光學基礎實驗指導書

1、目錄實驗一用自準法測薄凸透鏡焦距f (2實驗二用位移法測薄凸透鏡焦距f (4實驗三目鏡焦距f e的測量 (6實驗四自組顯微鏡 (8實驗五自組望遠鏡 (10實驗六自組透射式幻燈機(投影系統(tǒng) (12實驗七測節(jié)點位置及透鏡組焦距 (14實驗八自組加雙波羅棱鏡的正像望遠鏡 (17實驗九楊氏雙縫干涉 (19實驗十菲涅爾雙棱鏡干涉 (22實驗十一菲涅爾雙面反射鏡干涉 (25實驗十二洛埃鏡干涉 (28實驗十三牛頓環(huán)裝置 (30實驗十四夫郎和費單縫衍射 (33實驗十五夫郎和費圓孔衍射 (36實驗十六菲涅爾單縫衍射 (38實驗十七菲涅爾圓孔衍射 (39實驗十八菲涅爾直邊衍射 (41實驗十九偏振光分析 (43實驗

2、二十棱鏡攝譜儀 (49實驗二十一光柵單色儀 (51實驗二十二全息照相 (54實驗二十三制作全息光柵 (59實驗二十四阿貝成像原理和空間濾波 (62實驗二十五調制和顏色合成 (66實驗二十六測量空氣折射率 (68*實驗二十七等傾干涉 (72*實驗二十八法布里珀羅干涉 (76實驗二十九邁克爾遜干涉儀的調節(jié)和使用 (80實驗一用自準法測薄凸透鏡焦距f (測量實驗一、實驗目的掌握簡單光路的分析和調整方法了解、掌握自準法測凸透鏡焦距的原理及方法二、實驗原理當發(fā)光點(物處在凸透鏡的焦平面時,它發(fā)出的光線通過透鏡后將成為一束平行光。若用與主光軸垂直的平面鏡將此平行光反射回去,反射光再次通過透鏡后仍會聚于透鏡

3、的焦平面上,其會聚點將在發(fā)光點相對于光軸的對稱位置上。三、實驗儀器1、帶有毛玻璃的白熾燈光源S2、品字形物象屏P:SZ-143、凸透鏡L:f=190mm(f=150mm4、二維調整架:SZ-075、平面反射鏡M6、二維調整架:SZ-077、通用底座:SZ-048、二維底座:SZ-029、通用底座:SZ-0410、通用底座:SZ-04四、儀器實物圖及原理圖 圖一五、實驗步驟1、把全部元件按圖一的順序擺放在平臺上,靠攏,調至共軸。而后拉開一定的距離。可調成如圖一所示的距離2、前后移動凸透鏡L ,使在物像屏P 上成一清晰的品字形像。3、調M 的傾角,使P 屏上的像與物重合。4、再前后微動透鏡L ,使

4、P 屏上的像既清晰又與物同大小。5、分別記下P 屏和透鏡L 的位置a 1、a 2。6、把P 屏和透鏡L 都轉180度,重復做前四步。7、再記下P 和L 的新位置b 1、b 2。8、分別把f=150mm 和f=190mm 的透鏡各做一遍,并比較實驗值和真實值的差異,并分析其原因。9、老師可選擇更多規(guī)格的透鏡進行實驗。(選做 六、數(shù)據(jù)處理12a a f a -= 12b b f b -= 被測透鏡焦距:2/(b a f f f +=七、實驗報告要求根據(jù)實驗測試進行記錄和數(shù)據(jù)處理,并分析實驗現(xiàn)象。實驗二 用位移法測薄凸透鏡焦距f (測量實驗一、實驗目的了解、掌握位移法測凸透鏡焦距的原理及方法 二、實

5、驗原理對凸透鏡而言,當物和像屏間的距離L 大于4倍焦距時,在它們之間移動透鏡,則在屏上會出現(xiàn)兩次清晰的像,一個為放大的像,一個為縮小的像。分別記下兩次成像時透鏡距物的距離O 1、O 2(e=|O 1-O 2|,距屏的距離O 1'、O 2'根據(jù)光線的可逆性原理,這兩個位置是“對稱”的。即O 1=O 2',O 2=O 1'則: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 把結果帶入透鏡的牛頓公式1/s+1/s'=1/f 得到透

6、鏡的焦距為L e L f 4/(22-=由此便可算得透鏡的焦距,這個方法的優(yōu)點是,把焦距的測量歸結為對于可以精確測定的量L 和e 的測量,避免了在測量u 和v 時,由于估計透鏡中心位置不準確所帶來的誤差。三、實驗儀器1、帶有毛玻璃的白熾燈光源S2、品字形物像屏P :SZ-143、凸透鏡L : f=190mm(f=150mm4、二維調整架: SZ-075、白屏H : SZ-136、通用底座: SZ-047、二維底座: SZ-028、通用底座: SZ-049、通用底座: SZ-04 四、儀器實物圖及原理圖(見圖二五、實驗步驟1、把全部器件按圖二的順序擺放在平臺上,靠攏后目測調至共軸,而后再使物屏P

7、 和像屏H 之間的距離l 大于4倍焦距。2、沿標尺前后移動L ,使品字形物在像屏H 上成一清晰的放大像,記下L 的位置a 1。3、再沿標尺向后移動L ,使物再在像屏H 上成一縮小像,記下L 的位置a 2。4、將P 、L 、H 轉180度,重復做前三步,又得到L 的兩個位置b 1、b 2。5、分別把f=150mm 和f=190mm 的透鏡個做一遍,并比較實驗值和真實值的差異并分析其原因。6、老師可選擇更多規(guī)格的透鏡進行實驗。(選做 六、數(shù)據(jù)處理21a a e a -= ,21b b e b -=l e l f a a 4/(22-= ,l e l f b b 4/(22-=透鏡焦距:2/(b a

8、 f f f += 七、實驗報告要求根據(jù)實驗測試進行記錄和數(shù)據(jù)處理,并分析實驗現(xiàn)象。實驗三目鏡焦距f e的測量(測量實驗一、實驗目的了解、掌握用測量物像放大率來求目鏡焦距f e的原理及方法二、實驗原理焦距的測量可以歸結為測量焦點到光學系統(tǒng)的某一指定點的距離。測量焦距時,常用到牛頓公式:''=。x x f f若物空間和像空間的光學介質相同,則'2=。x x f線放大率:'''m y y f x x f=-=-。/三、實驗儀器1、帶有毛玻璃的白熾燈光源S2、1/10mm分劃板F3、二維調整架:SZ-074、被測目鏡Le(fe=14mm5、可變口徑二維

9、架:SZ-056、測微目鏡L(去掉其物鏡頭的讀數(shù)顯微鏡7、讀數(shù)顯微鏡架: SZ-388、三維底座:SZ-019、一維底座:SZ-0310、一維底座:SZ-0311、通用底座:SZ-04 圖三五、實驗步驟1、把全部器件按圖三的順序擺放在平臺上,靠攏后目測調至共軸。2、在F 、Le 、L 的底座距離很小的情況下,前后移動Le ,直至在測微目鏡L 中看到清晰的1/10mm 的刻線,并使之與測微目鏡中的標尺(mm 刻線無視差。3、測出1/10mm 刻線的寬度,求出其放大倍率m 1,并分別記下L 和Le 的位置a 1、b 1。4、把測微目鏡L 向后移動3040mm ,再慢慢向前移動Le ,直至在測微目鏡

10、L 中又看到清晰且與毫米標尺刻線無視差的1/10mm 的刻線像。5、再測出像寬,求出m 2,記下L 和Le 的位置a 1、b 2。 六、數(shù)據(jù)處理m x =(像寬/實寬÷20 (20為微測目鏡的放大倍數(shù)像距改變量:(1221b b a a S -+-= 被測目鏡焦距:12m m Sf e -=七、實驗報告要求根據(jù)實驗測試進行記錄和數(shù)據(jù)處理,并分析實驗現(xiàn)象。實驗四自組顯微鏡(測量實驗一、實驗目的了解顯微鏡的基本原理和結構,并掌握其調節(jié)、使用和測量它的放大率的一種方法。二、實驗原理物鏡L o的焦距f o很短,將F1放在它前面距離略大于f o的位置,F1經L o后成一放大實像F1,然后再用目

11、鏡L e作為放大鏡觀察這個中間像F1,F1應成像在L e的第一焦點F e 之內,經過目鏡后在明視距離處成一放大的虛像F1。三、實驗儀器1、帶有毛玻璃的白熾燈光源S2、1/10mm分劃板F13、二維調整架:SZ-074、物鏡Lo:f o=15mm5、二維調整架:SZ-076、測微目鏡Le(去掉其物鏡頭的讀數(shù)顯微鏡7、讀數(shù)顯微鏡架: SZ-388、三維底座:SZ-019、一維底座:SZ-0310、一維底座:SZ-0311、通用底座:SZ-04四、儀器實物圖及原理圖 圖四(1 圖四(2五、實驗步驟1、把全部器件按圖四的順序擺放在平臺上,靠攏后目測調至共軸。2、把透鏡Lo 、Le 的間距固定為180m

12、m 。3、沿標尺導軌前后移動F1(F1緊挨毛玻璃裝置,使F1置于略大于f o 的位置,直至在顯微鏡系統(tǒng)中看清分劃板F1的刻線。六、數(shù)據(jù)處理顯微鏡的計算放大率:(250/(o e M f f =其中:E O F F -=,見圖示。本實驗中的fe=250/20(計算方法可參考光學書籍七、實驗報告要求根據(jù)實驗測試進行記錄和數(shù)據(jù)處理,并分析實驗現(xiàn)象。實驗五自組望遠鏡(測量實驗一、實驗目的了解望遠鏡的基本原理和結構,并掌握其調節(jié)、使用和測量它的放大率的兩種方法。二、實驗原理最簡單的望遠鏡是由一片長焦距的凸透鏡作為物鏡,用一短焦距的凸透鏡作為目鏡組合而成。遠處的物經過物鏡在其后焦面附近成一縮小的倒立實像,

13、物鏡的像方焦平面與目鏡的物方焦平面重合。而目鏡起一放大鏡的作用,把這個倒立的實像再放大成一個正立的像,如圖五所示。三、實驗儀器1、帶有毛玻璃的白熾燈光源S2、毫米尺F3、二維調整架:SZ-074、物鏡Lo:f o=225mm5、二維調整架:SZ-076、測微目鏡Le:(去掉其物鏡頭的讀數(shù)顯微鏡7、讀數(shù)顯微鏡架: 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、儀器實物圖及原理圖 圖五五、實驗步驟1、把全部器件按圖五的順序擺放在平臺上,靠攏后目測調至共軸。2、把F 和Le 的間距調至最大,沿導軌前后移動Lo

14、,使一只眼睛通過Le 看到清晰的分劃板F 上的刻線。3、再用另一只眼睛直接看毫米尺F 上的刻線,讀出直接看到的F 上的滿量程28條線對應于通過望遠鏡所看到F 上的刻線格數(shù)e 。4、分別讀出F 、Lo 、Le 的位置a 、b 、d 。5、去Le ,用屏H 找到F 通過Lo 所成的像,讀出H 的位置c 。 六、數(shù)據(jù)處理'=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 =+ 望遠鏡的測量放大率:M=e望

15、遠鏡的計算放大率: 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'見圖中所示。七、實驗報告要求根據(jù)實驗測試進行記錄和數(shù)據(jù)處理,并分析實驗現(xiàn)象。實驗六自組透射式幻燈機(測量實驗一、實驗目的了解幻燈機的原理和聚光鏡的作用,掌握對透射式投影光路系統(tǒng)的調節(jié)。二、實驗原理幻燈機能將圖片的像放映在遠處的屏幕上,但由于圖片本身并不發(fā)光,所以要用強光照亮圖片,因此幻燈機的構造總是包括聚光和成像兩個主要部分,在透射式的幻燈機中,圖片是透明的。成像部分主要包括物鏡L、幻燈片P和遠處的屏幕。為了使這個物鏡能在屏上產生高倍

16、放大的實像。P必須放在物鏡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強的光源(通常采用溴鎢燈和透鏡L1L2構成的聚光鏡。聚光鏡的作用是一方面,要在未插入幻燈片時,能使屏幕上有強烈而均勻的照度,并且不出現(xiàn)光源本身結構(如燈絲等的像;一經插入幻燈片后,能夠在屏幕上單獨出現(xiàn)幻燈圖片的清晰的像。另一方面,聚光鏡要有助于增強屏幕上的照度。因此,應使從光源發(fā)出并通過聚光鏡的光束能夠全部到達像面。為了這一目的,必須使這束光全部通過物鏡L,這可用所謂“中間像”的方法來實現(xiàn)。即聚光器使光源成實像,成實像后的那些光束繼續(xù)前進時,不超過透鏡L邊緣范圍。光源的大小以能夠使光束完全充滿L的

17、整個面積為限。聚光鏡焦距的長短是無關緊要的。通常將幻燈片放在聚光器前面靠近L2的地方,而光源則置于聚光器后2倍于聚光器焦距之處。聚光器焦距等于物鏡焦距的一半,這樣從光源發(fā)出的光束在通過聚光器前后是對稱的,而在物鏡平面上光源的像和光源本身的大小相等。三、實驗儀器1、帶有毛玻璃的白熾燈光源S2、聚光鏡L1:f1=50mm3、二維調整架:SZ-074、幻燈底片P5、干板架:SZ-126、放映物鏡L2:f2=190mm7、二維調整架:SZ-078、白屏H:SZ-139、三維底座:SZ-0110、一維底座:SZ-0311、二維底座:SZ-0212、一維底座:SZ-0313、通用底座:SZ-04四、儀器實

18、物圖及原理圖(見圖六五、實驗步驟1、把全部儀器按圖六的順序擺放在平臺上,靠攏后目測調至共軸。2、將L2與H的間隔固定在間隔所能達到的最大位置,前后移動P,使其經L2在屏H上成一最清晰的像。3、將聚光鏡L1緊挨幻燈片P的位置固定,拿去幻燈片P,沿導軌前后移動光源S,使其經聚光鏡L1剛好成像于白屏H上。4、再把底片P放在原位上,觀察像面上的亮度和照度的均勻性。并記錄下所有儀器的位置,并算U1、U2、V1、V2的大小。5、把聚光鏡L1拿去,在觀察像面上的亮度和照度的均勻性。6、注:演示其現(xiàn)象時的參考數(shù)據(jù)為U1=35,V1=35,U2=300,V2=520。和計算焦距時的數(shù)據(jù)并不相同。六、數(shù)據(jù)處理放映

19、物鏡的焦距:2221/(D M M f += 聚光鏡的焦距:21111/(1/(+-+=M D M D f其中:222V U D +=、111V U D +=、iii U V M =(2,1=i 為像的放大率 ii ii i V U V U f +=(2,1=i 七、實驗報告要求根據(jù)實驗測試進行記錄和數(shù)據(jù)處理,并分析實驗現(xiàn)象。 圖六實驗七測節(jié)點位置及透鏡組焦距(測量實驗一、實驗目的了解透鏡組節(jié)點的特性,掌握測透鏡組節(jié)點的方法。二、實驗原理光學儀器中的共軸球面系統(tǒng)、厚透鏡、透鏡組,常把它作為一個整體來研究。這時可以用三對特殊的點和三對面來表征系統(tǒng)在成像上的性質。若已知這三對點和三對面的位置,則可

20、用簡單的高斯公式和牛頓公式來研究起成像規(guī)律。共軸球面系統(tǒng)的這三對基點和基面是:主焦點(F,F'和主焦面,主點(H,H'和主平面,節(jié)點(N,N'和節(jié)平面。如附圖1, 附圖2實際使用的共軸球面系統(tǒng)透鏡組,多數(shù)情況下透鏡組兩邊的介質都是空氣,根據(jù)幾何光學的理論,當物空間和像空間介質折射率相同時,透鏡組的兩個節(jié)點分別與兩個主點重合,在這種情況下,主點兼有節(jié)點的性質,透鏡組的成像規(guī)律只用兩對基點(焦點,主點和基面(焦面,主面就完全可以確定了。根據(jù)節(jié)點定義,一束平行光從透鏡組左方入射,如附圖2,光束中的光線經透鏡組后的出射方向,一般和入射方向不平行,但其中有一根特殊的光線,即經過第

21、一節(jié)點N的光線PN,折射后必須通過第二節(jié)點N'且出射光線N'Q平行與原入射光線PN。設NQ與透鏡組的第二焦平面相交于F''點。由焦平面的定義可知,PN方向的平行光束經透鏡組會聚于F''點。若入射的平行光的方向PN與透鏡組光軸平行時,F''點將與透鏡組的主焦點F'重合,如附圖3 附圖3綜上所述節(jié)點應具有下列性質:當平行光入射透鏡組時,如果繞透鏡組的第二節(jié)點N'微微轉過一個小角 ,則平行光經透鏡組后的會聚點F'在屏上的位置將不橫移,只是變得稍模糊一點兒,這是因為轉動透鏡組后入射于節(jié)點N的光線并沒有改變原來入射的

22、平行光的方向,因而NQ的方向也不改變,又因為透鏡組是繞N'點轉動,N點不動,所以N'Q線也不移動,而像點始終在N'Q線上,故F''點不會有橫向移動,至于NF''的長度,當然會隨著透鏡組的轉動有很小的變化,所以F''點前后稍有移動,屏上的像會稍有模糊一點。反之,如果透鏡組繞N'點以外的點轉動,則F''點會有橫向移動,利用節(jié)點的這一特性構成了下面的測量方法。使用一個能夠轉動的導軌,導軌側面裝有刻度尺,這個裝置就是節(jié)點架。把透鏡組裝在可以旋轉的節(jié)點架導軌的上,節(jié)點架前是一束平行光,平行光射向透鏡組。接著將

23、透鏡組在節(jié)點架上前后移動,同時使架做微小的轉動。兩個動作配合進行,直到能得到清晰的像,且不發(fā)生橫移為止。這時轉動軸必通過透鏡組的像方節(jié)點N',它的位置就被確定了。并且當N'與H'重合時,從轉動軸到屏的距離為N' F',即為透鏡組的像方焦距f。把透鏡組轉180度,使光線由L2進入,由L1射出。利用同樣的方法可測出物方節(jié)點N的位置。三、實驗儀器1、帶有毛玻璃的白熾燈光源S2、1/10mm分劃板F13、二維調整架:SZ-074、物鏡Lo:f o=190mm5、二維調整架:SZ-076、透鏡組L1、L2:f1=220mm,f2=300mm7、節(jié)點架:SZ-258

24、、微測目鏡Le(去掉其物鏡頭的讀數(shù)顯微鏡9、讀數(shù)顯微鏡架: SZ-3810、三維底座:SZ-0111、一維底座:SZ-0312、一維底座:SZ-0313、一維底座:SZ-0314、通用底座:SZ-0415、白屏:SZ-13四、儀器實物圖及原理圖 圖七五、實驗步驟1、調節(jié)由F,Lo組成的“平行光管”使其出平行光,可借助于對無窮遠調焦的望遠鏡來實現(xiàn)。2、將“平行光管”、待測透鏡組、測微目鏡,按圖七的順序擺放在平臺上,目測調至共軸。3、前后移動測微目鏡,使之能看清F處分劃板刻線的像。4、沿節(jié)點調節(jié)架導軌前后移動透鏡組,(同時也要相應地移動測微目鏡,直至轉動平臺時,F處分劃板刻線的像無橫向移動為止,此

25、時像方節(jié)點N落在節(jié)點調節(jié)架的轉軸上。5、用白色屏H代替測微目鏡,使分劃板刻線的像清晰的成于白色屏上,分別記下屏和節(jié)點調節(jié)架在標尺導軌上的位置a、b,再在節(jié)點調節(jié)架的導軌上記下透鏡組的中心位置(用一條刻線標記與調節(jié)架轉軸中心(0刻線的位置的偏移量d。6、把節(jié)點調節(jié)架轉180度,使入射方向和出射方向相互顛倒,重復3、4、5步,從而得到另一組數(shù)據(jù)a、b、d。六、數(shù)據(jù)處理1、像方節(jié)點N偏離透鏡組中心的距離為:d透鏡組的像方焦距:f=a-b物方節(jié)點N偏離透鏡組中心的距離為:d透鏡組的物方焦距為:f=a-b2、用1:1的比例畫出該透鏡組及它的各個節(jié)點的相對位置。七、實驗報告要求根據(jù)實驗測試進行記錄和數(shù)據(jù)處

26、理,并分析實驗現(xiàn)象。實驗八自組加雙波羅棱鏡的正像望遠鏡(演示實驗一、實驗目的了解雙波羅棱鏡的正像原理及其作用,進一步掌握望遠鏡系統(tǒng)的調節(jié)。二、實驗原理(一望遠鏡的形式主要是根據(jù)目鏡形式不同而分成兩類:1、目鏡為正透鏡組的望遠鏡,稱之為開普勒望遠鏡。因其視覺放大率為負值,故像為倒像。2、目鏡為負透鏡組的望遠鏡,稱之伽利略望遠鏡。因其視覺放大率為正值,故像為正像。(二利用開普勒望遠鏡需加一轉像系統(tǒng),使像成為正像。常用的轉像系統(tǒng)有:1、透鏡轉像系統(tǒng)2、棱鏡轉像系統(tǒng)(1倒威棱鏡(2屋脊棱鏡(3復合棱鏡:由兩個或兩個以上的普通棱鏡組成的棱鏡轉像系統(tǒng)稱之為復合棱鏡。波羅棱鏡就是其中的一種,它在雙筒望遠鏡中

27、起倒像作用。三、實驗儀器1、帶有毛玻璃的白熾燈光源S2、物屏P:SZ-143、物鏡Lo:f o=300mm4、二維調整架:SZ-075、正象(波羅棱鏡:SZ-276、微測目鏡Le(去掉其物鏡頭的讀數(shù)顯微鏡7、讀數(shù)顯微鏡架: SZ-388、三維底座:SZ-019、一維底座:SZ-0310、一維底座:SZ-0311、一維底座:SZ-0312、通用底座:SZ-04四、儀器實物圖及原理圖(見圖八五、實驗步驟1、把全部儀器按照圖八的順序擺放在平臺上,靠攏后目測調至共軸。2、用Lo、Le組成倒像望遠鏡,對字物調焦,記清字像倒正方向。3、在Lo的像前方,放置雙波羅棱鏡使光從俯視方向為三角形的方向入射,經過四

28、次反射后,由另一片鏡子射出。(如圖所示4、調節(jié)Le的高度和其位置,使能清楚地看到字物正立的像。六、實驗報告要求根據(jù)實驗測試進行記錄,并分析實驗現(xiàn)象。 圖八實驗九 楊氏雙縫干涉 (測量實驗一、實驗目的觀察雙縫干涉現(xiàn)象及測量光波波長 二、實驗原理用兩個點光源作光的干涉實驗的典型代表,是楊氏實驗。楊氏實驗以簡單的裝置和巧妙的構思就實現(xiàn)普通光源來做干涉,它不僅是許多其它光學的干涉裝置的原型,在理論上還可以從中提許多重要的概念和啟發(fā),無論從經典光學還是從現(xiàn)代光學的角度來看,楊氏實驗都具有十分重要的意義。楊氏實驗的裝置如附圖4所示,在普通單色光源(如鈉光燈前面放一個開有小孔S 的,作為單色點光源。在S 照

29、明的范圍內的前方,再放一個開有兩個小孔的S 1和S 2的屏。S 1和S 2彼此相距很近,且到S 等距。根據(jù)惠更斯原理,S 1和S 2將作為兩個次波向前發(fā)射次波(球面波,形成交迭的波場。這兩個相干的光波在距離屏為D 的接收屏上疊加,形成干涉圖樣。為了提高干涉條紋的亮度,實際中S ,S 1和S 2用三個互相平行的狹縫(楊氏雙縫干涉,而且可以不用接收屏,而代之目鏡直接觀測,這樣還可以測量數(shù)據(jù)用以計算。在激光出現(xiàn)以后,利用它的相干性和高亮度,人們可以用氦氖激光束直接照明雙孔,在屏幕同樣可獲得一套相當明顯的干涉條紋,供許多人同時觀看。 附圖4 楊氏實驗原理圖參看附圖4,設兩個雙縫S 1和S 2的間距為d

30、 ,它們到屏幕的垂直距離為D (屏幕與兩縫連線的中垂線相垂直。假定S 1和S 2到S 的距離相等,S 1和S 2處的光振動就是具有相同的相位,屏幕上各點的干涉強度將由光程差L 決定。為了確定屏幕上光強極大和光強極小的位置,選取直角坐標系o-xyz ,坐標系的原點O 位于S 1和S 2連線的中心,x 軸的方向為S 1和S 2連線方向,假定屏幕上任意點P 的坐標為(x,y,D ,那么S 1和S 2到P 點的 距離r 1和r 2分別寫為: 1122r S p r S p = (1 由上兩式可以得到22212r r xd -=若整個裝置放在空氣中,則相干光到達P 點的光程差為: 21122xdL r

31、r r r =-=+在實際情況中, d,這時如果x和y也比D小的多(即在z軸附近觀察則有122r r D+。在次近似條件下上式變?yōu)?xd L D=(2 再由光程差判據(jù)(L p=0(0,1,2,.m m=±±,p為光強極大處。(L p=01(0,1,2,.2m m+=±±,p為光強極小處?？芍涝谄聊簧细骷壐缮娴臉O大的位置為:(0,1,2.mD x m d=±±(3 干涉極小的位置是:1(0,1,2.2D x m m d=+=±±(4 相鄰兩極大或兩極小值之間的間距為干涉條紋間距,用x 來表示,它反映了條紋的疏密程度

32、。由(3式的相干條紋的間距為D x d=(5 變換可得:xd D=式中:d兩個狹縫中心的間距單色光波波長D雙縫屏到觀測屏(微測目鏡焦平面的距離這就是本實驗所要使用的原理公式。從實驗中測得D,d以及x,即可由上式算出。三、實驗儀器1、鈉光燈(可加圓孔光欄2、凸透鏡L:f=50mm 3、二維調整架:SZ-074、單面可調狹縫:SZ-225、雙縫(使用多縫板,規(guī)格參考下面注釋6、干板架:SZ-127、測微目鏡Le(去掉其物鏡頭的讀數(shù)顯微鏡8、讀數(shù)顯微鏡架: SZ-389、三維底座:SZ-0110、二維底座:SZ-0211、一維底座:SZ-0312、一維底座:SZ-03四、儀器實物圖及原理圖(見圖九五

33、、實驗步驟1、把全部儀器按照圖十的順序在平臺上擺放好,并調成共軸系統(tǒng)。鈉光燈(可加圓孔光欄經透鏡聚焦于狹縫上。使單縫和雙縫平行,而且由單縫射出的光照射在雙縫的中間。(圖中數(shù)據(jù)均為參考數(shù)據(jù)2、直接用眼睛觀測到干涉條紋后,再放入微測目鏡后進行測量。使相干光束處在目鏡視場中心,并調節(jié)單縫和雙縫的平行度(調節(jié)單縫即可,使干涉條紋最清晰。3、用微測目鏡測出干涉條紋的間距x ,雙縫到微測目鏡焦平面上叉絲分化板的距離D 。六、數(shù)據(jù)處理利用已知雙縫間距,在把測出的x 和D 代入到公式xdD=中求出波長。把實驗值和真實值進行比較,并找出誤差原因。 圖九七、實驗報告要求根據(jù)實驗測試進行記錄和數(shù)據(jù)處理,并分析實驗現(xiàn)

34、象。八、注:多縫板的規(guī)格。 實驗十 菲涅爾雙棱鏡干涉 (測量實驗一、實驗目的觀察雙棱鏡干涉現(xiàn)象及測定光波波長 二、實驗原理利用光的干涉現(xiàn)象進行光波波長的測量,首先要獲得兩束相干光,使之重疊形成干涉,干涉條紋的空間分布既跟條紋與相干光源之間的相對位置有關,又跟光波波長有關,從它們之間的關系式就能測出光波波長。本實驗利用雙棱鏡獲得兩束相干光,如附圖5所示,雙棱鏡是由兩塊底邊相接、折射棱角小于1度的直角棱鏡組成的,從單縫S 發(fā)出的單色光的波陣面,經雙棱鏡折射后形成兩束互相重疊的光束,它們相當于從狹縫S 的兩個虛像S 1 和S 2射出的兩束相干光。于是在波束重疊的區(qū)域內產生了干涉,在該區(qū)域內放置的屏上

35、可以觀測到干涉條紋。 附圖5如附圖6所示,設S 1與S 2的間距為d ,縫S 至觀察屏的距離為D ,O 為觀察屏上距S 1和S 2等距的點,由S 1和S 2射來的兩束光在O 點的光程差為零,故在O 點處兩光波互相加強形成零級亮條紋,而在O 點兩側,則排列著明暗相間的等距干涉條紋。 附圖6對于屏上距O 點 為x 的P 點。當D>>d 。D>>x 時,有/d=x/SP 因為SP D故/d x/D 即=xd/D根據(jù)相干條件,當光程差滿足:(1=2k(2時,即在x=Dd k 處(k=0、1、2、,產生亮條紋。(2=(2k-12時,即在x=D d (2k-12處(k=0、1、2、

36、,產生暗條紋。因此,兩相鄰亮條紋(或暗條紋間的距離為干涉條紋的間距為: x=x k+1-x k =D d d 兩個狹縫中心的間距 單色光波波長D 狹縫屏到觀測屏(微測目鏡焦平面的距離 從實驗中測得D ,d 以及x ,即可由上式算出波長。三、實驗儀器1、鈉光燈(可加圓孔光欄2、凸透鏡L : f=50mm3、二維調整架: SZ-074、單面可調狹縫: SZ-225、二維調整架: SZ-076、菲涅爾雙棱鏡:7、測微目鏡Le (去掉其物鏡頭的讀數(shù)顯微鏡 8、讀數(shù)顯微鏡架 : SZ-38 9、三維底座: SZ-01 10、二維底座: SZ-02 11、一維底座: SZ-03 12、一維底座: SZ-0

37、313、凸透鏡L : f=150mm 14、二維調整架: SZ-07 15、通用底座: SZ-01四、儀器實物圖及原理圖(見圖十五、實驗步驟1、把全部儀器按照圖十的順序在平臺上擺放好(圖上數(shù)值均為參考數(shù)值,并調成共軸系統(tǒng)。鈉光燈(可加圓孔光欄經透鏡L 聚焦于狹縫上。調節(jié)單縫和雙棱鏡的棱脊平行,而且由單縫射出的光對稱地照在棱脊的兩側。2、用白屏H 或直接用眼睛觀測到干涉條紋后,再用微測目鏡中觀測。使相干光束處在目鏡視場中心,并調節(jié)單縫和棱脊的平行度,使干涉條紋最清晰。雙棱鏡干涉圖樣,應為等間隔的明暗相間的干涉條紋。3、用微測目鏡測出干涉條紋的間距x ,測出單縫到微測目鏡叉絲分劃板的距離D ,再用

38、二次成像法測出兩個虛光源的間距d ,由x=x k+1-x k =Dd便可求出光波的波長,并與鈉燈的波長實際值比較,分析誤差原因。(二次成像法,在數(shù)據(jù)處理中有講解。六、數(shù)據(jù)處理二次成像法:保持圖中狹縫、雙棱鏡的位置不動,加入一已知焦距f=150的透鏡放在雙棱鏡后,使單縫與微測目鏡間的距離D>4f ,移動透鏡成像時,可以在兩個不同的位置上,從目鏡中看到一大一小兩個清晰的縫像(既虛光源S 1、S 2的像,測出兩個清晰的像間距d 1及d 2,根據(jù)物象公式,虛光源S 1、S 2的間距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 =即可求出波長。 圖十七、實驗報告要求根據(jù)實驗測試進行記錄和數(shù)據(jù)處理,并分析實驗現(xiàn)象。實驗十一菲涅爾雙面反射鏡干涉(測量實驗一、實驗目的觀察雙平面干涉現(xiàn)象及測量光波波長二、實驗原理如附圖7所示的是雙面鏡裝置是由兩塊平面反射鏡M1和M2組成,兩者間夾一很小的 附圖7 菲涅爾雙面鏡角。S是與M1和M2的交線(圖中以M表示平行的狹縫,用單色光照明后作為縫光源。從同一光源S發(fā)出的光一部在M1上反射,另一部分在M2上發(fā)射,所得到的兩反射光是從同一入射波前分出來的,所以是相干的,在它

40、們的重疊區(qū)將產生干涉。對于觀察者來說,兩束相干光似乎來自S1和S2,S1和S2是光源S在兩反射鏡中的虛像,由簡單的幾何光學原理可證明,由S光源發(fā)出的,后被兩反射鏡反射的兩束相干光在屏幕上的光程差與將S1、S2視為兩相干光源發(fā)出兩列相干光波到達幕上的光程差相=,亦可算出它同。與雙棱鏡實驗相似,根據(jù)雙棱鏡的實驗中推導出的公式/xd D 的波長。三、實驗儀器1、鈉光燈(可加圓孔光欄2、凸透鏡L:f=50mm3、二維調整架:SZ-074、單面可調狹縫:SZ-225、雙面鏡6、測微目鏡Le(去掉其物鏡頭的讀數(shù)顯微鏡7、讀數(shù)顯微鏡架: SZ-388、三維底座:SZ-019、二維底座:SZ-0210、一維底

41、座:SZ-0311、一維底座:SZ-0312、凸透鏡:f=150mm13、HeNe激光器(632.8nm14、白屏H:SZ-1315、二維調整架:SZ-0716、通用底座:SZ-0117、通用底座:SZ-01四、儀器實物圖及原理圖 圖十一(1圖十一(2五、實驗步驟1、把全部儀器按照圖十一的順序在平臺上擺放好(圖上數(shù)值均為參考數(shù)值,靠攏后目測調至共軸。而后放入雙面鏡。2、調節(jié)雙面鏡的夾角,使其與入光的夾角大約為半度,如圖十一(2。(亦可用激光器替換鈉燈,白屏H代替微測目鏡,使細激光束同時打在棱邊盡量靠近的雙面鏡的兩個反射鏡上,在遠離雙面鏡交棱的白屏上看到干涉條紋。3、然后如圖放入測微目鏡,找到被

42、雙面鏡反射的光線。調節(jié)單縫的寬度并旋轉單縫使它與雙面鏡的雙棱平行,用測微目鏡觀察雙平面反射鏡干涉圖樣是等間距的明暗相間的干涉條紋。4、用微測目鏡測出干涉條紋的間距x和D,D為雙面鏡交棱到狹縫、到測微目鏡的距離之和,再用二次成像法測出兩個虛光源的間距d由x=x k+1-x k=Dd便可求出光波的波長,并與鈉燈的波長實際值比較,分析誤差原因。六、數(shù)據(jù)處理利用同雙棱鏡相同的二次成像法測出虛光源的實像間距d1及d2,算出d值。 d=即可求出波長。代入公式/xd D七、實驗報告要求根據(jù)實驗測試進行記錄和數(shù)據(jù)處理,并分析實驗現(xiàn)象。實驗十二洛埃鏡干涉(測量實驗一、實驗目的觀察洛埃鏡干涉現(xiàn)象及測量光波波長二、

43、實驗原理洛埃鏡是由一塊普通平板玻璃構成的反射鏡,縫光源S與反射鏡面平行。來自縫光源的光向反射鏡掠入射(入射角接近90度,再從反射鏡反射。這部分反射光與直接從S射來的光是從同波前分出的(如附圖十,所以是相干的,兩束光的重疊區(qū)將產生干涉。在屏上進行疊加,形成干涉條紋。從觀察者看來,兩束相干光分別來自S和'S,'S是光源S 在反射鏡中的虛像。 附圖8 洛埃鏡從附圖8中看出,兩相干光波在幕上的重疊區(qū)是在B和C之間。顯然,在幕上觀察不到光程差為零的干涉條紋,除非將幕移到虛線所示的位置。此時,幕與反射鏡相交處A離相干光源S和'S的幾何距離相等。該處并不是亮條紋而是暗條紋(干涉極小,

44、這說明兩相干光在A處的光振動具有相反的相位,這是因為光在掠入射條件下,在鏡面上反射時要產生數(shù)值為的相位突變,這種相位突變相當于光波少走或多走了半個波長的光程,故稱為半波損失。這樣,使得幕上本來是亮條紋的地方變成了暗條紋。=,也可算出本實驗與雙棱鏡實驗相似,根據(jù)雙棱鏡的實驗中推倒出的公式/xd D它的波長。三、實驗儀器1、鈉光燈(可加圓孔光欄2、凸透鏡L:f=50mm3、二維調整架:SZ-074、單面可調狹縫:SZ-225、洛埃鏡:SZ-296、測微目鏡Le(去掉其物鏡頭的讀數(shù)顯微鏡7、讀數(shù)顯微鏡架: SZ-388、三維底座:SZ-019、二維底座:SZ-0210、一維底座:SZ-0311、一維

45、底座:SZ-0312、凸透鏡:f=150mm13、二維調整架:SZ-0714、通用底座:SZ-01四、儀器實物圖及原理圖 圖十二五、實驗步驟1、把全部儀器按照圖十二的順序在平臺上擺放好(圖上數(shù)值均為參考數(shù)值?？繑n后調至共軸。2、鈉光燈(可加圓孔光欄經透鏡聚焦于狹縫上,將大致處于鉛直方位的洛埃鏡由狹縫一側逐漸推向狹縫(如圖中箭頭所示,使入射光處于掠入射狀態(tài),同時用眼在掠反射方向上看去,將看到實縫S 與它對洛埃鏡的虛像S 。隨著洛埃鏡的前推,S 與S 將逐漸靠攏,旋轉時看到的S 與S 平行,估計二者間距約在2mm 左右的情況下,將洛埃鏡的磁座固定住。3、目視或用激光器,找到被洛埃鏡所反射的光路,把

46、測微目鏡放在該光路上觀察洛埃鏡干涉圖樣,可以發(fā)現(xiàn)是等間距的明暗相間的干涉條紋。4、微測目鏡測出干涉條紋的間距x ,和D ,D 為狹縫到測微目鏡的距離,再用二次成像法測出兩個虛光源的間距d 由x=x k+1-x k =Dd便可求出光波的波長,并與鈉燈的波長實際值比較,分析誤差原因。六、數(shù)據(jù)處理利用同雙棱鏡相同的二次成像法測出虛光源的實像間距d 1及d 2,算出d 值。 d =代入公式/xd D =即可求出波長。 七、實驗報告要求根據(jù)實驗測試進行記錄和數(shù)據(jù)處理,并分析實驗現(xiàn)象。實驗十三 牛頓環(huán)裝置 (測量實驗一、實驗目的觀察等厚干涉現(xiàn)象,用干涉法測量透鏡表面的曲率半徑 二、實驗原理一個曲率半徑很大

47、的平凸透鏡,以其凸面朝下,放在一塊平面玻璃板上(如附圖9,二者之間形成一層厚度由零逐漸增大的空氣膜,若對透鏡投射單色光,則空氣膜下緣面與上緣面反射的光就會互相干涉。從透鏡上看到的干涉花樣是以玻璃接觸點為中心的一組中央疏,邊緣密的明暗相間的同心圓環(huán)條紋,這就是牛頓環(huán)。它是等厚干涉,與接觸點等距離的空氣厚度是相同的。 附圖9從附圖9來看,設透鏡的曲率半徑為R ,與接觸點O 相距為r 處的膜厚為d ,其中幾何關系為: 22222(2R R d r R R d d r=-+=-+ 因R>>d ,所以2d 可略去,得: 2/2d r R =光線應是垂直入射的,計算光程差時還要考慮光波在平面玻

48、璃上反射會有半波損失,從而帶來/2的附加光程差,所以總的光程差為:2/2d =+產生暗環(huán)的條件是: (21 (m =0,1,2.2m =+ 其中m 干涉條紋的級數(shù).綜合上面的式子可得到第m 級暗環(huán)半徑為: m r 從此式可見,只要波長為已知,測量出第m 級暗環(huán)半徑r m ,即可得出平凸透鏡的曲率半徑R值。但是由于兩鏡面接觸點之間難免存在著細微的塵埃,使光程差產生難以確定的變化,中央暗點就可變成亮點或若明若暗。再者,接觸壓力引起玻璃的變形會使接觸點擴大成一個接觸面,以致接近圓心處的干涉條紋也是寬闊而模糊的。這就給M 帶來某種程度的不確定性。為了求得比較準確的測量結果,可以用兩個暗環(huán)半徑r m 和

49、r n 的平方差來計算曲率半徑R。因 2m r m R=,2n r nR = 兩式相減得 22m n r r mR nR -=-所以:22(m nr r Rm n-=-因m和n有著相同的不確定程度,利用m-n這一相對性測量恰好消除了由絕對測量的不確定性帶來的誤差。三、實驗儀器1、鈉光燈2、半透半反鏡3、二維調整架:SZ-074、牛頓環(huán)5、牛頓環(huán)直立架:SZ-34-546、讀數(shù)顯微鏡架: SZ-387、讀數(shù)顯微鏡8、三維底座:SZ-019、通用底座:SZ-0410、一維底座:SZ-03四、儀器實物圖及原理圖 圖十三五、實驗步驟1、調節(jié)牛頓環(huán)裝置三個螺釘,使接觸點O大致在中心,螺釘?shù)乃删o程度合適,

50、太松則接觸點不穩(wěn)定,太緊則將鏡壓碎,將牛頓環(huán)置于牛頓環(huán)直立架上。2、把全部器件按圖十三的順序擺放在平臺上,靠攏后目測調至共軸。3、點亮鈉光燈,使鈉光垂直射到半透半反鏡上,調節(jié)半透半反鏡的角度和位置。此時顯微鏡上看到明亮的視場,前后移動顯微鏡就可觀察到等厚干涉同心圓環(huán)。六、數(shù)據(jù)處理可用測微目鏡的鼓輪測出K =20、15、10、5牛頓環(huán)直徑,用環(huán)差法:m-n=5,再由已知波長=5893Å和公式/(22n m r r R n m -=,可求得牛頓環(huán)透鏡的曲率半徑R (20-15,R (15-10和R (10-5,三個值求平均就可以得出牛頓環(huán)的曲率半徑R的大小。 七、實驗報告要求根據(jù)實驗測試

51、進行記錄和數(shù)據(jù)處理,并分析實驗現(xiàn)象。實驗十四 夫郎和費單縫衍射 (測量實驗一、實驗目的觀察夫郎和費衍射圖樣及演算單縫衍射公式 二、實驗原理平行光通過狹縫時產生的衍射條紋定位于無窮遠,稱作夫郎和費單縫衍射。它的衍射圖樣比較簡單,便于用菲涅耳半波帶法計算各級加強和減弱的位置。設狹縫AB 的寬度為a (如附圖10,其中把縫寬放大了約百倍,入射光波長為, 附圖10O 點是縫寬的中點,OP 0是AB 面的法線方向。AB 波陣面上大量子波發(fā)出的平行于該方向的光線經透鏡L 會聚于P 0點,這部分光波因相位相同而得到加強。就AB 波陣面均分為AO 、BO 兩個波陣面而言,若從每個波帶上對應的子波源發(fā)出的子波光

52、線到達P 0點時光程差為/2,此處的光波因干涉相消成為暗點,屏幕上出現(xiàn)暗條紋。如此討論,隨著角的增大,單縫波面被分為更多個偶數(shù)波帶時,屏幕上會有另外一些暗條紋出現(xiàn)。若波帶數(shù)為奇數(shù),則有一些次級子波在屏上別的一些位置相干出現(xiàn)亮條紋。如波帶為非整數(shù),則有明暗之間的干涉結果。總之,當衍射光滿足:sin BC a k = (1 2.k =±±, 時產生暗條紋;當滿足:sin (21/2BC a k =+ (01 2.k =±±, 時產生明條紋。在使用普通單色光源的情況下(本實驗使用鈉燈,滿足上述原理要求的實驗裝置一般都需要在衍射狹縫前后各放置一個透鏡。但是一種近

53、似的方法也是可行的,就是使光源和觀測屏距衍射縫都處在“遠區(qū)”位置。用一個長焦距的凸透鏡L 使狹縫光源S P1成像于觀測屏S 上(如附圖11,其中S 與S P1的距離稍大于四倍焦距,透鏡大致在這個距離中間,在僅靠L 安放一個衍射狹縫S P2,屏S 上即出現(xiàn)夫郎和費衍射條紋。 附圖11設狹縫S P2與觀測屏S 的距離為,第k 級亮條紋與衍射圖樣中心的距離為x k 則 /k t g x b=由于角極小,因而sin tg 。又因為衍射圖樣中心位置不易準確測定,所以總是量出兩條同級條紋間的距離2x k 。由產生明條紋的公式可知:2(21k b x k a=+ 由此可見,為了求得入射光波長,須測量2k x

54、 ,a 和b 三個量。 三、實驗儀器1、鈉光燈(加縫或孔光欄2、凸透鏡L : f=50mm3、二維調整架: SZ-074、單面可調狹縫: SZ-225、凸透鏡L2: f=70mm6、二維調整架: SZ-077、測微目鏡Le (去掉其物鏡頭的讀數(shù)顯微鏡 8、讀數(shù)顯微鏡架 : SZ-38 9、三維底座: SZ-01 10、二維底座: SZ-02 11、一維底座: SZ-03 12、一維底座: SZ-03 四、儀器實物圖及原理圖 圖十四五、實驗步驟1、把鈉燈光通過透鏡聚焦到單縫上成為縫光源。再把所有器件按圖十四的順序擺放在平臺上,調至共軸。其中小孔(=1mm 和微測目鏡之間的距離必須保證滿足遠場條件

55、。(圖中數(shù)據(jù)均為參考數(shù)據(jù)2、調節(jié)焦距為70的透鏡直至能在微測目鏡中看到衍射條紋。如果無條紋,可去調節(jié)小孔的大小。直到找到合適的小孔為止。3、仔細調節(jié)狹縫的寬度,直到目鏡視場內的中央條紋兩側各有可見度較好的3,4條亮紋。記錄單縫和微測目鏡的位置,計算出兩者間的距離b。4、讀出狹縫寬度a,并且記錄下來。六、數(shù)據(jù)處理為了便于計算波長可以設bza=,而221kxzk=+2x k為兩條同級條紋間的距離先對不同的次級k求出z值,求平均,再計算azb=七、實驗報告要求根據(jù)實驗測試進行記錄和數(shù)據(jù)處理,并分析實驗現(xiàn)象。八、注:多孔架的8孔大小分別為:0.10mm,0.15mm,0.20mm,0.30mm,0.50mm,0.60mm,1.0mm,2.0mm。實驗十五 夫郎和費圓孔衍射 (測量實驗一、實驗目的觀察夫郎和費圓孔衍射圖樣 二、實驗原理把實驗十四的單縫衍射裝置中的單縫以一小孔代替,應用鈉燈光源,可以在透鏡的焦平面上看到圓孔衍射圖樣,衍射圖樣是一組同心的明暗相間的圓環(huán),可以證明以第一暗環(huán)為范圍的中央亮斑的光強占整個入射光束光強的84%,這個中央光斑稱為艾里斑。經計算可知,艾里斑的半角寬度為:11sin 0.61 1.22R D=式中D 是圓孔的直徑。