综合性实验光学

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1、综合性实验项目指导书普物光学实验李建华 编 写适用专业： 物理 唐山师范学院 物理 系2007年5月实验项目 分光计上的实验实验学时： 10 学时实验类型：综合性实验每组人数： 1 人组一、实验目的 进一步学习分光计的使用。 了解光的反射、折射、全反射、掠射原理。二、实验原理分光计是一种常用的光学仪器。实际上就是一种精密的测角仪。在几何光学实验中，主要用来测定棱镜角、光束的偏向角等等，而在物理光学实验中，加上分光元件（棱镜、光栅）即可作为分光仪器，用来观察光谱，测量光谱线的波长等等。下面以学生型分光计（JJY0型）为例，说明它的结构原理和调节方法。一、分光计的结构分光计主要由底座、望远镜、准直

2、管、载物平台和刻度圆盘等几部分组成，每部分均有特定的调节螺钉，图0-3-9为JJY型分光计的结构外型图。1、分光计的底座要求平稳而坚实。在底座的中央固定着中心轴，刻度盘和游标内盘套在中心轴上，可以绕中心轴旋转。2、准直管固定在底座的立柱上，它是用来产生平行光的。准直管的一端装有消色差物镜，另一端为装有狭缝的宽度可在0.022mm范围内改变。3、望远镜安装在支臂上，支臂与转座固定在一起，套在主刻度盘上，它是用来观察目标和确定光线进行方向的。物镜和一般望远镜一样为消色差物镜，但目镜的结构有些不同，常用的是阿贝式目镜（其结构和目镜中的视场如图0-3-10（a）所示）和高斯目镜（其结构和目镜中的机场如

3、图0-3-10（b）所示）。4、分光计上控制望远镜和刻度盘转动的有三套机构，正确运用它们对于测量很重要，它们是：望远镜止动和微动控制机构，图0-3-9中的16、15；分光计游标盘止动和微动控制机构，图0-3-9中的25、24；望远镜和度盘的离合控制机构，0-3-9中的17。转动望远镜或移动游标位置时，应先松开相应的止动用螺钉；微调望远镜及游标位置时要先拧紧止动螺钉。要改变度盘和望远镜的相对位置时，应先松开它们间的离合控制螺钉，调整后再拧紧。一般是将度盘的0线置于望远镜下，可以减少在测角度时，0线通过游标引起的计算上的不方便。5、载物平台是一个用以放置棱镜、光栅等光学元件的圆形平台，套在游标内盘

4、上，可以绕通过平台中心的铅直轴转动和升降。当平台和游标盘（刻度内盘）一起转动时，控制其转动的方式与望远镜一样，也是粗调和微调两种；平台下有三个调节螺钉，可以改变平台台面与铅直轴的倾斜度。6、望远镜和载物平台的相对方位可由刻度盘上的读数确定。主刻度盘上有0360的圆刻度，分度值为0.5为了提高角度测量精密度，在，人盘上相隔180处没有两个游标和，游档上有30个分格，它和主刻度盘上29个分格相当，因此分度值为。读数方法参照游标原理，如 0-3-11所示读数就为。记录测量数据时，必须同时读取两个游标的读数（为了消除度盘的刻度中心和仪器转动轴之间的偏心差）。安置游标集团要考虑具体实验情况，主要注意读数

5、方便，且尽可能在测量中刻度盘0线不通过游标。记录与计算角度时，左、右游标分别进行，注意防止混淆算错角度。二、分光计的调节1、调节要求分光计是在平行光中观察有关现象和测量角度，因此要求：分光计的光学系统（准直管和望远镜）要适应平行光。从度盘上读出的角度要符合观测现象中的实际角度。用分光计进行观测时，其观测系统基本上由下述三个平面构成（图0-3-12）。读值平面 这是读取数据的平面，由主刻度盘和游标内盘绕中心转轴旋转时形成的。对每一具体的分光计，读值平面都是固定的，且和中心主轴垂直。观察平面 由望远镜光轴绕仪器中心转轴放置时所形成的。只有当望远镜光轴与转轴垂直时，观察面才是一个平面，否则，将形成一

6、个以望远镜光轴为母线的圆锥面。待测光路平面由准直管的光轴和经过待测光学元件（棱镜、光栅等）作用后，所反射、折射和衍射的光线所共同确定的。调节载物平台下方的三个调节螺钉，可以将待测光辉 路平面调节到所需的方位。按调节要求，应将此三个平面调节成相互平行，否则，测得角度将与实际角度有些差异，即引入系统误差。2、调节方法（以下说明均按阿贝目镜进行，如果使用高斯目镜出可参照，因为原理是相同的）粗调旋转目镜手轮（即调节目镜与叉丝之间的距离），看清测量用十字叉丝（如图0-3-10（a）。用望远镜观察尽量远处的物体，前后调节目镜镜筒（即调节物镜与叉丝之间的距离），使远处物体的像和目镜中的十字叉丝同时清楚。将载

7、物台平面和望远镜轴尽量调成水平（目测）。在分光计调节中，粗调很重要，如果粗调不认真，可能给细调造成困难。细调将分光计附件平面反射镜（或三棱镜）如图0-3-13放在载物平台上（注意放置方位，如图放置则主要由一个螺钉控制一个反射面的倾斜）。应用自准直原理调望远镜适合平行光。点亮“小十字叉丝”照明用电灯：将望远镜垂直对准平面镜（或三棱镜）的一个反射面，如果从望远镜中看不到绿色“小十字叉丝”的反射像），如果仍然找不到反射像时，就要稍许调一下图0-3-13中的控制该反射面的螺钉，再慢慢左右转动平台去找；看到“外十字叉丝”反射像（如图0-3-14（a）后，再前后微调目镜镜筒，使小十字叉丝反射像清楚且和测量

8、用十字叉丝间无视差。这样，望远镜就已适合平行光，以后不许再改变望远镜的调焦状态。用逐次逼近法调望远镜光轴与中心转轴垂直（即将观察面调成平面观察平面与读数平面平行）。由镜面批射的小十安叉丝像和和调整叉丝如果不重合，调节望远镜倾斜使二叉丝间的偏离减少一半，再调节平台螺钉各调回一半（参照图0-3-15）。注意：时常发现从平面镜的第一面见到了绿色小十字像，而在第二面则找不到，这可能是粗调不细致，经第一面调节后，望远镜光轴和平台面均显著不水平，这时要重作粗调；如果望远镜轴及平台面无明显倾斜，这时往往是小十字像在调节叉丝上方视场之外，可适当调望远镜倾斜（使目镜一侧升高些）去找。反复进行以上的调整，直至不论

9、转到哪一反射面，小十字像均能和调整叉丝重合，则望远镜光轴与中心转轴已垂直。此调节法称为逐次逼近法或各半调节法（问：上述调节后，载物平台的台面与中心转轴是否已垂直？）调节准直管使其产生平行光，并使其光轮与望远镜的光轴重合。关闭望远镜叉丝照明灯，用光源照亮准直管狭缝像；转动望远镜，对准准直管；将狭缝宽度适当调窄，前后移动狭缝，使从望远镜看到清晰的狭缝像，并且狭缝像和测量叉丝之间无视差。这时狭缝已位于准确性直管准直物镜的焦面上，即从准直管出射平行光束；调准直管倾斜，使狭缝像的中心位于望远镜测量叉丝的交点上，这时准直管和望远镜的光轴平行，并近似重合。（问：为何讲近似重合，而不是完全重合？）如图2-4所

10、示，光线PO经待测棱镜的两次折射后，沿方向射出时产生的偏向角为。在入射光线和出射光线处于光路对称的情况下，即，偏向角为最小，记下有如下关系： （2-1）因此，只要测出A与就可以从式（2-1）求得折射率。由于透明材料的折射率是光波波长的函数，同一棱镜对不同小波长的光具有不同的折射率。所以当复色光经棱镜折射后，不同波长的光将产生不同的偏向而被分散开来。通常棱镜的折射率是对钠光波长589.3nm而言。原理 将折射率为n的待测物质放在已知折射率为N的直角棱镜的折射面AB上，且nN。若以单色的扩展光源照射分界面AB时，则从图可以看出：入射角为90度的光线I将掠射到AB界面而折射进入三棱镜内。显然，其折射

11、角i应为临界角，因而满足关系式Sin i= n/N当光线I射到AC面，再经折射而进入空气时,设在AC面上的入射角为,折射角为,则有SIN=NSIN.出射入光线I外,其他光线例II在AB面上的入射光角均小于90度,因此经三棱镜折射最后进入空气时,都在光线I的左侧.当用望远镜对准出射光方向观察时,视场中将看到以光线I为分界线的明暗半荫视场.当三棱镜的棱镜角A大于i时,A,i和角有如下关系 A=i+消去i和后可得N2-sin2+cosA*sinn=sinA如果棱镜角A=90度,则上式简化为N2-sin2因此,当直角棱镜的折射率N为已知时,测出角后即可计算出待测物质的折射率n.上述测定折射率的方法称为

12、掠入射法,是基于全反射原理.三、实验方案将待测棱镜置于棱镜台上。固定望远镜，点亮小灯照亮目镜中的叉丝，放置镜台，使棱镜的一个折射面对准望远镜，用自准直法调节望远镜的光轴与此折射面严格垂直，即使十字叉丝的反射和调整叉丝完全重合。如图2-2所示。记录刻度盘上两游标读数；再转动洲标盘联带载物平台，用同样方法使望远镜光轴垂直于棱镜第二折射面。记录相应的游标读数；同一游标两次读数之差等于棱角A的补角：即棱镜角。重复测量几次，计算棱镜角A的平均值和标准不确定度。1、用钠灯照亮狭缝，使准直管射出平行光束。2、测定最小偏向角将待测棱镜按图2-5所示放置在棱镜台上，转动望远镜至位置，便能清楚地看见钠光经棱镜折射

13、后形成的黄色谱线。将刻度内盘（游标盘）固定。慢慢转动棱镜台，改变入射角，使谱线往偏向角减小的方向移动，同时转动望远镜跟踪该谱线。当棱镜转到某一位置，该谱线不再移动，这时无论棱镜台向何方向转动，该谱线均向相反方向移动，即偏向角都变大。这个谱线反向移动的极限位置就是棱镜对该谱线的最小 偏向角的位置。左右慢慢转动棱镜台，同时操纵望远镜装置，使坚直叉丝对准黄色谱线的极限位置（中心），记录望远镜在位置的刻度盘读数。将棱镜转到对称位置（图2-6），使光线向另一侧偏转，同上寻找黄色谱线的极限位置，相应的游标读数为。同一游标左、右两次数值之差、是最小偏向角的2倍，即3、用测得的顶角A及最小偏向角计算棱镜玻璃的

14、折射率及不确定度。注意有关表示角度误差的数值要以弧度为单位。4、将待测液体一、二滴在直角棱镜的AB面上，用90度作为棱镜顶角（A），并用另一辅助棱镜ABC 之一个表面AB与AB面组合，使液体在冷镜接触面间形成一均匀液膜，然后置于分光计棱镜台上。5、点亮钠灯照亮毛玻璃屏，将它放在折射棱B的附近，先用眼睛在出射光的方向观察半荫视场。旋转棱镜台，改变光源和棱镜的相对方位，使半荫视场的分界线位于棱镜台近中心处，将棱镜台固定。转动望远镜，使望远镜叉丝对准分界线，记下两游标读数（v1,v2）重复测量几次，取平均值。6、再次转动望远镜，利用自准直的调节方法，测出A、C面的法线方向，记下两游标读数（v1，,v

15、2，），重复测量几次，取平均值。四、主要仪器及试剂 分光计，钠灯，三棱镜（两块），待测液体五、实验要求根据本实验的特点，学生预习相关知识内容，包括查阅哪些相关文献资料等，并写出实验方案。六、思考题1.设计一种不测量最小偏向角而能测玻璃折射率的方案。2.怎样应用掠入射法测玻璃棱镜的折射率？七、实验报告对实验步骤，实验数据、实验中的特殊现象、实验操作的成败、实验的关键点等内容进行整理、解释、分析总结，回答思考题，提出实验结论或提出自己的看法等。八、其它说明告知学生实验室管理的相关规定等。设计性实验项目指导书普物光学实验李建华 编 写适用专业： 物理 唐山师范学院 物理 系2007年5月实验项目 利

16、用光的干涉原理测头发丝直径实验学时： 10 学时实验类型：设计性实验每组人数： 1 人组一、实验目的1.利用光的劈尖干涉测细丝直径或微小厚度。2.熟悉读数显微镜的使用和用逐差法处理实验数据。二、实验原理一列单色光入射到透明的空气薄膜上时，薄膜上、下两表面反射产生的两束相干光，在相遇时具有下式所示的光程差 =2dcos i式中i为光线的入射角，d为光线入射处薄膜厚度。如果入射光束为平行光，那么相干光束间的光程差仅取决于薄膜的厚度，同一级干涉条纹对应的薄膜厚度相同，这就是所谓等厚干涉。本实验引用等厚干涉的直线条纹测量微小长度。三、实验方案1、根据教师提供的题目，学生选题；2、经课下查阅相关资料后，设计实验思路、步骤，并提出使用的仪器设备；3、经教师审阅同意后准备仪器，熟悉仪器，熟悉器件；4、实际操作；5、写总结性的论证报告。四、主要仪器及试剂读数显微镜、劈尖、平行平晶五、实验要求根据本实验的特点，学生预习相关知识内容，包括查阅哪些相关文献资料等，并写出实验方案。六、思考题预习有关光的干涉的相关资料。七、实验报告对实验步骤，实验数据、实验中的特殊现象、实验操作的成败、实验的关键点等内容进行整理、解释、分析总结，回答思考题，提出实验结论或提出自己的看法等。八、其它说明告知学生实验室管理的相关规定等。