光学试验预备知识光学试验是普通物理试验的一个重要部分这里先.docx

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光学试验预备知识光学试验是普通物理试验的一个重要部分这里先

光学实验预备知识

光学实验是普通物理实验的一个重要部分。

这里先介绍光学实验中经常用到的知识和调节环节。

初学者在做实验前应认真阅读这些内容，并且在实验中遵守有关规则和灵活运用有关知识。

一、光学元件和仪器的维护

透镜、棱镜等光学元件，大多数是用光学玻璃制成的，它们的光学表面都是经过仔细研磨和抛光，有些还镀有一层或多层薄膜。

对这些元件或其材料的光学性能（如折射率、反射率、透射率等）都有一定要求，但它们的机械性能和化学性能可能较差，若使用和维护不当，则会降低光学性能甚至损坏报废。

造成损坏的常见原因有：

摔坏、磨损、污损、发霉、腐蚀等。

为了安全使用光学元件和仪器，必须遵守以下规则：

1、必须在了解仪器的操作和使用方法后方可使用。

2、轻拿轻放，勿使仪器或光学元件受到冲击或震动，特别要防止摔落。

不使用的光学元件应随时装入专用盒内并放入平台的箱子里，最好放入干燥器中保存。

3、切忌用手接触元件的光学表面。

如必须用手拿光学元件，只能接触其磨沙面，如棱镜的边缘、棱镜的上下底面等。

见图1。

图1手持光学元件的方式

Ⅰ—光学面，Ⅱ—磨砂面

4、光学表面如有灰尘，用实验室专备的干燥脱脂棉轻轻拭去或用橡皮球吹掉。

5、光学表面上若有轻微的污痕或指印，用清洁的镜头纸轻轻拂去，但不要加压擦拭，更不准用手帕、普通纸片、衣服等擦拭。

若表面有较严重的污痕或指印，应由实验室人员用丙酮或酒精清洗。

所有镀膜面均不能接触或擦拭。

6、防止唾液或其它溶液溅落在光学表面上。

7、调整光学仪器时，要耐心细致，一边观察一边调整，动作要轻、慢，严禁盲目及粗鲁操作。

8、仪器用完后应放回箱内或加罩，防止灰尘玷污。

二、消视差

光学实验中经常要测量像的位置和大小，经验告诉我们，要测准物体的大小，必须将量度标尺与被测物体紧贴在一起。

如果标尺远离被测物体，读数将随眼睛的位置不同而有所改变，难以测准，如图2所示。

可是在光学实验中被测物往往是一个看得见摸不着的像，怎样才能确定标尺和待测像是紧贴在一起的呢？

利用“视差”现象可以帮助我们解决这个问题。

为了认识“视差”现象，我们可做一个简单实验：

双手各伸出一只手指，并使一指在前，一指在后相隔一定距离，且两指平行。

用一只眼睛观察，当左右（或上下）晃动眼睛时（眼睛移动方向应与被观察手指垂直），就会发现两指间有相对移动，这种现象称为“视差”。

而且还会看到离眼近者，其移动方向与眼睛移动方向相反；离眼远者则与眼睛移动方向相同。

若将两指紧贴在一起，则无上述现象，即无“视差”。

由此可以利用视差现象来判断待测像与标尺是否紧贴。

若待测像和标尺间有视差，说明它们没有紧贴在一起，则应该稍稍调节像或标尺位置，并同时微微晃动眼睛观察，直到它们之间无视差后方可进行测量。

在光学实验中，“消视差”常常是测量前必不可少的操作步骤。

图2眼睛位置不同所得测量结果不同

三、共轴调节

光学实验中经常要用一个或多个透镜成像。

为了获得质量好的像，必须使各个透镜的主光轴重合（共轴），并使物体位于透镜的主光轴附近。

此外透镜成像公式中的物距、像距等都是沿主光轴计算长度的，为了测量准确，必须使透镜的主光轴与带有刻度的标尺平行，因此要进行共轴调节。

具体调节方法如下：

1、粗调。

将光源、物和透镜靠拢，调节它们的取向和高低左右位置，凭眼睛观察，使它们的中心处在一条和标尺平行的直线上，使透镜的主光轴与标尺平行，并且使物和成像平面与平台垂直。

因调节效果与实验者的经验有关，称为粗调。

2、细调。

这一步骤要靠其他仪器或成像规律来判断和调节，不同的装置可能有不同的具体调节方法，以物与单个凸透镜共轴的调节方法为例。

使物体与单个凸透镜共轴实际上是指将物上某一点调到主光轴上。

首先要知道如何判断物上的点是否在透镜的主光轴上。

根据凸透镜成像规律即可判断。

如图3所示，当物AB与像屏之间的距离b大于4f时，将凸透镜光轴移到O1或O2位置都能在屏上成像，一次成大像A1B1，一次成小像A2B2。

物点A位于光轴上，则两次像的A1和A2点都在光轴上而且重合。

物点B不在光轴上，则两次像的B1和B2一定都不在光轴上，而且不重合。

但是，小像的B2点总是比大像的B1点更接近光轴。

图3共轴调节的光路图

可见，若要将B点调到凸透镜光轴上，只需记住像屏上小像的B2点位置（可用坐标纸作参照物），调节透镜（或物）的高低左右，使B1向B2靠拢。

反复调节几次直到B1与B2重合，说明B点已调到透镜的主光轴上了。

若要调多个透镜共轴，则应先将物上B点调到一个凸透镜的主光轴上，然后，同样根据轴上物点的像总在轴上的原理，逐个增加待调透镜，调节它们使其与第一个透镜共轴。

实验一用自准法测薄凸透镜焦距

一、实验目的

（1）掌握简单光路的分析和调整方法

（2）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的焦平面上，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S

2、品字形物象屏P：

SZ-14

3、凸透镜L：

f=190mm（f=150mm）

4、二维调整架：

SZ-07（两个）

5、平面反射镜M

6、通用底座：

SZ-04（三个）

7、二维底座：

SZ-02

四、仪器实物图及原理图

图4实物及原理图

五、实验步骤

1、把全部元件按图4的顺序摆放在平台上，靠拢，调至共轴，而后拉开一定距离，可调成图4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a1,a2。

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b1,b2。

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、可选择更多规格的透镜进行实验。

六、数据处理

被测透镜焦距为：

实验二用位移法测薄凸透镜焦距

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，距屏的距离，根据光路可逆的原理，这两个位置是“对称”的。

即，则：

而，把结果代入透镜的牛顿公式，得到透镜的焦距为：

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S

2、品字形物象屏P：

SZ-14

3、凸透镜L：

f=190mm（f=150mm）

4、二维调整架：

SZ-07

5、白屏H

6、通用底座：

SZ-04（三个）

7、二维底座：

SZ-02

四、仪器实物图及原理图（见图5）

五、实验步骤

1、把全部元件按图5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和像屏H之间的距离l大于4倍焦距。

2、沿标尺前后移动凸透镜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a1。

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a2。

4、将P、L、H都转180度，重复做前三步，又得到L的两个位置b1,b2。

5、分别把f=150mm和f=190mm的透镜各做一遍，比较实验值和真实值的差异，并分析其原因。

6、可选择更多规格的透镜进行实验。

图5实物及原理图

六、数据处理

被测透镜焦距为：

实验三自组望远镜

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。

目镜起放大镜的作用，把这个倒立的实像再放大成一个正立的像，如图6所示。

三、实验仪器

1、带有毛玻璃的白炽灯光源S

2、毫米尺F，L=7mm

3、物镜L0：

f0=225mm）

4、二维调整架：

SZ-07（两个）

5、测微目镜Le：

（去掉其物镜头的读数显微镜）

6、读数显微镜架：

SZ-38

7、通用底座：

SZ-04（四个）

8、白屏：

SZ-13

四、仪器实物图及原理图（见图6）

图6实物及原理图

五、实验步骤

1、把全部元件按图6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L0,使一只眼睛看到清晰的分划板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、L0、Le的位置a、b、d。

5、去Le，用屏H找到F通过L0所成的像，读出H的位置c。

六、数据处理

望远镜的测量放大率：

望远镜的计算放大率：

其中，见图中所示。

实验四自组投影系统

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和透镜L1、L2构成的聚光镜。

聚光镜的作用一方面是：

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的像；一旦插入幻灯片后，能够在屏幕上单独出现幻灯图片的清晰像。

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，即聚光镜使光源成实像，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镜前面靠近L2的地方，而光源则置于聚光镜后2倍于聚光镜焦距之处。

聚光镜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镜前后是对称的，而在物镜平面上的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S

2、聚光镜L1：

f1=50mm

3、二维调整架：

SZ-07（两个）

4、幻灯底片P

5、干板架：

SZ-12

6、放映物镜L2:

f2=190mm

7、白屏H：

SZ-13

8、三维底座：

SZ-01

9、一维底座：

SZ-03（二个）

10、通用底座：

SZ-04

11、二维底座：

SZ-02

四、仪器实物图及原理图

图7实物及原理图

五、实验步骤

1、把全部仪器按图7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，并记下所有仪器的位置，并算出的大小。

5、把聚光镜L1拿去，再观察像面上的亮度和照度的均匀性。