像的最佳位置。5在暗室进行实验时，需要轻拿轻放，及时归位，避免碰撞损坏。照明用灯光尽量压低并及时关闭，避免影响他人实验观察。6光学元件如透镜、棱镜等应避免直接接触光学表面，可用手拿取其棱边和磨砂面，以免损害光学表面光洁度，影响成像质量。实验二 分光计的调节及棱镜顶角的测量实验目的及要求1了解分光计的结构和各部分的作用，学会分光计的调整和使用方法。2学习用反射法和自准直法测定棱镜顶角。实验原理1分光计的结构和调整原理分光计

33、实际上是一种精密的光学测角仪。可以用来观察和测量各种光线之间的夹角，间接测量折射率、色散本领、光波波长、光栅常数等物理量。分光计的结构是其它许多光学仪器（如摄谱仪、单色仪，分光光度计等）的基础。学习分光计的使用，可以为使用更复杂的光学仪器的调节打下基础。任何一台分光计必须备有以下四个主要部件：平行光管、望远镜、载物台、读数装置。分光计有多种型号，但结构大同小异。如图2-1所示是JJY-1型分光计的外型和结构图。分光计的下部是一个三脚底座，其中心有竖直轴，称为分光计的中心轴，轴上装有可绕轴转动的望远镜和载物台，在一个底座的立柱上装有平行光管。图2-1 分光计结构图1-小灯 2-分划板套筒 3-目

34、镜 4-目镜筒制动螺丝 5-望远镜倾斜度调节螺丝 6-望远镜镜筒 7-夹持待测件弹簧片 8-平行光管 9-平行光管倾斜度调节螺丝 10-狭缝套筒制动螺丝 11-狭缝宽度调节螺丝 12-游标圆盘制动螺丝 13-游标圆盘微调螺丝 14-放大镜 15-游标圆盘 16-刻度圆盘 17-底座 18-度盘制动螺丝 19-望远镜微调螺丝 20-载物小平台 21-载物台水平调节螺丝 22-载物台制动螺丝分光计的结构复杂、装置精密，调节要求也比较高，对初学者来说会有一定的难度。但是在了解其基本结构和测量光路条件下，只要严格按调节要求和步骤仔细地调节，一定能调好。平行光管 会聚透镜 狭缝 光源图2-2平行光管工作

35、原理 2分光计主要部件的结构及原理（1）平行光管平行光管是提供平行入射光的部件。它是固定在底座立柱上的一个柱形圆管，其一端装有的一个可伸缩的狭缝套筒，另一端装有会聚透镜。当狭缝恰位于透镜的焦平面上时，平行光管就发出平行光束，如图2-2所示。狭缝的宽度由螺丝11调节。平行光管的水平度由螺丝9调节，以使平行光管的光轴和分光计的中心轴垂直。（2）阿贝式自准直望远镜图2-3 自准直望远镜结构图望远镜是用来观察和确定平行光束的行进方向的，它由物镜、目镜及分划板组成的一个圆管。常用的目镜有高斯目镜和阿贝目镜两种，都属于自准目镜，JJY-1型分光计使用的是阿贝式自准目镜，所以其望远镜称之为阿贝式自准直望远镜

36、，结构如图2-3(a)所示。图2-3望远镜原理图从图中可见，目镜装在A筒中，分划板装在B筒中，物镜装在C筒中，并处在C筒的端部。其中分划板上刻划的是“”形的准线（不同型号准线不相同），下边粘有一块45°全反射小棱镜，其表面上涂了不透明薄膜，薄膜上刻了一个空心十字窗口，小电珠的入射光从管下侧射入，照亮小棱镜不透明薄膜上的空心十字，作为发光物体，旋转目镜可在望远镜视场下部（棱镜表面）看到清晰亮十字（发光物）。若在物镜前放一平面镜，前后移动目镜筒（连同分划板）与物镜的间距，使分划板（发光物所在平面）位于物镜焦平面上时，物光经物镜后成平行光入射至平面镜，反射平行光再经物镜后在分划板上形成十字

37、叉丝的反射像。若平面镜镜面与望远镜光轴垂直，此像将落在“”准线上部的比较叉丝上，如图2-3所示。(物像共面、共轭对称)（3）载物台载物台是用来放置待测物件的。台上附有夹持待测物件的弹簧片7。台面下方装有三个水平调节螺丝，用来调整台面的倾斜度。这三个螺丝的中心形成一个正三角形。松开载物台紧固螺丝22，载物台可以单独绕分光计中心轴转动或升降。拧紧载物台紧固螺丝22，它将与游标盘固定在一起。游标盘可用游标圆盘制动螺丝12固定。（4）读数装置图2-4读数装置示意图读数装置是由刻度圆盘16和游标圆盘15组成。刻度圆盘为360°（720个刻度）。所以，最小刻度为半度（30），小于半度则利用游标读

38、数。游标上刻有30个小格，游标每一小格对应角度为1。角度游标读数的方法与游标卡尺的读数方法相似，例如图2-4所示的位置，其读数为：2-4 分光计读数示意图=A+B=2330+13=233013为了消除刻度盘与分光计中心轴线之间的偏心差，在刻度圆盘同一直径的两端各装有一个游标。测量时，要同时记下两游标所示的读数，计算出每个游标转动前后两次读数差，再取其平均值作为转角数值，以消除偏心差。3三棱镜顶角测量原理（1）反射法测定三棱镜顶角如图2-5置三棱镜于载物台上，顶角A正对平行光管，且使顶角几乎位于平台中央而稍微偏向平行管，使两光学表面均能看到狭缝的反射像，将望远镜转至AB面一边，使AB面反射的狭缝

39、像的中心与望远镜分化板竖线重合，记录两读数窗口读数（）；在固定载物台情况下，将望远镜转至AC面，使狭缝像的同样对准分划板竖线，记录两读数窗口读数（）。于是有 （ 2-1）根据几何关系可以证明，顶角A大小由式（24-2）决定。 （ 2-2）（2）自准直法测三棱镜顶角AAA转动载物台，使三棱镜磨砂面朝向平行光管，两个光学表面夹角朝向观察者，同时使游标盘的两个游标分居左右两侧，固定载物台和游标盘。转动望远镜（带动度盘）找到经光学表面AB反射的叉丝像与比较叉丝重合的位置，此时望远镜光轴与光学表面AB垂直，记录此位置对应的两游标读数（）；转动望远镜（带动度盘）找到经光学表面AC反射的叉丝像与比较叉丝重合

40、的位置，记录此位置对应的两游标读数（）。则两相邻光学表面法线之间的夹角如图2-6所示，则三棱镜顶角 （ 24-3）图2-6-自准直法测顶角原理图A图2-5反射法测顶角原理图A1122入射光线反射光线反射光线 实验仪器及用具JJY-1型分光计，光源（汞灯），双面平面镜，三棱镜实验内容及步骤一、调整分光计精密光学测量都是使用平行光，分光计也是按此设计的。分光计的调整任务为：1.望远镜能够接收平行光（或调焦到无穷远处），其光轴垂直于分光计的中心轴。2.平行光管能够发出平行光。其光轴与望远镜光轴等高共面。3.载物台面垂直于分光计的中心轴。为此，必须对照分光计的结构图和实物，熟悉分光计各部分的具体结构及

41、其调整和使用方法。按下列步骤进行调整：（1）粗调（目测判断）眼睛平视目测观察，调节望远镜倾斜度调节螺丝5与平行光管倾斜度调节螺丝9。使望远镜与平行光管的主光轴大致同轴并垂直于中心轴，再调节载物台下三个水平调节螺丝21，使载物台面基本水平（三个底脚螺丝升高部分基本等高）。粗调是分光计能否快速、顺利调整好的关键步骤。图2-5平面镜、三棱镜的放置（2）调节望远镜能够接收平行光（或调焦到无穷远处）. 点亮望远镜上的照明小灯，旋转望远镜的目镜，使视场中能清晰地看到“”形黑叉丝。 .将双面平面镜（简称平面镜或双面镜）按照图2-5所示放置放在载物台上（镜面下方压着螺丝，螺丝、的连线垂直镜面）轻缓地转动载物台

42、，使从望远镜中能看到双面镜反射回来的“十”字光斑（绿色）。如果找不到“十”字光斑，说明粗调没有达到要求，应重新进行粗调。.找到“十”字反射回来的“十”字光斑后，伸缩调节望远镜目镜筒，改变视场中发光十字叉丝与物镜间的距离，使视场中的“十”字光斑变成清晰的“十”字像（绿色），如图2-6a或2-6c所示，锁紧螺钉4。此时，望远镜已对无穷远聚焦，能够接收平行光了。（后面调节中不能再改变此位置！）（3）调节望远镜光轴垂直于分光计的中心轴调整望远镜下方倾斜螺钉与平面镜前载物台底角螺钉（“各调一半法”），使“十”反射像与“”叉丝的上交点（比较叉丝）重合，如图2-6b，此时平面镜与望远镜光轴垂直。 a c b

43、 十字反射像在比较叉丝下方十字反射像与比较叉丝重合 十字反射像在比较叉丝上方 cb图2-6十字反射像的位置调整示意图旋转载物台180°，望远镜倾斜螺钉与平面镜前载物台底脚螺钉各调一半，使“十”反射像与比较叉丝重合。重复上述步骤，使旋转载物台180°前后，“十”反射像均与比较叉丝重合，则说明望远镜的主光轴已垂直于分光计的主轴.（在后面的调节中不能再调望远镜倾斜螺钉的高低位置!）（4）调节平行光管产生平行光, 其光轴与望远镜光轴等高共面。利用前面已调整好的望远镜来调节平行光管，如果平行光管发出平行光，就能在望远镜视场中看到清晰的狭缝像。开启汞灯，转动望远镜对准平行光管，寻找（白

44、色）狭缝像，拧松狭缝制动螺丝10，伸缩调节狭缝和平行光管物镜间的距离，使从望远镜中看到清晰的狭缝像，。这时狭缝位于物镜的焦平面上，平行光管发出平行光。调狭缝宽度（螺丝11）使狭缝像清晰、细锐、明亮。使狭缝转动90°，调节平行光管倾斜度调节螺丝9，使水平狭缝像与中心叉丝重合；再旋转狭缝90° ，使狭缝像竖直。此时平行光管主光轴与望远镜光轴等高共面。（5）载物台面垂直于分光计的中心轴固定望远镜位置,将三棱镜按照图2-5放置在载物台上（载物台下任意两个底脚螺钉的连线垂直于三棱镜的一个光学表面），采用“距离减半”方法调整。即转动载物台使三棱镜的光学表面正对望远镜,在望远镜内寻找光学

45、表面反射的绿十字叉丝像，调整光学表面正前下方载物台底脚螺钉b1，使反射叉丝像与比较叉丝之间距离减半，然后转动载物台使三棱镜的光学表面正对望远镜，调整光学表面正前下方载物台底脚螺钉b2，使反射叉丝像与比较叉丝之间距离减半，反复多次直至两个光学表面的反射叉丝像均与比较叉丝重合，此时载物台面垂直于分光计的中心轴。二、反射法测三棱镜顶角三、自准直法测三棱镜顶角 实验记录 1.反射法测定三棱镜顶角分光计编号 仪= 次数AB面反射狭缝像光线位置AC面反射狭缝像光线位置A左游标右游标左游标右游标123452.自准直法测三棱镜顶角 分光计编号 仪= 次数望远镜光轴与AB面垂直望远镜光轴与AC面垂直A左游标右游

46、标左游标右游标12345 思考题1.分光计由哪些部分组成，各部分的作用是什么？2.调整分光计的主要步骤是什么？3.当你观察到什么现象时就能判定望远镜已适合观察平行光？为什么？4.借助于平面镜调节望远镜光轴与分光计主轴垂直时，为什么要使载物台旋转180°？5.用分光计测量角度时，为什么左右两游标都要读读数，这样做的目的是什么？6.调整望远镜光轴与光学测角仪中心相垂直中为什么要用各半调节法？实验三 用分光计测定玻璃棱镜折射率实验目的及要求 1.熟悉分光计的使用，掌握测量最小偏向角的方法，2.测定棱镜对不同波长入射光的折射率。实验原理玻璃的折射率可以用很多方法和仪器测定，方法和仪器的选择取

47、决于对测量结果精度的要求。在分光计上用最小偏向角法测定玻璃的折射率，可以达到较高的精度。但此法需把待测材料磨成一个三棱镜。如果是测液体的折射率，可用平面平行玻璃板做一个中空的三棱镜，充入待测的液体，然后用类似的方法进行测量。图25-1三棱镜色散示意图图3-1三棱镜色散示意图一束平行的复色光入射到三棱镜的光学表面AB面，经两次折射后形成不同颜色不同偏向角的光谱线，由另一光学表面AC面射出，如图3-1所示。入射光和AB面法线的夹角称为入射角，出射光和AC面法线的夹角称为出射角，入射光和出射光的夹角称为偏向角。理论证明，当入射角等于出射角时，入射光和出射光之间的夹角最小，称为最小偏向角。由图3-1的

48、几何关系和折射定律可得： （3-1） 由（3-1）式可知，只要测出三棱镜顶角A和最小偏向角，就可以计算出三棱镜玻璃对该波长入射光的折射率。通常在不考虑色散的情况下，介质折射率指的是相对钠黄光（）而言。三棱镜的顶角A和各色散谱线的最小偏向角由分光计测定。实验仪器及用具JJY-1型分光计，光源（汞灯），双面平面镜，三棱镜。实验内容及步骤一、调整分光计处于正常工作状态（具体步骤见实验二所述）1.望远镜能够接收平行光（或调焦到无穷远处）,且其光轴垂直于分光计的中心轴。2.平行光管能够发出平行光,且其光轴与望远镜光轴等高共面。3.载物台面垂直于分光计的中心轴。二、寻找并测量各级光谱线的最小偏向角1.在调

49、好分光计的基础上(不要取下三棱镜!),锁紧游标盘,转动载物台(连同三棱镜)，使平行光管发出的平行光斜入射AB光学表面,转动望远镜（与度盘联动！）在AC光学面的对称位置寻找色散光谱线（如图3-2所示）.图3-2最小偏向角测量示意图2.确定最小偏向角位置。将载物台(连同三棱镜)稍稍转动，改变入射光对光学面AB的入射角i，出射光方向随之而变，则偏向角将发生变化。这时在望远镜中看到的色散光谱线会随之移动，判断此时偏向角是增大还是减小，然后转动载物台使待测光谱线向偏向角减小的方向移动（转动望远镜同步跟踪）。当载物台转到某个位置时，待测光谱线偏向角不但不再减小，反而向相反方向移动（偏向角增大），这个转折位

50、置就是待测光谱线最小偏向角的位置。锁紧载物台,转动望远镜，使望远镜视场中的中心叉丝竖线与待测光谱线重合。3.读出此时左右两游标的角度位置，此位置就是对应最小偏向角时出射光的角位置；转动望远镜,使望远镜视场中的中心叉丝竖线与入射光(白狭缝像)重合，并读出此时左右两游标的角度位置，此位置就是入射光线的角位置。则待测光谱线的最小偏向角 4重复上述步骤(2)和(3),分别测量出汞紫、绿和黄1的最小偏向角。重复5次，计算三棱镜相对汞紫、绿和黄1的折射率及不确定度。数据记录分光计编号 三棱镜编号 仪= 入射光入射光位置出射光位置左游标右游标左游标右游标汞绿实验四 用双棱镜测定光波波长实验目的及要求1.观察

51、双棱镜产生的光的干涉现象,掌握获得双光束干涉的一种方法。2. 进一步理解干涉的条件，学会用双棱镜测定光波波长。实验原理 图4-1双棱镜干涉光路图xxp1p2ABSS1S2o如果两列频率相同的光波沿着几乎相同的方向传播 , 并且这两列光波的位相差不随时间而变化 , 那么在两列光波相交的区域内 , 光强的分布是不均匀的 , 在某些地方表现为加强 , 在另 - 些地方表现为减弱 ( 甚至可能为零 ), 这种现象称为光的干涉 。菲涅耳利用下图所示装置 , 获得了光的干涉现象 。图4-1中由单色光源M 发出的光束经透镜 L 会聚于狭缝 S, 使 S 成为具有较大亮度的线状光源， 实际光路中常常省略透镜L，由单色光源M直接照亮狭缝 S。当由 S 发出的光束投射到双棱镜 AB 上时，折射形成两束光 。透过双棱镜观察就好象它们是由虚光源和发出的 .由于这两束光来自同一光源 , 满足相干条件 , 故在两束光相互交叠区域 内产生干涉 , 形成平行于狭缝的等间距的明暗相间的干涉直条纹 .为了提高干涉条纹的清晰度 , 要求狭缝 S 的宽度和两虚