光學實驗基礎(chǔ)知識

1、光學實驗基礎(chǔ)知識光學實驗基礎(chǔ)知識主要內(nèi)容主要內(nèi)容一、光學實驗的內(nèi)容一、光學實驗的內(nèi)容二、光學實驗特點二、光學實驗特點三、光學實驗遵循的原則三、光學實驗遵循的原則四、光學實驗的觀測方法四、光學實驗的觀測方法五、光學實驗基本光路五、光學實驗基本光路六、光學實驗常用儀器六、光學實驗常用儀器七、實驗數(shù)據(jù)處理七、實驗數(shù)據(jù)處理課程背景課程背景n光學：光學：物理學經(jīng)典學科，發(fā)展迅速。物理學經(jīng)典學科，發(fā)展迅速。n經(jīng)典光學理論和實驗方法：經(jīng)典光學理論和實驗方法：促進科技進步。促進科技進步。n新的研究成果和實驗技術(shù)：新的研究成果和實驗技術(shù)：促進光學學科及其他促進光學學科及其他科技領(lǐng)域發(fā)展，如天文、化學、生物、醫(yī)學

2、等。科技領(lǐng)域發(fā)展，如天文、化學、生物、醫(yī)學等。n光學實驗技術(shù)：光學實驗技術(shù)：觀察基本光學現(xiàn)象，學習和掌握觀察基本光學現(xiàn)象，學習和掌握光學實驗的基本知識和基本方法，培養(yǎng)基本的光光學實驗的基本知識和基本方法，培養(yǎng)基本的光學實驗技能。學實驗技能。n光學實驗：光學實驗：儀器精密，調(diào)節(jié)復(fù)雜，只有在了解儀儀器精密，調(diào)節(jié)復(fù)雜，只有在了解儀器結(jié)構(gòu)性能基礎(chǔ)上建立清晰的物理圖像，才能選器結(jié)構(gòu)性能基礎(chǔ)上建立清晰的物理圖像，才能選擇有效而準確的調(diào)節(jié)方法，判斷儀器是否處于正擇有效而準確的調(diào)節(jié)方法，判斷儀器是否處于正常的工作狀態(tài)。常的工作狀態(tài)。n理論聯(lián)系實際：理論聯(lián)系實際：在光學實驗過程中，儀器的調(diào)節(jié)在光學實驗過程中，儀

3、器的調(diào)節(jié)和檢驗，實驗現(xiàn)象的觀察、分析等都離不開理論和檢驗，實驗現(xiàn)象的觀察、分析等都離不開理論的指導。的指導。 光學實驗課， 學習的重點是學習和掌握光學實驗的基本知識、基本方法以及培養(yǎng)基本實驗技能，研究一些基本的光學現(xiàn)象，加強對經(jīng)典光學理論的理解，提高對實驗方法和技術(shù)的認識。（一）基本物理量的測量方法（一）基本物理量的測量方法n基本物理量：基本物理量：透鏡的焦距、基點、曲率半徑，介質(zhì)折射率、溶液濃度、光波波長、光柵常量等。一、光學實驗的主要內(nèi)容一、光學實驗的主要內(nèi)容n測量方法：測量方法：焦距測量：焦距測量：物距像距法、二次成像法、自準直法、輔助透鏡法折射率測量：折射率測量：最小偏向角法、掠入射法

4、光波波長測量：光波波長測量：雙棱鏡干涉法、邁克爾遜干涉法、透射光柵法溶液濃度測量：溶液濃度測量：旋光法偏振光分析、單色儀定標偏振光分析、單色儀定標加深理論加深理論掌握方法掌握方法觀察現(xiàn)象觀察現(xiàn)象分析現(xiàn)象分析現(xiàn)象（二）常用光學儀器的使用（二）常用光學儀器的使用 常用儀器:光具座、測微目鏡、望遠鏡、分光計、干涉儀、攝譜儀等。 了解儀器的構(gòu)造原理及正常使用狀態(tài)，調(diào)節(jié)到正常使用狀態(tài)的方法，操作要求，注意事項，并具有較好的操作技能。（三）學習分析光學實驗中的基本光路（三）學習分析光學實驗中的基本光路 自準直光路、分光光路、助視放大光路、恒偏向光路。（四）繼續(xù)學習分析誤差的方法和提高對實驗數(shù)據(jù)（四）繼續(xù)學

5、習分析誤差的方法和提高對實驗數(shù)據(jù)的處理能力的處理能力 提高對實驗數(shù)據(jù)的處理能力和實驗結(jié)果誤差原因的分析水平，正確表達和評價實驗結(jié)果，分析誤差產(chǎn)生的原因以及減小實驗誤差。 二、光學實驗的特點二、光學實驗的特點n與理論密切結(jié)合與理論密切結(jié)合 頻率極高的電磁波，頻率極高的電磁波，1014數(shù)量級，光學現(xiàn)象不直觀，只數(shù)量級，光學現(xiàn)象不直觀，只能觀察一定時間內(nèi)的平均效果?？坷碚摰闹尾拍馨盐兆∧苡^察一定時間內(nèi)的平均效果?？坷碚摰闹尾拍馨盐兆嶒灛F(xiàn)象。實驗現(xiàn)象。n儀器調(diào)節(jié)要求高儀器調(diào)節(jié)要求高 儀器精密，必須嚴格調(diào)節(jié)，才能保證精度。邁克爾遜干涉儀器精密，必須嚴格調(diào)節(jié)，才能保證精度。邁克爾遜干涉儀精度可達儀精

6、度可達10-4mm。n實驗?zāi)芰σ蟾邔嶒災(zāi)芰σ蟾?實驗技能、理論基礎(chǔ)、判斷能力。實驗技能、理論基礎(chǔ)、判斷能力。 另外取得較好的實驗效果，有光學實驗須在低照度環(huán)境下另外取得較好的實驗效果，有光學實驗須在低照度環(huán)境下進行，進行， 因此，要小心謹慎，因此，要小心謹慎， 安全操作，防止事故，安全操作，防止事故， 要避免要避免光學元件跌落損壞，儀器讀數(shù)失誤，并注意保護視力。光學元件跌落損壞，儀器讀數(shù)失誤，并注意保護視力。三、光學實驗遵循的原則三、光學實驗遵循的原則n1、必須在熟悉儀器的性能與使用方法之后才能進行使用與操作；n2、輕拿輕放，勿使儀器或光學元器件受到?jīng)_擊、碰撞和震動，特別注意不能從手中滑落

7、；n3 、不使用時要及時將光學元件放回包裝盒內(nèi)，長期閑置不用應(yīng)該將其放入干燥皿中保存；n4、 手拿光學元器件時切忌用手觸摸“工作面”，如果必須拿光學元器件時只能拿它的非工作的“磨砂面”，例如透鏡的外圓磨砂面，棱鏡的上下底面，柱面鏡的上下磨砂面，否則因人手的“汗跡”會腐蝕光學面造成永久的損壞；n5、 如發(fā)現(xiàn)光學元器件的工作面有灰塵，要用專用的干燥脫脂棉輕輕擦拭或用橡皮球吹去，絕對不能用嘴去吹；n6 、若發(fā)現(xiàn)光學表面上已被輕微污染或有較輕的印記，可以用清潔的鏡頭紙輕輕拂去，擦試時不能加太大的壓力以免光學表面被劃傷，更不能用普通紙、手帕、毛巾或衣物等進行擦拭；n7、 進行光學實驗時盡量避免說話，防止

8、口水、唾液或其它液體濺落到光學面，造成光學面的化學損傷；n8 、在對光學儀器或光學系統(tǒng)進行調(diào)整時，要耐心細致，邊調(diào)整，邊觀察，動作要輕、柔、慢，切忌粗魯與盲目操作；n9、 千萬要注意在做實驗的過程中觀察與分析實驗過程與現(xiàn)象，尤其是出現(xiàn)與預(yù)期現(xiàn)象反常的特殊現(xiàn)象，應(yīng)及時將現(xiàn)象記錄或存儲下來，向指導教師請教或分析；n10、 使用完儀器設(shè)備后應(yīng)當及時整理，放回原處或加罩防護，防止灰塵污染。四、光學實驗的觀測方法四、光學實驗的觀測方法n主觀觀察法主觀觀察法和客觀測量法客觀測量法 1、眼睛直接觀察的方法，稱為主觀觀察方法 2、用光電探測器來進行客觀測量，常用光電管、光敏電阻和光電池等n視差: 人們觀察遠近

9、不同的物體A和物體B 時，常會發(fā)生視覺差異的現(xiàn)象。利用視差進行如下判斷: (1)被觀察的物與像，或像與像是否重合 (2) 如果未重合，那么哪個離觀測者近一些， 這 對于指導儀器的調(diào)節(jié)，確定像的位置很有幫助。五、基本光路五、基本光路（一）自準直光路（一）自準直光路 1.f OO O分劃板透鏡平面鏡在物體自身的平面上產(chǎn)生物體的實像，所以稱為自準直光路。2.f OO分劃板透鏡平面鏡Oyy3.f OO分劃板透鏡平面鏡Oyy 2 2 物平面與反射鏡平面相對位置影響實像的位置，例如：分光計的調(diào)節(jié)就是利用自準直光路實現(xiàn)光軸與主軸的垂直。應(yīng)用：自準直目鏡。阿貝目鏡高斯目鏡（二）三棱鏡分光光路（二）三棱鏡分光光

10、路復(fù)色光棱鏡 單色光 同一棱鏡對不同波長的光具有不同的折射率。（針對鈉光波長589.3nm而言）偏向角：出射光與入射光的夾角。最小偏向角：光路對稱時，出射光與入射光的夾角。i1i1i2i2（三）光柵分光光路（三）光柵分光光路分光原理：光柵方程 dsin=k各級譜線分布于零級像兩側(cè)。零級像：k=0, =0的位置，所有波長的光重疊在一起。六、基本光學儀器的使用六、基本光學儀器的使用（一）光具座（一）光具座n雙桿式和平直導軌式n長度為1-2m，刻有毫米標尺。n滑塊支架。 將各種光學元件（透鏡、面鏡等等）組合成特定的光學系統(tǒng)，運用這些光學系統(tǒng)成像時，要想獲得優(yōu)良的像，必須保持光束的同心結(jié)構(gòu)，即要求該光

11、學系統(tǒng)符合或接近理想光學系統(tǒng)的條件，這樣，物方空間的任一物點，經(jīng)過該系統(tǒng)成像時，在像方空間必有唯一的共軛像點存在，而且符合各種理論計算公式。為此，在光具座上調(diào)節(jié)光學系統(tǒng)，必須滿足以下幾點。 1.光具座水平 調(diào)節(jié)光具座底角的水平調(diào)節(jié)螺釘(借助水平尺)，使光具座水平。 2.共軸 調(diào)節(jié)光學系統(tǒng)中各光學元件的光軸,使之共軸。并讓物體發(fā)出的成像光束滿足近軸光線的要求。3.等高 因為成像公式中的各段距離,都是指光學系統(tǒng)光軸上的距離,所以要從光具座軌道上的讀數(shù)求出符合實際的距離,必須做到光學系統(tǒng)的光軸和光具座道軌的基線平行簡稱等高。 調(diào)節(jié)光學系統(tǒng)各元件的共軸等高，是光學實驗中的一項基本要求，必須很好掌握，一

12、般的調(diào)節(jié)可分粗調(diào)和細調(diào)兩步進行。（1） 粗調(diào)粗調(diào) 先把物、透鏡、像屏等元件放置于光具座上，如圖依次檢查并調(diào)整物、透鏡及屏的中心（圖中物體P 經(jīng)透鏡L 成像于P），使各元件的中心大致在與導軌平行的同一條直線上，并使物平面、像屏平面和透鏡面相互平行且垂直于光具座導軌。（2） 細調(diào)細調(diào)二次成像法二次成像法 成小像時，調(diào)節(jié)光屏位置，使P與屏中心重合； 成大像時，則調(diào)節(jié)透鏡的高低或左右，使P位于光屏中心。依次反復(fù)調(diào)節(jié)，便可調(diào)好。（二）分光計（二）分光計n精密測角儀：測量棱鏡角，偏向角n分光儀器：借助分光元件可觀察光譜，測量波長。1，狹縫裝置2，狹縫裝置鎖緊螺絲3，準直管4，制動架5，載物臺6，載物臺調(diào)平

13、螺絲7，載物臺鎖緊螺絲8，望遠鏡9，望遠鏡鎖緊螺絲10，阿貝式自準直目鏡11，目鏡視度調(diào)節(jié)手輪12，望遠鏡光軸高低調(diào)節(jié)螺絲 13，望遠鏡光軸水平調(diào)節(jié)螺絲14，支臂15，望遠鏡微調(diào)螺絲16，望遠鏡止動螺絲17，轉(zhuǎn)軸與度盤止動螺絲18，制動架19，底座 20，轉(zhuǎn)座21，度盤 22，游標盤23，支柱 24，游標盤微調(diào) 螺絲25，游標盤止動螺絲26，準直管光軸水平調(diào)節(jié)螺絲27，準直管光軸高低調(diào)節(jié)螺絲28，狹縫寬度調(diào)節(jié)手輪2.分光計的調(diào)節(jié)分光計的調(diào)節(jié)測量前應(yīng)調(diào)節(jié)分光計，達到：n望遠鏡聚焦到無窮遠，望遠鏡的光軸對準儀器的中心轉(zhuǎn)軸并與中心轉(zhuǎn)軸垂直。n待測光學元件的表面與中心轉(zhuǎn)軸平行。 n平行光管出射平行光，

14、且光軸與望遠鏡的光軸共軸。1) 1) 目視粗調(diào)目視粗調(diào) 調(diào)節(jié)望遠鏡俯仰調(diào)節(jié)螺釘 平行光管俯仰調(diào)節(jié)螺釘望遠鏡支架平行光管水平調(diào)節(jié)螺釘望遠鏡水平調(diào)節(jié)螺釘 松開望遠鏡鎖緊螺釘 松開游標盤鎖緊螺釘鎖緊載物臺升降鎖緊螺釘調(diào)節(jié)載物盤水平調(diào)節(jié)螺釘 移動底座2) 用自準直法將望遠鏡調(diào)焦到無窮遠 叉絲像分劃板視場透光窗反射像旋轉(zhuǎn)目鏡調(diào)節(jié)鼓輪 伸縮目鏡筒 載物盤水平、望遠鏡俯仰調(diào)節(jié)的特例 平面鏡兩側(cè)面的反射像分別位于和時，只需調(diào)節(jié)望遠鏡的俯仰調(diào)節(jié)螺釘dd平面鏡兩側(cè)面的反射像同時位于或時，只需調(diào)節(jié)載物盤的水平調(diào)節(jié)螺釘dd觀察不到反射像的原因n目鏡中觀察到的叉絲和透光窗中黑色十字的像模糊。（轉(zhuǎn)動目鏡調(diào)節(jié)鼓輪）n望遠鏡

15、沒有聚焦于無窮遠。（松開目鏡筒鎖緊螺釘，前后移動目鏡筒 ）n平面反射鏡的鏡面與望遠鏡的光軸不垂直。 俯視側(cè)視轉(zhuǎn)動載物臺或望遠鏡調(diào)節(jié)望遠鏡俯仰或載物盤水平調(diào)節(jié)螺釘用光路圖表示為n（1），若望遠鏡向下偏，由圖：若偏斜嚴重將得不到像n若偏斜不嚴重，由圖像點P將會在物S的下方，現(xiàn)象為十字叉絲將向下偏（2）若望遠鏡上偏：現(xiàn)象為：叉絲上偏棱鏡下偏：現(xiàn)象為：叉絲下偏若棱鏡上偏：現(xiàn)象為：叉絲上偏3) 調(diào)節(jié)望遠鏡光軸與中心轉(zhuǎn)軸垂直 放置平面鏡 撥動游標盤 調(diào)節(jié)載物盤水平調(diào)節(jié)螺釘或望遠鏡俯仰調(diào)節(jié)螺釘 載物盤水平、望遠鏡俯仰的各半調(diào)節(jié)d調(diào)節(jié)望遠鏡俯仰調(diào)節(jié)螺釘 調(diào)節(jié)載物盤水平調(diào)節(jié)螺釘d/24) 調(diào)節(jié)平行光管n平行光管

16、由狹縫和準直透鏡組成。狹縫 鎖緊螺釘俯仰調(diào)節(jié)螺釘松開狹縫鎖緊螺釘前后移動狹縫 轉(zhuǎn)動狹縫調(diào)節(jié)平行光管俯仰調(diào)節(jié)螺釘 轉(zhuǎn)動狹縫鎖住狹縫鎖緊螺釘 3.分光計的測量原理分光計的測量原理 (2-1+2-1)/2 平行光管2 2 望遠鏡平行光管1 1 望遠鏡讀數(shù)方法主刻度盤游標盤游標窗口233 13 偏心差n測三棱鏡頂角平行光管出射的平行光射向三棱鏡的兩個光學表面，用望遠鏡分別接收兩表面的反射光，就可計算出兩束光的夾角。由幾何關(guān)系可以證明與三棱鏡頂角A的關(guān)系為： = 2A A（2-1+2-1）/4 平行光管望遠鏡(三) 測微目鏡（1）要確定目鏡的準確度及鼓輪轉(zhuǎn)動讀數(shù)增大的方向，并選取合適的初始點； （2）一

17、次測量中鼓輪只能單向移動，不能中途倒轉(zhuǎn)；（3）干涉條紋應(yīng)與豎直雙線 平行無視差；（4）到達刻度線零點后，應(yīng)立即返回，以免損壞測微目鏡。（四）測移顯微鏡n（1）測量時， 要先調(diào)好目鏡和物鏡。n（2）測量時應(yīng)使一根十字叉絲與顯微鏡的目鏡移動方向垂直。n（3）為減小回程誤差， 應(yīng)單方向測量。n（4）測量結(jié)束后， 應(yīng)用保護套罩好儀器。n（五） 單色儀n（六）攝譜儀（七）光源（七）光源1.熱輻射光源熱輻射光源u基于熱輻射原理，白熾燈，燈絲加熱到白熾狀態(tài)而發(fā)光?；跓彷椛湓恚谉霟?，燈絲加熱到白熾狀態(tài)而發(fā)光。u連續(xù)光譜，功率較低，碘鎢燈，溴鎢燈。連續(xù)光譜，功率較低，碘鎢燈，溴鎢燈。2.氣體放電光源氣體放電光源u電流電流氣體介質(zhì)氣體介質(zhì)放電發(fā)光。放電發(fā)光。u低壓汞燈：小于低壓汞燈：小于1個大氣壓工作，在可見光區(qū)產(chǎn)生個大氣壓工作，在可見光區(qū)產(chǎn)生4條明亮條明亮的特征曲線。工作電壓的特征曲線。工作電壓20V，工作電流，工作電流1300mA.u低壓鈉燈：金屬蒸汽弧光放電。低壓鈉燈：金屬蒸汽弧光放電。在可見光區(qū)發(fā)成兩條極強黃色譜線：在可見光區(qū)發(fā)成兩條極強黃色譜線：589.0nm,589.6nm.工作電壓工作電壓20V，工作電流，工作電流1.3A。3.激光光源激光光源u受激輻射發(fā)光，極強的方向性，發(fā)散角小。受激輻射發(fā)光，極強的方向性，發(fā)散角小。u極好的單色性和相