光学基础实验指导书

1、目录实验一用自准法测薄凸透镜焦距f (2实验二用位移法测薄凸透镜焦距f (4实验三目镜焦距f e的测量 (6实验四自组显微镜 (8实验五自组望远镜 (10实验六自组透射式幻灯机(投影系统 (12实验七测节点位置及透镜组焦距 (14实验八自组加双波罗棱镜的正像望远镜 (17实验九杨氏双缝干涉 (19实验十菲涅尔双棱镜干涉 (22实验十一菲涅尔双面反射镜干涉 (25实验十二洛埃镜干涉 (28实验十三牛顿环装置 (30实验十四夫郎和费单缝衍射 (33实验十五夫郎和费圆孔衍射 (36实验十六菲涅尔单缝衍射 (38实验十七菲涅尔圆孔衍射 (39实验十八菲涅尔直边衍射 (41实验十九偏振光分析 (43实验

2、二十棱镜摄谱仪 (49实验二十一光栅单色仪 (51实验二十二全息照相 (54实验二十三制作全息光栅 (59实验二十四阿贝成像原理和空间滤波 (62实验二十五调制和颜色合成 (66实验二十六测量空气折射率 (68*实验二十七等倾干涉 (72*实验二十八法布里珀罗干涉 (76实验二十九迈克尔逊干涉仪的调节和使用 (80实验一用自准法测薄凸透镜焦距f (测量实验一、实验目的掌握简单光路的分析和调整方法了解、掌握自准法测凸透镜焦距的原理及方法二、实验原理当发光点(物处在凸透镜的焦平面时,它发出的光线通过透镜后将成为一束平行光。若用与主光轴垂直的平面镜将此平行光反射回去,反射光再次通过透镜后仍会聚于透镜

3、的焦平面上,其会聚点将在发光点相对于光轴的对称位置上。三、实验仪器1、带有毛玻璃的白炽灯光源S2、品字形物象屏P:SZ-143、凸透镜L:f=190mm(f=150mm4、二维调整架:SZ-075、平面反射镜M6、二维调整架:SZ-077、通用底座:SZ-048、二维底座:SZ-029、通用底座:SZ-0410、通用底座:SZ-04四、仪器实物图及原理图 图一五、实验步骤1、把全部元件按图一的顺序摆放在平台上,靠拢,调至共轴。而后拉开一定的距离。可调成如图一所示的距离2、前后移动凸透镜L ,使在物像屏P 上成一清晰的品字形像。3、调M 的倾角,使P 屏上的像与物重合。4、再前后微动透镜L ,使

4、P 屏上的像既清晰又与物同大小。5、分别记下P 屏和透镜L 的位置a 1、a 2。6、把P 屏和透镜L 都转180度,重复做前四步。7、再记下P 和L 的新位置b 1、b 2。8、分别把f=150mm 和f=190mm 的透镜各做一遍,并比较实验值和真实值的差异,并分析其原因。9、老师可选择更多规格的透镜进行实验。(选做 六、数据处理12a a f a -= 12b b f b -= 被测透镜焦距:2/(b a f f f +=七、实验报告要求根据实验测试进行记录和数据处理,并分析实验现象。实验二 用位移法测薄凸透镜焦距f (测量实验一、实验目的了解、掌握位移法测凸透镜焦距的原理及方法 二、实

5、验原理对凸透镜而言,当物和像屏间的距离L 大于4倍焦距时,在它们之间移动透镜,则在屏上会出现两次清晰的像,一个为放大的像,一个为缩小的像。分别记下两次成像时透镜距物的距离O 1、O 2(e=|O 1-O 2|,距屏的距离O 1'、O 2'根据光线的可逆性原理,这两个位置是“对称”的。即O 1=O 2',O 2=O 1'则:L -e= O 1 +O 2'=2O 1=2O 2'O 1=O 2'=(L -e/2而O 1'= L -O 1=L -(L -e/2=(L+e/2 把结果带入透镜的牛顿公式1/s+1/s'=1/f 得到透

6、镜的焦距为L e L f 4/(22-=由此便可算得透镜的焦距,这个方法的优点是,把焦距的测量归结为对于可以精确测定的量L 和e 的测量,避免了在测量u 和v 时,由于估计透镜中心位置不准确所带来的误差。三、实验仪器1、带有毛玻璃的白炽灯光源S2、品字形物像屏P :SZ-143、凸透镜L : f=190mm(f=150mm4、二维调整架: SZ-075、白屏H : SZ-136、通用底座: SZ-047、二维底座: SZ-028、通用底座: SZ-049、通用底座: SZ-04 四、仪器实物图及原理图(见图二五、实验步骤1、把全部器件按图二的顺序摆放在平台上,靠拢后目测调至共轴,而后再使物屏P

7、 和像屏H 之间的距离l 大于4倍焦距。2、沿标尺前后移动L ,使品字形物在像屏H 上成一清晰的放大像,记下L 的位置a 1。3、再沿标尺向后移动L ,使物再在像屏H 上成一缩小像,记下L 的位置a 2。4、将P 、L 、H 转180度,重复做前三步,又得到L 的两个位置b 1、b 2。5、分别把f=150mm 和f=190mm 的透镜个做一遍,并比较实验值和真实值的差异并分析其原因。6、老师可选择更多规格的透镜进行实验。(选做 六、数据处理21a a e a -= ,21b b e b -=l e l f a a 4/(22-= ,l e l f b b 4/(22-=透镜焦距:2/(b a

8、 f f f += 七、实验报告要求根据实验测试进行记录和数据处理,并分析实验现象。实验三目镜焦距f e的测量(测量实验一、实验目的了解、掌握用测量物像放大率来求目镜焦距f e的原理及方法二、实验原理焦距的测量可以归结为测量焦点到光学系统的某一指定点的距离。测量焦距时,常用到牛顿公式:''=。x x f f若物空间和像空间的光学介质相同,则'2=。x x f线放大率:'''m y y f x x f=-=-。/三、实验仪器1、带有毛玻璃的白炽灯光源S2、1/10mm分划板F3、二维调整架:SZ-074、被测目镜Le(fe=14mm5、可变口径二维

9、架:SZ-056、测微目镜L(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 图三五、实验步骤1、把全部器件按图三的顺序摆放在平台上,靠拢后目测调至共轴。2、在F 、Le 、L 的底座距离很小的情况下,前后移动Le ,直至在测微目镜L 中看到清晰的1/10mm 的刻线,并使之与测微目镜中的标尺(mm 刻线无视差。3、测出1/10mm 刻线的宽度,求出其放大倍率m 1,并分别记下L 和Le 的位置a 1、b 1。4、把测微目镜L 向后移动3040mm ,再慢慢向前移动Le ,直至在测微目镜

10、L 中又看到清晰且与毫米标尺刻线无视差的1/10mm 的刻线像。5、再测出像宽,求出m 2,记下L 和Le 的位置a 1、b 2。 六、数据处理m x =(像宽/实宽÷20 (20为微测目镜的放大倍数像距改变量:(1221b b a a S -+-= 被测目镜焦距:12m m Sf e -=七、实验报告要求根据实验测试进行记录和数据处理,并分析实验现象。实验四自组显微镜(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L o的焦距f o很短,将F1放在它前面距离略大于f o的位置,F1经L o后成一放大实像F1,然后再用目

11、镜L e作为放大镜观察这个中间像F1,F1应成像在L e的第一焦点F e 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:f o=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180m

12、m 。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f o 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:(250/(o e M f f =其中:E O F F -=,见图示。本实验中的fe=250/20(计算方法可参考光学书籍七、实验报告要求根据实验测试进行记录和数据处理,并分析实验现象。实验五自组望远镜(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,

13、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:f o=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

14、,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'=M21121122''/'''/(A B U U V U A B AB U V U AB U +=+ 又11''V A B AB U =111212(/(M V U V U U U =+ 望远镜的测量放大率:M=e望

15、远镜的计算放大率: 111212(/(M V U V U U U =+其中:U 1=b-a ,V 1=c-b ,U 2=d-c ,AB 、A'B'见图中所示。七、实验报告要求根据实验测试进行记录和数据处理,并分析实验现象。实验六自组透射式幻灯机(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

16、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

17、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

18、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

19、物镜的焦距:2221/(D M M f += 聚光镜的焦距:21111/(1/(+-+=M D M D f其中:222V U D +=、111V U D +=、iii U V M =(2,1=i 为像的放大率 ii ii i V U V U f +=(2,1=i 七、实验报告要求根据实验测试进行记录和数据处理,并分析实验现象。 图六实验七测节点位置及透镜组焦距(测量实验一、实验目的了解透镜组节点的特性,掌握测透镜组节点的方法。二、实验原理光学仪器中的共轴球面系统、厚透镜、透镜组,常把它作为一个整体来研究。这时可以用三对特殊的点和三对面来表征系统在成像上的性质。若已知这三对点和三对面的位置,则可

20、用简单的高斯公式和牛顿公式来研究起成像规律。共轴球面系统的这三对基点和基面是:主焦点(F,F'和主焦面,主点(H,H'和主平面,节点(N,N'和节平面。如附图1, 附图2实际使用的共轴球面系统透镜组,多数情况下透镜组两边的介质都是空气,根据几何光学的理论,当物空间和像空间介质折射率相同时,透镜组的两个节点分别与两个主点重合,在这种情况下,主点兼有节点的性质,透镜组的成像规律只用两对基点(焦点,主点和基面(焦面,主面就完全可以确定了。根据节点定义,一束平行光从透镜组左方入射,如附图2,光束中的光线经透镜组后的出射方向,一般和入射方向不平行,但其中有一根特殊的光线,即经过第

21、一节点N的光线PN,折射后必须通过第二节点N'且出射光线N'Q平行与原入射光线PN。设NQ与透镜组的第二焦平面相交于F''点。由焦平面的定义可知,PN方向的平行光束经透镜组会聚于F''点。若入射的平行光的方向PN与透镜组光轴平行时,F''点将与透镜组的主焦点F'重合,如附图3 附图3综上所述节点应具有下列性质:当平行光入射透镜组时,如果绕透镜组的第二节点N'微微转过一个小角 ,则平行光经透镜组后的会聚点F'在屏上的位置将不横移,只是变得稍模糊一点儿,这是因为转动透镜组后入射于节点N的光线并没有改变原来入射的

22、平行光的方向,因而NQ的方向也不改变,又因为透镜组是绕N'点转动,N点不动,所以N'Q线也不移动,而像点始终在N'Q线上,故F''点不会有横向移动,至于NF''的长度,当然会随着透镜组的转动有很小的变化,所以F''点前后稍有移动,屏上的像会稍有模糊一点。反之,如果透镜组绕N'点以外的点转动,则F''点会有横向移动,利用节点的这一特性构成了下面的测量方法。使用一个能够转动的导轨,导轨侧面装有刻度尺,这个装置就是节点架。把透镜组装在可以旋转的节点架导轨的上,节点架前是一束平行光,平行光射向透镜组。接着将

23、透镜组在节点架上前后移动,同时使架做微小的转动。两个动作配合进行,直到能得到清晰的像,且不发生横移为止。这时转动轴必通过透镜组的像方节点N',它的位置就被确定了。并且当N'与H'重合时,从转动轴到屏的距离为N' F',即为透镜组的像方焦距f。把透镜组转180度,使光线由L2进入,由L1射出。利用同样的方法可测出物方节点N的位置。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:f o=190mm5、二维调整架:SZ-076、透镜组L1、L2:f1=220mm,f2=300mm7、节点架:SZ-258

24、、微测目镜Le(去掉其物镜头的读数显微镜9、读数显微镜架: SZ-3810、三维底座:SZ-0111、一维底座:SZ-0312、一维底座:SZ-0313、一维底座:SZ-0314、通用底座:SZ-0415、白屏:SZ-13四、仪器实物图及原理图 图七五、实验步骤1、调节由F,Lo组成的“平行光管”使其出平行光,可借助于对无穷远调焦的望远镜来实现。2、将“平行光管”、待测透镜组、测微目镜,按图七的顺序摆放在平台上,目测调至共轴。3、前后移动测微目镜,使之能看清F处分划板刻线的像。4、沿节点调节架导轨前后移动透镜组,(同时也要相应地移动测微目镜,直至转动平台时,F处分划板刻线的像无横向移动为止,此

25、时像方节点N落在节点调节架的转轴上。5、用白色屏H代替测微目镜,使分划板刻线的像清晰的成于白色屏上,分别记下屏和节点调节架在标尺导轨上的位置a、b,再在节点调节架的导轨上记下透镜组的中心位置(用一条刻线标记与调节架转轴中心(0刻线的位置的偏移量d。6、把节点调节架转180度,使入射方向和出射方向相互颠倒,重复3、4、5步,从而得到另一组数据a、b、d。六、数据处理1、像方节点N偏离透镜组中心的距离为:d透镜组的像方焦距:f=a-b物方节点N偏离透镜组中心的距离为:d透镜组的物方焦距为:f=a-b2、用1:1的比例画出该透镜组及它的各个节点的相对位置。七、实验报告要求根据实验测试进行记录和数据处

26、理,并分析实验现象。实验八自组加双波罗棱镜的正像望远镜(演示实验一、实验目的了解双波罗棱镜的正像原理及其作用,进一步掌握望远镜系统的调节。二、实验原理(一望远镜的形式主要是根据目镜形式不同而分成两类:1、目镜为正透镜组的望远镜,称之为开普勒望远镜。因其视觉放大率为负值,故像为倒像。2、目镜为负透镜组的望远镜,称之伽利略望远镜。因其视觉放大率为正值,故像为正像。(二利用开普勒望远镜需加一转像系统,使像成为正像。常用的转像系统有:1、透镜转像系统2、棱镜转像系统(1倒威棱镜(2屋脊棱镜(3复合棱镜:由两个或两个以上的普通棱镜组成的棱镜转像系统称之为复合棱镜。波罗棱镜就是其中的一种,它在双筒望远镜中

27、起倒像作用。三、实验仪器1、带有毛玻璃的白炽灯光源S2、物屏P:SZ-143、物镜Lo:f o=300mm4、二维调整架:SZ-075、正象(波罗棱镜:SZ-276、微测目镜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、一维底座:SZ-0312、通用底座:SZ-04四、仪器实物图及原理图(见图八五、实验步骤1、把全部仪器按照图八的顺序摆放在平台上,靠拢后目测调至共轴。2、用Lo、Le组成倒像望远镜,对字物调焦,记清字像倒正方向。3、在Lo的像前方,放置双波罗棱镜使光从俯视方向为三角形的方向入射,经过四

28、次反射后,由另一片镜子射出。(如图所示4、调节Le的高度和其位置,使能清楚地看到字物正立的像。六、实验报告要求根据实验测试进行记录,并分析实验现象。 图八实验九 杨氏双缝干涉 (测量实验一、实验目的观察双缝干涉现象及测量光波波长 二、实验原理用两个点光源作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4所示,在普通单色光源(如钠光灯前面放一个开有小孔S 的,作为单色点光源。在S 照

29、明的范围内的前方,再放一个开有两个小孔的S 1和S 2的屏。S 1和S 2彼此相距很近,且到S 等距。根据惠更斯原理,S 1和S 2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 ,S 1和S 2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4 杨氏实验原理图参看附图4,设两个双缝S 1和S 2的间距为d

30、 ,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S 1和S 2到S 的距离相等,S 1和S 2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L 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S 1和S 2连线的中心,x 轴的方向为S 1和S 2连线方向,假定屏幕上任意点P 的坐标为(x,y,D ,那么S 1和S 2到P 点的 距离r 1和r 2分别写为: 1122r S p r S p = (1 由上两式可以得到22212r r xd -=若整个装置放在空气中,则相干光到达P 点的光程差为: 21122xdL r

31、r r r =-=+在实际情况中, d,这时如果x和y也比D小的多(即在z轴附近观察则有122r r D+。在次近似条件下上式变为:xd L D=(2 再由光程差判据(L p=0(0,1,2,.m m=±±,p为光强极大处。(L p=01(0,1,2,.2m m+=±±,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:(0,1,2.mD x m d=±±(3 干涉极小的位置是:1(0,1,2.2D x m m d=+=±±(4 相邻两极大或两极小值之间的间距为干涉条纹间距,用x 来表示,它反映了条纹的疏密程度

32、。由(3式的相干条纹的间距为D x d=(5 变换可得:xd D=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1、钠光灯(可加圆孔光栏2、凸透镜L:f=50mm 3、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(见图九五

33、、实验步骤1、把全部仪器按照图十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 。六、数据处理利用已知双缝间距,在把测出的x 和D 代入到公式xdD=中求出波长。把实验值和真实值进行比较,并找出误差原因。 图九七、实验报告要求根据实验测试进行记录和数据处理,并分析实验现

34、象。八、注:多缝板的规格。 实验十 菲涅尔双棱镜干涉 (测量实验一、实验目的观察双棱镜干涉现象及测定光波波长 二、实验原理利用光的干涉现象进行光波波长的测量,首先要获得两束相干光,使之重叠形成干涉,干涉条纹的空间分布既跟条纹与相干光源之间的相对位置有关,又跟光波波长有关,从它们之间的关系式就能测出光波波长。本实验利用双棱镜获得两束相干光,如附图5所示,双棱镜是由两块底边相接、折射棱角小于1度的直角棱镜组成的,从单缝S 发出的单色光的波阵面,经双棱镜折射后形成两束互相重叠的光束,它们相当于从狭缝S 的两个虚像S 1 和S 2射出的两束相干光。于是在波束重叠的区域内产生了干涉,在该区域内放置的屏上

35、可以观测到干涉条纹。 附图5如附图6所示,设S 1与S 2的间距为d ,缝S 至观察屏的距离为D ,O 为观察屏上距S 1和S 2等距的点,由S 1和S 2射来的两束光在O 点的光程差为零,故在O 点处两光波互相加强形成零级亮条纹,而在O 点两侧,则排列着明暗相间的等距干涉条纹。 附图6对于屏上距O 点 为x 的P 点。当D>>d 。D>>x 时,有/d=x/SP 因为SP D故/d x/D 即=xd/D根据相干条件,当光程差满足:(1=2k(2时,即在x=Dd k 处(k=0、1、2、,产生亮条纹。(2=(2k-12时,即在x=D d (2k-12处(k=0、1、2、

36、,产生暗条纹。因此,两相邻亮条纹(或暗条纹间的距离为干涉条纹的间距为: x=x k+1-x k =D d d 两个狭缝中心的间距 单色光波波长D 狭缝屏到观测屏(微测目镜焦平面的距离 从实验中测得D ,d 以及x ,即可由上式算出波长。三、实验仪器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、二维调整架: SZ-076、菲涅尔双棱镜:7、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-38 9、三维底座: SZ-01 10、二维底座: SZ-02 11、一维底座: SZ-03 12、一维底座: SZ-0

37、313、凸透镜L : f=150mm 14、二维调整架: SZ-07 15、通用底座: SZ-01四、仪器实物图及原理图(见图十五、实验步骤1、把全部仪器按照图十的顺序在平台上摆放好(图上数值均为参考数值,并调成共轴系统。钠光灯(可加圆孔光栏经透镜L 聚焦于狭缝上。调节单缝和双棱镜的棱脊平行,而且由单缝射出的光对称地照在棱脊的两侧。2、用白屏H 或直接用眼睛观测到干涉条纹后,再用微测目镜中观测。使相干光束处在目镜视场中心,并调节单缝和棱脊的平行度,使干涉条纹最清晰。双棱镜干涉图样,应为等间隔的明暗相间的干涉条纹。3、用微测目镜测出干涉条纹的间距x ,测出单缝到微测目镜叉丝分划板的距离D ,再用

38、二次成像法测出两个虚光源的间距d ,由x=x k+1-x k =Dd便可求出光波的波长,并与钠灯的波长实际值比较,分析误差原因。(二次成像法,在数据处理中有讲解。六、数据处理二次成像法:保持图中狭缝、双棱镜的位置不动,加入一已知焦距f=150的透镜放在双棱镜后,使单缝与微测目镜间的距离D>4f ,移动透镜成像时,可以在两个不同的位置上,从目镜中看到一大一小两个清晰的缝像(既虚光源S 1、S 2的像,测出两个清晰的像间距d 1及d 2,根据物象公式,虚光源S 1、S 2的间距d=11'1s d s (第一成像。d=22'2s d s (第二次成像而s 1='2s ,

39、'1s =s 2,故21212''12(s sd d d s s = 即 d =代入公式/xd D =即可求出波长。 图十七、实验报告要求根据实验测试进行记录和数据处理,并分析实验现象。实验十一菲涅尔双面反射镜干涉(测量实验一、实验目的观察双平面干涉现象及测量光波波长二、实验原理如附图7所示的是双面镜装置是由两块平面反射镜M1和M2组成,两者间夹一很小的 附图7 菲涅尔双面镜角。S是与M1和M2的交线(图中以M表示平行的狭缝,用单色光照明后作为缝光源。从同一光源S发出的光一部在M1上反射,另一部分在M2上发射,所得到的两反射光是从同一入射波前分出来的,所以是相干的,在它

40、们的重叠区将产生干涉。对于观察者来说,两束相干光似乎来自S1和S2,S1和S2是光源S在两反射镜中的虚像,由简单的几何光学原理可证明,由S光源发出的,后被两反射镜反射的两束相干光在屏幕上的光程差与将S1、S2视为两相干光源发出两列相干光波到达幕上的光程差相=,亦可算出它同。与双棱镜实验相似,根据双棱镜的实验中推导出的公式/xd D 的波长。三、实验仪器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、双面镜6、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、二维底座:SZ-0210、一维底

41、座:SZ-0311、一维底座:SZ-0312、凸透镜:f=150mm13、HeNe激光器(632.8nm14、白屏H:SZ-1315、二维调整架:SZ-0716、通用底座:SZ-0117、通用底座:SZ-01四、仪器实物图及原理图 图十一(1图十一(2五、实验步骤1、把全部仪器按照图十一的顺序在平台上摆放好(图上数值均为参考数值,靠拢后目测调至共轴。而后放入双面镜。2、调节双面镜的夹角,使其与入光的夹角大约为半度,如图十一(2。(亦可用激光器替换钠灯,白屏H代替微测目镜,使细激光束同时打在棱边尽量靠近的双面镜的两个反射镜上,在远离双面镜交棱的白屏上看到干涉条纹。3、然后如图放入测微目镜,找到被

42、双面镜反射的光线。调节单缝的宽度并旋转单缝使它与双面镜的双棱平行,用测微目镜观察双平面反射镜干涉图样是等间距的明暗相间的干涉条纹。4、用微测目镜测出干涉条纹的间距x和D,D为双面镜交棱到狭缝、到测微目镜的距离之和,再用二次成像法测出两个虚光源的间距d由x=x k+1-x k=Dd便可求出光波的波长,并与钠灯的波长实际值比较,分析误差原因。六、数据处理利用同双棱镜相同的二次成像法测出虚光源的实像间距d1及d2,算出d值。 d=即可求出波长。代入公式/xd D七、实验报告要求根据实验测试进行记录和数据处理,并分析实验现象。实验十二洛埃镜干涉(测量实验一、实验目的观察洛埃镜干涉现象及测量光波波长二、

43、实验原理洛埃镜是由一块普通平板玻璃构成的反射镜,缝光源S与反射镜面平行。来自缝光源的光向反射镜掠入射(入射角接近90度,再从反射镜反射。这部分反射光与直接从S射来的光是从同波前分出的(如附图十,所以是相干的,两束光的重叠区将产生干涉。在屏上进行叠加,形成干涉条纹。从观察者看来,两束相干光分别来自S和'S,'S是光源S 在反射镜中的虚像。 附图8 洛埃镜从附图8中看出,两相干光波在幕上的重叠区是在B和C之间。显然,在幕上观察不到光程差为零的干涉条纹,除非将幕移到虚线所示的位置。此时,幕与反射镜相交处A离相干光源S和'S的几何距离相等。该处并不是亮条纹而是暗条纹(干涉极小,

44、这说明两相干光在A处的光振动具有相反的相位,这是因为光在掠入射条件下,在镜面上反射时要产生数值为的相位突变,这种相位突变相当于光波少走或多走了半个波长的光程,故称为半波损失。这样,使得幕上本来是亮条纹的地方变成了暗条纹。=,也可算出本实验与双棱镜实验相似,根据双棱镜的实验中推倒出的公式/xd D它的波长。三、实验仪器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、洛埃镜:SZ-296、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、二维底座:SZ-0210、一维底座:SZ-0311、一维

45、底座:SZ-0312、凸透镜:f=150mm13、二维调整架:SZ-0714、通用底座:SZ-01四、仪器实物图及原理图 图十二五、实验步骤1、把全部仪器按照图十二的顺序在平台上摆放好(图上数值均为参考数值。靠拢后调至共轴。2、钠光灯(可加圆孔光栏经透镜聚焦于狭缝上,将大致处于铅直方位的洛埃镜由狭缝一侧逐渐推向狭缝(如图中箭头所示,使入射光处于掠入射状态,同时用眼在掠反射方向上看去,将看到实缝S 与它对洛埃镜的虚像S 。随着洛埃镜的前推,S 与S 将逐渐靠拢,旋转时看到的S 与S 平行,估计二者间距约在2mm 左右的情况下,将洛埃镜的磁座固定住。3、目视或用激光器,找到被洛埃镜所反射的光路,把

46、测微目镜放在该光路上观察洛埃镜干涉图样,可以发现是等间距的明暗相间的干涉条纹。4、微测目镜测出干涉条纹的间距x ,和D ,D 为狭缝到测微目镜的距离,再用二次成像法测出两个虚光源的间距d 由x=x k+1-x k =Dd便可求出光波的波长,并与钠灯的波长实际值比较,分析误差原因。六、数据处理利用同双棱镜相同的二次成像法测出虚光源的实像间距d 1及d 2,算出d 值。 d =代入公式/xd D =即可求出波长。 七、实验报告要求根据实验测试进行记录和数据处理,并分析实验现象。实验十三 牛顿环装置 (测量实验一、实验目的观察等厚干涉现象,用干涉法测量透镜表面的曲率半径 二、实验原理一个曲率半径很大

47、的平凸透镜,以其凸面朝下,放在一块平面玻璃板上(如附图9,二者之间形成一层厚度由零逐渐增大的空气膜,若对透镜投射单色光,则空气膜下缘面与上缘面反射的光就会互相干涉。从透镜上看到的干涉花样是以玻璃接触点为中心的一组中央疏,边缘密的明暗相间的同心圆环条纹,这就是牛顿环。它是等厚干涉,与接触点等距离的空气厚度是相同的。 附图9从附图9来看,设透镜的曲率半径为R ,与接触点O 相距为r 处的膜厚为d ,其中几何关系为: 22222(2R R d r R R d d r=-+=-+ 因R>>d ,所以2d 可略去,得: 2/2d r R =光线应是垂直入射的,计算光程差时还要考虑光波在平面玻

48、璃上反射会有半波损失,从而带来/2的附加光程差,所以总的光程差为:2/2d =+产生暗环的条件是: (21 (m =0,1,2.2m =+ 其中m 干涉条纹的级数.综合上面的式子可得到第m 级暗环半径为: m r 从此式可见,只要波长为已知,测量出第m 级暗环半径r m ,即可得出平凸透镜的曲率半径R值。但是由于两镜面接触点之间难免存在着细微的尘埃,使光程差产生难以确定的变化,中央暗点就可变成亮点或若明若暗。再者,接触压力引起玻璃的变形会使接触点扩大成一个接触面,以致接近圆心处的干涉条纹也是宽阔而模糊的。这就给M 带来某种程度的不确定性。为了求得比较准确的测量结果,可以用两个暗环半径r m 和

49、r n 的平方差来计算曲率半径R。因 2m r m R=,2n r nR = 两式相减得 22m n r r mR nR -=-所以:22(m nr r Rm n-=-因m和n有着相同的不确定程度,利用m-n这一相对性测量恰好消除了由绝对测量的不确定性带来的误差。三、实验仪器1、钠光灯2、半透半反镜3、二维调整架:SZ-074、牛顿环5、牛顿环直立架:SZ-34-546、读数显微镜架: SZ-387、读数显微镜8、三维底座:SZ-019、通用底座:SZ-0410、一维底座:SZ-03四、仪器实物图及原理图 图十三五、实验步骤1、调节牛顿环装置三个螺钉,使接触点O大致在中心,螺钉的松紧程度合适,

50、太松则接触点不稳定,太紧则将镜压碎,将牛顿环置于牛顿环直立架上。2、把全部器件按图十三的顺序摆放在平台上,靠拢后目测调至共轴。3、点亮钠光灯,使钠光垂直射到半透半反镜上,调节半透半反镜的角度和位置。此时显微镜上看到明亮的视场,前后移动显微镜就可观察到等厚干涉同心圆环。六、数据处理可用测微目镜的鼓轮测出K =20、15、10、5牛顿环直径,用环差法:m-n=5,再由已知波长=5893Å和公式/(22n m r r R n m -=,可求得牛顿环透镜的曲率半径R (20-15,R (15-10和R (10-5,三个值求平均就可以得出牛顿环的曲率半径R的大小。 七、实验报告要求根据实验测试

51、进行记录和数据处理,并分析实验现象。实验十四 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a (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,OP 0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P 0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

52、线到达P 0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:sin BC a k = (1 2.k =±±, 时产生暗条纹;当满足:sin (21/2BC a k =+ (01 2.k =±±, 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

53、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S P1成像于观测屏S 上(如附图11,其中S 与S P1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S P2,屏S 上即出现夫郎和费衍射条纹。 附图11设狭缝S P2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x k 则 /k t g x b=由于角极小,因而sin tg 。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2x k 。由产生明条纹的公式可知:2(21k b x k a=+ 由此可见,为了求得入射光波长,须测量2k x

54、 ,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-38 9、三维底座: SZ-01 10、二维底座: SZ-02 11、一维底座: SZ-03 12、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

55、。(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bza=,而221kxzk=+2x k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azb=七、实验报告要求根据实验测试进行记录和数据处理,并分析实验现象。八、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。实验十五 夫郎和费圆孔衍射 (测量实验一、实验目的观察夫郎和费圆孔衍射图样 二、实验原理把实验十四的单缝衍射装置中的单缝以一小孔代替,应用钠灯光源,可以在透镜的焦平面上看到圆孔衍射图样,衍射图样是一组同心的明暗相间的圆环,可以证明以第一暗环为范围的中央亮斑的光强占整个入射光束光强的84%,这个中央光斑称为艾里斑。经计算可知,艾里斑的半角宽度为:11sin 0.61 1.22R D=式中D 是圆孔的直径。