光学实验基础知识

光学实验基础知识 精编资料 在基础物理实验中，学生通过研究一些最基本的光学现象，同时接触一些新的概念和实验技术，学习和掌握光学实验的基本知识和基本方法，培养基本的光学实验技能。 ... 基础 光学实验基础知识 光学是物理学中一门古老的经典学科，近几十年来又有了突飞猛进的发展。经典的光学理论和实验方法在促进科学技术进步方面发挥了重要作用;新的研究成果和新的实验技术不断促进光学学科自身的进展，也为其他许多科技领域的发展，如天文、化学、生物、医学等提供了重要的实验手段。光学实验技术在现代科技中发挥着越来越重要的作用。在基础物理实验中，学生通过研究一些最基本的光学现象，同时接触一些新的概念和实验技术，学习和掌握光学实验的基本知识和基本方法，培养基本的光学实验技能。在光学实验中使用的仪器比较精密，光学仪器的调节也比较复杂，只有在了解了仪器结构性能基础上建立清晰的物理图像，才能选择有效而准确的调节方法，判断仪器是否处于正常的工作状态。在光学实验中，理论联系实际的科学作风显得特别重要，如果没有很好地掌握光学理论，要做好光学实验几乎是不可能的。在光学实验过程中，仪器的调节和检验，实验现象的观察、分析等都离不开理论 309 的指导。为了做好光学实验，要在实验前充分做好预习，实验时多动手、多思考，实验后认真总结，只有这样才能提高科学实验的素养、培养实验技能、养成理论联系实际的科学作风。 一、用光学仪器注意事项 具备良好实验素养的科技工作者，在光学实验中都会十分爱惜各种仪器。而学生在实验中加强爱护仪器的意识也是培养良好实验素养的重要方面。光学仪器一般都比较精密，光学元件都是用光学玻璃经多项技术加工而成，其光学表面加工尤其精细，有的还镀有膜层，因此使用时要特别小心。如使用维护不当很容易造成光学元件破损和光学表面的污损。使用和维护光学仪器时应注意以下方面。 1.在使用仪器前必须认真阅读仪器使用 说明 关于失联党员情况说明岗位说明总经理岗位说明书会计岗位说明书行政主管岗位说明书 书，详细了解仪器的结构、工作原理，调节光学仪器时要耐心细致，切忌盲目动手。 使用和搬动光学仪器时，应轻拿轻放，避免受震磕碰。光学元件使用完毕，必须放回光学元件盒内。 2.保护好光学元件的光学表面，不能用手触及光学表面，以免印上汗渍和指纹。对于光学表面上附着的灰尘可用脱脂棉球或专用软毛刷等清除。如发现汗渍、指纹污损可用实验室准备的擦镜纸擦拭干净，有镀膜的光学表面上的污迹常用脱脂棉球蘸少量乙醇和乙醚混合液转动擦拭多遍才行。对于镀膜光学表面的污迹和光学表面起雾等现象及时送实验室专门处理，学生不要自行处理。 3.光学仪器的机械部分应及时添加润滑剂，以保持各转动部件转动自如、防止生锈。仪器长期不使用时，应将仪器放入带有干燥剂的木箱内。 310 4.使用激光光源时切不可直视激光束，以免灼伤眼睛。 二、光学实验的观测方法 1.用眼睛直接观察 在光学实验中常通过眼睛直接对光学实验现象进行观察。用眼睛直接进行观测具有简单灵敏，同时观察到的图像具有立体感和色彩等特点。这种用眼睛直接观察的方法，常称为主观观察方法。 人的眼睛可以说是一个相当完善的天然光学仪器，从结构上说它类似于一架照相机。人眼能感觉的亮度范围很宽，随着亮度的改变眼睛中瞳孔大小可以自动调节。人眼分辨物体细节的能力称为人眼的分辨力。 ,在正常照度下，人眼黄斑区的最小分辨角约为。人眼的视觉对于不同1 波长的光的灵敏度是不同的，它对绿光的感觉灵敏度最高。人眼还是一个变焦距系统，它通过改变水晶体两曲面的曲率半径来改变焦距，约有20,的变化范围。 2.用光电探测器进行客观测量 除了用人眼直接观察外，还常用光电探测器来进行客观测量，对超出可见光范围的光学现象或对光强测量需要较高精度要求时就必须采用光电探测器进行测量，以弥补人眼的局限性。 常用的光电探测器有光电管、光敏电阻和光电池等。 (1)光电管是利用光电效应原理制成的光电发射二极管。它有一个阴极和一个阳极，装在抽真空并充有惰性气体的玻璃管中。当满足一定条件的光照射到涂有适当光电发射材料的光阴极时，就会有电子从阴极发出，在二极间的电压作用下产生光电流。一般情况下光电流的大小与光通量成正比。 311 (2)光敏电阻是用硫化镉、硒化镉等半导体材料制成的光导管。当有光照射到光导管时，并没有光电子发射，但半导体材料内电子的能量状态发生变化，导致电导率增加(即电阻变小)。照射的光通量越大，电阻就变得越小。这样就可利用光电管电阻 的变化来测量光通量大小。 (3)光电池是利用半导体材料的光 生伏打效应制成的一种光探测器，由于光 电池有不需要加电源、产生的光电流与入 射光通量有很好的线性关系等优点，常在 大学物理实验中使用。 硅光电池结构如图1所示。利用硅片制成结，在型层上贴一PNP栅形电极，型层上镀背电极作为负极。电池表面有一层增透膜，以减N 少光的反射。由于多数载流子的扩散，在型与型层间形成阻挡层，NP 有一由型层指向型层的电场阻止多数载流子的扩散，但是这个电场NP 却能帮助少数载流子通过。当有光照射时，半导体内产生正负电子对，这样型层中的电子扩散到结附近被电场拉向型层，型层中的PPNNN空穴扩散到结附近被阻挡层拉向区，因此正负电极间产生电流;PNP 如停止光照，则少数载流子没有来源， 电流就会停止。硅光电池的光谱灵敏度 最大值在可见光红光附近()，截800nm 止波长为。图2表示硅光电池灵1100nm 敏度的相对值。 使用时注意，硅光电池质脆，不可 312 用力按压。不要拉动电极引线，以免脱落。电池表面勿用手摸。如需清理表面，可用软毛刷或酒精棉，防止损伤增透膜。 三、光学实验常用仪器的结构与调节 1.光具座与光路调节 光具座是一种多功能的通用光学仪器。用于物理实验的光具座由导轨、滑动座(光具凳)、光源、可调狭缝、像屏和各种夹持器组成(图3)，按实验需要另配光学元件，如透镜、棱镜、偏振片等组成光学系统。常用的导轨长度为，导轨上有米尺，滑动座上有定位线，便于确定1m~2m 光学元件的位置。 光具座的同轴等高调节步骤如下。 无论是几何光学实验还是物理光学实验，在光具座上经常需要进行与共轴球面系统相关的光路调节。一个透镜的两个折射球面的曲率中心处在同一直线(即光轴)上，就成为一个共轴球面系统。实验光具组常由一个或多个共轴球面系统与其他器件组合而成。为了获得良好质量的像，各透镜的主光轴应处于同一直线上，并使物位于主光轴附近;又因物距、像距等长度量都是沿主光轴确定的，为了便于调节和准确测量，必须使透镜的主光轴平行于带标尺的导轨。达到上述要求的调节叫做“等高同轴”调节。 313 图3 具体操作分两步进行: (1)粗调，即先将透镜等元器件向光源靠拢，凭目视初步决定它们的高低和方位(要求不高时，在形成光路过程中再加以适当修正，即可进行观测)。 (2)细调，即在粗调基础上，按照成像规律或借助其他仪器作细致调节。如两次成像法(贝塞尔法或共轭法)测凸透镜焦距的实验光路，常用于光具组的共轴调节。当透镜移动到两个适当位置，使正立箭头在接收屏上分别成大小两个清晰的倒立实像时，若此二像的尾端在屏坐标的同一位置，它们就与物箭头的尾端同在平行于导轨的主光轴上(轴上物点成像不离轴)。以此为基准，可将物方某点调到主光轴上，或对另一透镜作共轴调节。 2.测微目镜 测微目镜是带测微装置的目镜，可 作为测微显微镜和测微望远镜等仪器 的部件，在光学实验中有时也作为一个 测长仪器独立使用(例如测量非定域干 涉条纹的间距)。图4是一种常见的丝 杠式测微目镜的结构剖面图。鼓轮转动 时通过传动螺旋推动叉丝玻片移动;鼓 轮反转时，叉丝玻片因受弹簧恢复力作 用而反向移动。有100个分格的鼓轮每 转一周，叉丝移动，所以鼓轮上1mm 314 的最小刻度为。图5表示通过目镜看到的固定分划板上的毫米1100mm 尺、 图5 可移动分划板上的叉丝与竖丝。测微目镜的结构很精密，使用时应注意:虽然分划测微目镜视场内的标尺和叉丝板刻尺是，但一般测量应0~8mm 尽量在范围内进行，竖丝或叉丝交点不许越出毫米尺刻线之1mm~7mm 外，这是为保护测微装置的准确度所必须遵守的规则。 3.读数显微镜 读数显微镜又称作移测显微镜是利用螺旋 测微器控制镜筒(或工作台)移动的一种测量 显微镜。此外，也有移动分划板进行测量的机 型。显微镜由物镜、分划板和目镜组成光学显 微系统。位于物镜焦点前的物体经物镜成放大 倒立实像于目镜焦点附近并与分划板的刻线在 同一平面上。目镜的作用如同放大镜，人眼通 过它观察放大后的虚像。为精确测量小目标， 有的移测显微镜配备测微目镜，取代普通目镜。 图6中的镜筒移动式移测显微镜可分为测量架和底座两大部分。在测量架上装有显微镜筒和螺旋测微装置。显微镜的目镜用锁紧圈和锁紧螺钉固紧于镜筒内。物镜用螺纹与镜筒连接。整体的镜筒可用调焦手轮对物调焦。旋转测微鼓轮，镜筒能够沿导轨横向移动，测微鼓轮每旋转一周，显微镜筒移动，镜筒的移动量从附在导轨上的直尺上1mm50mm读出整毫米数，小数部分从测微鼓轮上读。测微鼓轮圆周均分为100个 mm刻度，所以测微鼓轮每转一格，显微镜移动0.01。测量架的横杆插 315 入立柱的十字孔中，立柱可在底座内转动和升降，用旋手固紧。 0(20,3)C 为了保证应有的测量精度，读数移测显微镜最好在室温条件下使用。使用前先调整目镜，对分划板(叉丝)聚焦清晰后，再转动调焦手轮，同时从目镜观察，使被观测物成像清晰，无视差。为了测量准确，必须使待测长度与显微镜筒移动方向平行。还要注意，应使镜筒单向移动到起止点读数，以避免由于螺旋空回产生的误差。 4.光学测角计 光学测角计原称分光计，简称测角计，主要用于精确测量平行光束的偏转角度，借助它并利用折射、衍射等物理现象完成偏振角、折射率，光波波长等物理量的测量，其用途十分广泛。 (1)分光计的结构 测角计由准直管、载物台、望 远镜、读数装置和底座组成。此 外常附一块调节用的光学平行平 板。图7是型测角计的外貌，JJY 其主要部件分别简介如下。 ?准直管。它的一端是狭缝， 另一端是准直物镜。当被照明的 狭缝位于物镜焦平面上时，通过 镜筒出射的光成为平行光束。如 图所示，它装在底座的立柱上，螺钉24和25能调节其光轴的方位。狭缝可沿光轴移动和转动，缝宽可在调节。 0.02mm~2mm ?载物台。是一个放置光学元件用的圆形平台，通过台下的连接套 316 筒装在仪器的中心转轴上，能以该轴为中心转动。把螺钉7、制动架4和游标盘止动螺钉23锁紧，借助立柱上的调节螺钉22也能使载物台微动，为固定台面高度，锁紧螺钉7即可。台下有3个调平螺钉，可用于调节光学元件的方位，从准直管出射的平行光束因所用元件的反射、折射或衍射而改变方向。 ?望远镜(阿贝自准直式)。用于确定平行光束方向，由支臂14支持。支臂与转座固定连接套在度盘上。松开螺钉16，转座与度盘皆可单独转动;旋紧这个螺钉，转座与度盘即可一起转动。旋紧制动架和底座上的止动螺钉17时，利用螺钉15能够微调望远镜方位。调节望远镜光轴的另外两个螺钉是12和13。目镜10可用手轮11调焦，松开螺钉9，目镜筒又可前后移动。 自准直望远镜的结构如图8所示。它由目镜、全反射棱镜、叉丝分划板和物镜等组成。目镜、全反射镜和叉丝分划板以及物镜分别装在可以前后移动的3个套筒中。分划板上刻有双十字叉丝和透光小“十”字刻线，并且上叉丝与小 “十”字透光刻线对称于中 心叉丝，如图9(a)所示，全 反射棱镜的一个直角边紧贴 在小“十”字刻线上。开启照 明灯，光线经全反射棱镜透过 “十”字刻线。当分划板在物 镜的焦平面上时，经物镜出射 的光即成一束平行光。如有一平 317 面反射镜将这束平行光反射回来，再经物镜成像于分划板上。于是从目镜中可以同时看清叉丝和小“十”字刻线的反射像，并且无视差，见图9(b)。如果望远镜光轴垂直于平面反射镜，那么小“十”字反射像将与上叉丝重合，见图9(c)。 ?读数装置。度盘19和游标盘20套在仪器底座的中心轴上。度盘 ,下有轴承，盘面的圆周被刻线分成720等分，每格值。在游标盘直径30 ,两端有两个游标读数装置。利用游标能够把角度读准到。 1 (2)测角计的调节 测角计调节的基本要求是:望远镜调焦至无穷远，其光轴垂直于仪器主轴;从准直管出射光为平行光束，其光轴也垂直于仪器主轴，在此基础上，针对不同器件(棱镜、光栅等)的观测要求，调节载物台。 ?粗调。首先从仪器外部观察，调节螺钉13、12，使望远镜居支架中央，并使其光轴大致与主轴垂直;调节载物平台下方的3个螺钉使平台大致与主轴垂直。然后点亮目镜小灯，按图8右方所示在载物台上放置平行平面镜，进而调节镜面与仪器主轴的平行，并用望远镜寻找绿色反射像，若经一镜面反射找不到反射像，可据判断适当调节螺丝和b、c 0望远镜的倾斜度，直到平面镜转动180前后反射像都能够进入望远镜视场。这些粗调对于仪器进一步顺利调节非常重要。 ?望远镜的自准调焦。调目镜，使分划线聚焦清晰。通过全反射小棱镜上的透明十字的光，从望远镜射出，经平行平面镜反射进入望远镜后，需前后移动调焦套筒，得到亮十字的清晰像，即把分划板调到物镜 0的焦平面上，并消除视差。然后把载物台及平面镜转动180，比较被前后二镜面反射的亮十字像，先使最靠近视场上下边缘的亮十字与分划板 318 上方的十字线重合，为此分别利用平台和镜筒的调平螺钉各调节亮十字 0行程的一半，再把载物台回转?，对另一镜面反射的亮十字作同样180 的“各半调节”。如此反复调节，直到被平行平面镜两面反射的亮十字都能够与分划板上方的十字线重合，即可完成望远镜光轴与仪器主轴垂直并聚焦在无穷远的调节。 为了检查分划板的方位，可以慢转载物台，看视场内亮十字的横线是否始终沿着分划板的水平线平行移动，若有些偏离，须谨慎地转动目镜筒，校正分划板方位后再加以固定。 ?准直管的调节。关闭目镜照明灯，取下平面镜，使准直管正对光源，在用望远镜观察狭缝像的同时，调节狭缝至准直物镜的距离，使狭缝像清晰、铅直，能够与竖直分划线无视差地重合。最后调节准直管的倾斜度，当望远镜视场中狭缝的像高被分划板中心水平线等分时，即表明准直管的光轴已经垂直于仪器主轴并能出射平行光。 (3)分光计的简易调节 这里的简易调节是指实验室事先把分光计的准直管调好，即狭缝限位在准直物镜的焦平面上，准直管光轴已经垂直于分光计的主轴。学生使用分光计前，只需以此为基准，完成以下调节步骤。 ?望远镜对无限远处的实物调焦。先用目镜对分划板调焦，然后伸缩目镜套筒，对相当于无限远处的狭缝调焦，获得清晰的狭缝像，并使狭缝与分划板的竖直分划线重合时无视差。 ?望远镜光轴垂直于测角计主轴。利用望远镜轴线调节螺丝，使分划板的中心水平线平分狭缝的长度即可。 经过上述调节的分光计，如同经过常规调节的分光计一样，仍需按 319 所用光学器件(如棱镜)观测原理的要求调节载物台。 5.常用光源 (1)白炽灯 白炽灯是以热辐射形式发射光能的电光源。它以高熔点的钨丝为发光体，通电后温度约2500达到白炽发光。玻璃泡内抽成真空，充进惰K 性气体，以减少钨的蒸发。白炽灯的光谱是连续光谱。白炽灯可做白光光源和一般照明用。使用低压灯泡特别注意是否与电源电压相适应，避免误接电压较高的电插座造成损坏事故。 (2)汞灯 汞灯是一种气体放电光源。常用的低压汞灯，其玻璃管胆内的汞蒸气压很低(约几十到几百帕之间)，发光效率不高，是小强度的弧光放电光源，可用它产生汞元素的特征光谱线。型低压汞灯的电源电压为GP20 ，工作电压，工作电流。高压汞灯也是常用光源，它的管220V20V1.3A 胆内汞蒸气压较高(有几个大气压)，发光效率也较高，是中高强度的弧光放电灯。该灯用于需要较强光源的实验，加上适当的滤光片可以得到 GGQ50一定波长(例如)单色光。型仪器高压汞灯额定电压546.1nm (95,15)V，功率，工作电压，工作电流，稳定时间。 220V50W0.62A10min 汞灯的各光谱线波长分别为、、、579.07nm576.96nm546.07nm 、、、。汞灯工作时必须串接适491.60nm435.83nm407.78nm404.66nm 当的镇流器，否则会烧断灯丝。为了保护眼睛，不要直接注视强光源。正常工作的灯泡如遇临时断电或电压有较大波动而熄灭，须等待灯泡逐步冷却，汞蒸气降到适当压强之后才可以重新发光。 (3)钠灯 320 钠光谱在可见光范围内有和两条波长很接近的589.59nm588.99nm 特强光谱线，实验室通常取其平均值，以(线)的波长直接D589.3nm 当近似单色光使用。此时其他的弱谱线实际上被忽略。低压钠灯与低压汞灯的工作原理相类似。充有金属钠和辅助气体氖的玻璃泡是用抗钠玻璃吹制的，通电后先是氖放电呈现红光，待钠滴受热蒸发产生低压蒸气，很快取代氖气放电，经过几分钟以后发光稳定，射出强烈黄光。 低压钠灯与低压汞灯使用同一规格的镇流器。 GP20HgGP20Na (4)光谱管(辉光放电管) 这是一种主要用于光谱实验的光源，大多在两个装有金属电极的玻璃泡之间连接一段细玻璃管，内充极纯的气体。两极间加高电压，管内气体因辉光放电发出具有该种气体特征光谱成分的光辐射。它发光稳定，谱线宽度小，可用于光谱分析实验作波长 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 参考。使用时把霓虹灯变压器的输出端接在放电管的两个电极上。因各元素光谱管起辉电压不同，所以在霓虹灯变压器的输入端接一个调压器，调节电压到管子稳定发光为止。光谱管只能配接霓虹灯变压器或专用的漏磁变压器，不可接普通变压器，否则会被烧毁。 6.滤光片 滤光片是能够从白光或其他复色光分选出一定的波长范围或某一准单色辐射成分(光谱线)的光学元件。各种滤光片可以按所利用的不同物理现象分类，其中以选择吸收和多光束干涉两种类型最为常见。 (1)吸收滤光片 这是利用化合物基体本身对辐射具有的选择吸收作用制成的滤光片。常用材料是无机盐做成的有色玻璃或者有机物质做成的明胶和塑料。 321 , 滤光片的一个重要参数是透射率。若是入射光通量，是经过滤,0 T,,,光片的透射光通量，则透射率。 0 有色玻璃滤光片使用广泛，优点是稳定、均匀，有良好的光学质量，但其通带较宽(很少低于)。有机物质滤光片制作容易，便于切割，30nm 而机械强度和热稳定性较差。 选用两片(或三片)不同型号的有色玻璃组合起来，可以获得较窄的通带。 (2)干涉滤光片 干涉滤光片的显著优点是既有窄通带，同时又有较高透射率。 常见的透射干涉滤光片利用多光束干涉原理制成。例如，一种最简单的结构是:在一块平面玻璃板上先镀一层反射率较高的金属膜，然后镀一层介质膜，在这层膜上再镀一层金属反射膜，最后盖封一块平面玻璃板。使光束垂直通过滤光片，则直接透过的光束与经金属膜两次反射后再透过的光束之间的光程差 ,,2nd n其中:为介质膜的折射率;为膜的厚度。如果选择光程，对dnd ,,m,(m,1,2,3？)某一波长为的光束来说 , 2nd,则 ,m 于是，该波长的透射光都是干涉加强的，其他接近此波长的透射光 ,5急剧减弱。例如，当忽略折射率随波长的变化时，设nd,5.46，10cm，则在可见光范围的透射光峰值波长为。这就是能够滤出汞光谱绿546nm 线的干涉滤光片。如果以多层介质膜取代上述金属膜，即可获得高透射率的窄带滤光片。选择普通吸收滤光片做干涉滤光片的基板(保护板) 322 还可以控制透射光的截止区域。 , 干涉滤光片的主要光学性能由中心波长、通带半宽度和峰值,,0 透射率决定。 实验三十九 薄透镜焦距的测定 光学仪器种类繁，其中多透镜是光学仪器中最基本的器件，而焦距是反映透镜性质的一个重要参数。在不同的场合，因使用的目的不同，需要选择具有不同焦距的透镜或透镜组，如用不同焦距的透镜组成的望远镜和显微镜等常用的助视光学仪器。因此，了解并掌握透镜焦距的测定方法，掌握一些简单光路的分析和调整方法，不仅有助于加深对几何光学中成像的理解，也有助于对光学仪器调节和使用的训练，同时为今后正确使用光学仪器打下良好的基础。 光具座是光学实验中的一种常用设备。它由光具座架(导轨型和船型等)及光凳、夹具等组成，可根据不同的实验要求，将光源和各种光学元件装在光具座上进行多种实验，如透镜焦距的测定，望远镜、显微镜的组装及其放大率的测定，还可以进行单缝衍射、阿贝成像等。光具座结构可参阅光学实验基本知识部分313页。 【实验目的】 1.学习透镜成像的基本原理和基本规律及薄透镜焦距的几种测量实验方法。 2.掌握简单光学系统的分析和调整原则及调整方法。 323 3.观察透镜成像的球差和色差。 【实验仪器】 光具座、钠光灯、凸透镜、凹透镜、透镜架、观察屏、平面镜、有色玻璃等 【实验原理】 一、薄透镜的成像规律 透镜的厚度比它的两个 球面中的任何一个曲面的曲 率半径要小得多，而且比透 镜的焦距f也小得多的透镜 称为薄透镜。薄透镜一般有 凸透镜和凹透镜两种。凸透 镜有使光线会聚的作用。当一束平行于透镜主光轴的光线透过凸透镜后，将会聚于主光轴上，会聚点称作该凸透镜的焦点，凸透镜光心到焦FO f点的距离称为该凸透镜的焦距，如图39-1(a)所示。凹透镜具有使F 光线发散的作用，当一束平行于透镜主光轴的光线透过凹透镜后，成为 ,,发散光束。发散后的光线的反向延长线交于主光轴上一点，称作该FF ,,,f凹透镜的焦点。凹透镜光心到焦点的距离称为该凹透镜的焦距,FO 如图39-1(b)所示。 二、薄透镜焦距的测量原理测量薄透镜的焦距，可用以下几种方法: 1.凸透镜焦距的测定 (1)物距像距法(公式法) 如图39-2所示的光路图，物体发出A ,的光线经过透镜折射后将成像在透镜的A 324 u另一侧的观察屏上。设薄透镜的物距为，测出的物距为，对应的像f υ距为，代入薄透镜的成像公式—高斯公式: 111,, υuf uυ则 f, (39-1) u，υ (2)自准值法(平面镜法) 如图39-3所示的光路图，当发光物体放在A 凸透镜的第一焦平面上时，由物体发出的光经过透镜折射后将成为平L 行光;若用一个与主轴垂直的平面镜将此平行光反射回去，则平行光M 将按原光路返回，经透镜的第二次折射后仍会聚在第一焦平面上。此时 X、X测量出物体和透镜的位置，即可求得透镜的焦距为: 12 f,X,X。 (39-2) 21 (3)共轭法(位移法) 以上两种测量焦距的方法均需要测量物距(像距)。在实验中对于较厚透镜或透镜组的主平面位置因较难读出精确值而带来测量误差，使透镜的焦距测量不易测得精确。共轭法(位移法)克服了前两种方法的缺点。如图39-4所示，设物屏与像屏 f之间的距离为，透镜的焦距为，L L(,,，υ),4f当满足，透镜在物屏 与像屏之间移动时，有两个位置可以 在像屏上形成实像。 X,,υ透镜在位置时()，形成一个放大的实像，有 111 325 ,υLυυ(,)1111f,, (39-3) ,υL，11 透镜在位置时()，形成一个缩小的实像，有 X,,υ222 ,υ(L,υ，l)(υ,l)2211f,, (39-4) ,υL，22 联立式(39-1)和式(39-2)解得: L，l (39-5) υ,12 将式(395),代入式(39-3)或式(39-4)可得 22,Ll,f (39-6) 4L 式(39,4)即为位移法所得的结果，从该式可以看出，实验中只要测 出即可算出透镜的焦距f。因为实验中，物屏与像屏固定不动，其L，l X、X间距可以准确测量;而只是透镜在两个成像位置间的相对距Ll12 离，与透镜主平面的位置无关，因此也可准确测量，这样使用位移法就 提高了测量的准确度。 (4)由辅助透镜成像法求凹透镜的焦距 对于凹透镜，因为实物不能得到实 像，所以不能用白屏接取像的方法测量 其焦距。实验中可以利用辅助透镜成像 的方法求得凹透镜的焦距。如图39-5所 f示，设凹透镜的焦距为，物体经凸P ,,,,,透镜成像于，在和间放上待测凹透镜。对于而言，虚物LPPLPLL ,,又成像于，根据透镜成像公式得 P 326 111,, ,llf ,l，lf, (39-7) ,l,l ,实验中只要测得绝对值，就可得到凹透镜焦距。 fl、l 【实验仪器】 光具座、凸透镜、凹透镜、平面镜、物屏和像屏、小灯狭缝、滤光片、纳光灯等。在狭缝前方放置过滤片的目的是消除色差，提高测量的准确性。 【实验内容】 一、光具座上各元件的共轴调节 物距、像距和透镜移动的距离都是沿主光轴计算长度的，而长度是由光具座上的刻度来读数的，只有各个透镜的主光轴与光具座导轨平行，测量的数据才能够准确。实验中如用几个透镜同时进行，则应调节每个透镜的主光轴共轴并且与光具座导轨平行，而且薄透镜成像公式只在共轴条件下，在近轴光线下才能够成立。因此用光具座进行光学实验必须首先进行共轴调节。调节分为粗调和细调两步，详细调节方法参见光学实验基础知识相关章节。 二、用物距象距法测量凸透镜的焦距 1. 在光具座上按图39-2依次放好光源、物屏、凸透镜和像屏。接通光源电源照亮物屏，调解使之共轴。 u,2f2.调节物屏和透镜的位置，保证物距，固定物屏和凸透镜， 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 物屏和透镜的的位置。 3.移动像屏直到像屏获得清晰缩小的实像，记录像屏的位置。 4.根据物屏、凸透镜和像屏的位置计算出物距、像距填入表格39-1。 327 5.重复步骤2、3、4，测量、计算五次。 f6.利用公式(39-1)求出凸透镜焦距的平均值和平均值的标准误差，写出测量结果。 ,f,,ff 三、用自准直法测量凸透镜的焦距 1.在光具座上按图39-3放置光源、物屏、凸透镜和平面镜，使各元件平面相互平行且与导轨垂直，打开光源照亮物屏。 2.调整各元件的位置和高度使之共轴。 3.沿导轨移动凸透镜直至物屏上出现一个等大的倒立得清晰实像。记录凸透镜和物屏的位置，按式(39-2)计算出凸透镜的焦距f。 4.重复步骤1、3测量五次，将数据记入表39-2。求出凸透镜焦距 f的平均值和平均值的标准误差，写出测量结果。 ,f,,ff 四、位移法(共轭法)测量凸透镜的焦距 1.用物屏代替平面镜，。调整各元件共轴。，取物屏和像屏之间的距Lf,4离。固定和记录物屏和像屏位置，计算出的数值。 L 2.沿导轨移动凸透镜，使像屏上先后获得放大和缩小的清晰实像，读取先后两次成像时凸透镜的位置，计算出的数值。 l f3.将和的数值代入公式(39-6)中，计算出凸透镜的焦距。 Ll 4.改变物屏和像屏之间的距离，重复上述步骤五次，将数据记入L f表格39-3中，求出凸透镜焦距的平均值。 五、由辅助透镜成像法测量凹透镜的焦距 1.在光具座上按图39-5依次放置好光源、物屏、凸透镜、滑座(待装凹透镜)和像屏。 2.打开光源照亮物屏，调整各元件共轴。 328 3.调节物屏和凸透镜的位置，使其距离大于，固定凸透镜和物屏，2f 记录下他们的位置。 ,4.移动像屏直至宰相屏上出现清晰缩小的实像，记录此时像屏的P 位置。 5.保持物屏和凸透镜位置不动。在凸透镜和像屏之间放入待测的凹透镜。调节其光轴位置与原系统共轴。 ,,6.移动像屏直至在像屏上获得清晰的实像。记下凹透镜和像屏的p ,位置，算出物距和像距，代入公式(39-7)中计算出凹透镜的焦距f。 ll 7.改变物屏和凸透镜之间的距离，重复步骤3、4、5、6测量五次， f将数据记入表格39-4中，求出凹透镜焦距的平均值。 【注意事项】 1.共轴调节要认真仔细，在凭眼睛直接观察粗条的基础上，还要注意观察成大像、成小像时重心位置是否变化，如有变化则说明共轴调节不理想，须再认真调节。 2.注意保护各光学元件的干燥清洁，使用时不许直接接触光学表面。 【数据处理】 表39-1 物距象距法测量凸透镜的焦距 物屏位置像屏位置nfcm/次数 像距 焦距 物距ucm/υ/cmcmcm/ / 1 2 329 3 4 5 fcmcm,,;;,f ffcm.,,,,f 表39-2 自准直法测量凸透镜的焦距 cmcmn次数 物屏位置/ 像屏位置/ 焦距 fcm/ 1 2 3 4 5 fcmcm,,;;,f ffcm.,,,,f 表39-3 位移法(共轭法)测量凸透镜的焦距 透镜位置 /cm次数物屏位像屏位fcm/ Lcm/lcm/cmcmn 置/ 置/ 放大像 缩小像 330 1 2 3 4 5 fcm,; 表39-4 辅助透镜成像法测量凹透镜的焦距 ,,次凸透镜凹透镜像P,位物屏位像P数位置 fcm/ 位置位置Lcm/lcm/cm 置 置//cmcmn / /cm/cm 1 2 3 4 5 fcm,; 【思考题】 1.用位移法测量凸透镜焦距时，如果大像中心在上，小像中心在下， 那么物屏的位置是偏上还是偏下,请画出光路图加以分析。 2. 辅助透镜成像法测量凹透镜的焦距时，对第一次凸透镜成像有什 么要求, 3.为什么在测量透镜焦距的实验中要使用单色光源, 331 4.能否用自准直法测量凹透镜的焦距,实验时验证你的观点。 实验四十 分光计的调节与棱镜折射率的测定 分光计是较准确的、分光测量平面角的测量仪器，物理实验室常用 ,,,的型和型分光计的测量精度可达到和。在许多的实130FGY01,JJY 验测量中都要用到分光计，例如常用它测量反射角、折射角、衍射角、三棱镜顶角和最小偏向角等。测量衍射角可以确定光波的波长，测量偏向角可以确定光学材料的折射率，借助于色三棱镜可研究材料的色散特性，进行光谱研究;借助于偏振片和波片，可进行光的偏振特性及有关偏振光干涉的研究。因此，熟练掌握分光计的调整技巧与基本使用方法是十分必要的。 【实验目的】 1.了解分光计的结构，学习分光计的调整方法。 2.学习使用分光计测量玻璃三棱镜顶角。 3.观察色散现象，测量三棱镜对黄光的最小偏向角并计算出玻璃的折射率。 【实验仪器】 分光计、玻璃三棱镜、钠光灯或汞灯光源等 分光计的结构及使用方法见光学实验基本知识中有关内容 332 【实验原理】 实验中待测折射率的元 件是如图40-1所示的正三 角形三棱镜。他有和AB 两个透光的光学工作AC 面，其夹角为三棱镜的顶A 角，为不透光的毛玻璃BC 面，称为三棱镜的底面。设 一束单色平行光入射到三棱镜的表面上，经过两次折射由面LDABAC沿方向射出，如图40-2所示，出射线相对于入射线偏折了ERERLD,角度，称作偏向角。 , 从图40-1和图40-2中可以看出，偏向角 ,,，，，,,，,FDEFEDiiii()()Aii,，因顶角，所以 124323 ,,，,()iiA (40-1) 14 n对于给定的三棱镜，其顶角和折射率均为定值，所以偏向角只A, i随入射角的变化而变化，实验中发现，在随入射角变化中，当入射角,1 ii,与出射角相等时，偏向角有最小值，称作最小偏向角，记为。,14m按着求极值的方法可以证明，三棱镜的折射率与最小偏向角有如下关系: sin[(A，,)/2]sinim1n,, (40-2) sinisin(A/2)2 ,由此可见，实验中只要测量出顶角和最小偏向角，便可求出三Am n棱镜的折射率。 【实验内容】 1.调整分光计 333 (1)目镜的调整 调整目镜的目的是使眼睛能够清楚地看到目镜中分划板上的刻线。先把目镜调焦手轮旋出，然后一边旋进以便从目镜中观察，直至分划板刻线成像清晰，再慢慢旋出手轮，至目镜中的像的清晰度将被破坏而未被破坏时为止。 (2)望远镜的调焦 目的是将目镜刻划板上的十字线调整到物镜的焦平面上，即是将望远镜对无穷远调焦。先接上灯源，将目镜灯源插头与变压器插座相接。把望远镜光轴位置的调节螺丝调到适中的位置。将三棱镜放在载物台中央，其反射面对着望远镜的物镜，且与望远镜光轴大致垂直。通过调整载物台的调平螺钉和旋转载物台，使望远镜的反射像和望远镜在一直线上。从目镜中观察，此时可以看到一个亮斑，前后移动目镜对望远镜进行调焦，使亮十字线成清晰像，然后利用载物台上的调平螺钉和载物台微调机构，把这亮十字线调节到与分划板上方的十字线重合。反复移动目镜，使亮十字和十字线无视差重合。 (3)调整望远镜的光轴垂直于旋转光轴 调整望远镜光轴上下位置调节螺钉，使反射回来的亮十字精确地成 0180像在十字线上。把游标盘连同载物台三棱镜旋转时，观察到的亮十字有可能与垂直方向的位移即亮十字有可能偏高或偏低。调节载物台，调平螺钉使位移减少一半。调整望远镜光轴上下位置调节螺钉，使垂直 0方向上的位移完全消除。将游标盘连同载物台再旋转180，检查其重合程度。反复操作时偏差得到完全校正为止。 (4)将分划十字线调成水平和垂直 当载物台连同三棱镜相对于望远镜旋转时，观察亮十字是否水平移动，如果分划板的水平刻线与亮十字的移动方向不平行，就要旋转目镜，使亮十字的移动方向与分划板的水平刻线平行。需要注意的是不能破坏望远镜的调焦。调好后将目镜锁紧螺钉旋紧。 334 (5)平行光管的调焦 目的是把狭缝调整到物镜的焦平面上，即将平行光管对无穷远调焦 。去掉目镜照明器上的光源，打开狭缝，用漫射光照亮狭缝，在平行光管前放置一张白纸，检查在纸上形成的光斑。调节光源的位置，使在整个物镜孔径上照明均匀。除去白纸，把平行光管光轴左右位置调节螺钉调到适中的位置，将望远镜正对平行光管，从望远镜目镜中观察，调节望远镜微调机构和平行光管上下位置调节螺钉，使狭缝位于视场中心。前后移动狭缝机构，使狭缝清晰地成像在望远镜分划板平面上。 (6)调整平行光管的光轴垂直于旋转主轴 调整平行光管光轴上下位置调节螺钉，升高或降低狭缝像的位置，使狭缝对目镜视场的中心对称。 (7)将平行光管狭缝调成垂直 旋转狭缝机构，使狭缝与目镜分划板的垂直刻线平行，同时要注意不能破坏平行光管的调焦，然后将狭缝装置锁紧螺钉旋紧。调整结束后固定分光计相应各部件的螺丝。 2.测量三棱镜的顶角 A 将三棱镜放在载物台上，顶角在载物台中心附近，使顶角对准平行光管。平行光束射到棱镜顶角后，从面反射的光线为?，从面反ABAC射的光线为?。，用望远镜在?处观测，使单缝像与十字叉丝的纵丝重合， ,,,在左右窗口的读数分别为和;用望远镜在?处观测，使单缝像与十11 ,,,字叉丝的纵线重合，在左右窗口的读数分别为和;因反射线?和反22 射线?的夹角为顶角的二倍，则有 1111,,,,,,，,,,，,,,,,,,,,A[()()][)()] (40-3) 212121212224 A稍微改变载物台的方向，重复测量3次，求出顶角的平均值。 A ,3.测最小偏向角 m 335 按图40-2将待测三棱镜放置在分光计的载物台上，使三棱镜的底边 大致与平行光管发出的光线平行。入射光线从面射入，从射ABBCAC出。转动望远镜找到出射光线，再慢慢转动载物台，使入射光在面AB i的入射角缓慢增大，使出射线向入射线方向移动(偏向角减小)，望远1 镜也要慢慢随着跟踪转动，使单缝像不能离开望远镜视场。当载物台转至某一位置时，出射光突然反向转动，偏向角又开始增大。在这个转折点上，出透射光线正好处于最小偏向角位置。此时固定载物台，拧紧望远镜的锁紧螺丝，调节微调螺丝使望远镜视场中竖直分划线精确对准出 ,,,射光线，从分光计的两个窗口读出此时光线的方位角和; 移去三棱镜，放松望远镜紧固螺丝，转动望远镜对准平行光管方向， ,,,,调整使其精确对准入射光线，再读出方位角和，则最小偏向角为 m00 1,,,,,,,,,，,[()()] (40-4) min002 重复测量3次，求出平均值。 ,4.将测得的顶角和最小偏向角代入公式(40-2)中，计算三棱Am n镜对该光线的折射率，并计算测量误差。 【数据处理】 1.测量三棱镜的顶角 A 表40-1 三棱镜顶角测量 n ,,,,, , A1212 1 2 3 336 平均 2.测定对应某一谱线最小偏向角, min 表40-2 最小偏向角测量 ,,n , ,, , ,00min 1 2 3 平均 n3.计算折射率 【思考题】 1.分光计的刻度盘上读出的角度是什么角, 2.反射法测三棱镜的顶角时，平行光管射出的平行光是否要正入射到三棱镜的顶角上, 3.测量最小偏向角时，三棱镜为什么要按图40-2的位置放置好，不这样放置行不行, 【注意事项】 1.严格按分光计要求认真调节分光计。 2.三棱镜光学表面要保持干净，取放时切勿用手触摸。 337 实验41 用衍射光栅测光波波长 光栅和棱镜一样，是重要的分光光学原件。光栅被分为透射式和反射式两类，在结构上有平面光栅、阶梯光栅和凹面光栅。因为光栅具有较大的色散率和较高的分辨本领，反射式光栅还适用于全部紫外线、可见光和红外线，因此它被广泛地应用在各种光谱仪器中。本实验选用的是透射式平面刻痕光栅或全息光栅，利用分光计测量其光栅常数，以及汞灯在可见光范围内几条比较明显的光谱线的波长。 【实验目的】 1.观察光栅的衍射光谱，理解光栅衍射的基本规律。 2.学会测定光栅常数以及原子光谱的波长。 3.进一步熟悉分光计的调节与使用。 【实验仪器】 分光计，全息透射光栅，平行光管，低压汞灯。 【实验原理】 338 波的衍射是指波在其传播路径上如果遇到障碍物，它能绕过障碍物的边缘而进入几何阴影内传播的现象。光本身作为电磁波，当他遇到障碍物时，也会发生衍射想象，只是由于光的波长很短，所以要想见到明显的衍射现象，障碍物的尺寸一定要小。研究光的衍射，不仅有助于加深对光是波动性的理解，也利于学生进一步学习近代光学实验技术。 光栅是根据多缝衍射原理制成的一种分光原件，由一组数目很多、排列紧密、均匀的平行狭缝(或刻痕)所构成，它能产生谱线间距较宽的匀排光谱，所得光谱线的亮度比用棱镜分光时要小些，但光栅的分辨本领要比棱镜大，故常被用在各种光谱仪器中，如光栅色谱仪、光栅单色仪等。常用光栅有全息光栅和复制光栅。全息光栅是由激光全息照相法拍摄于感光玻璃板上制成。复制光栅则是把明胶或动物胶溶液倾注在母光栅上，等它变硬后剥下，形成光栅的复制品。母光栅由自动刻痕机在光学玻璃板或金属表面刻画等间距的平行细槽而制成。 a在图41-1中，为透光狭缝宽 度，为相邻两狭缝间的间距，b 为相邻两狭缝相对应两点d,a，b 之间的距离，称为光栅常数，是光 栅的基本参数之一。根据光栅衍射 理论，当波长为的单色平行光束, 垂直投射到光栅面上时，光波将在各个狭缝处发生衍射，并彼此发生干涉。这种干涉条纹定域于无穷远处。若在光栅后放一会聚透镜，衍射光会聚在它的焦平面上，就会得到如图41-1所示的衍射光的干涉条纹。 在图41-2中可以看到，衍射光谱中明条纹的位置应出现在振动加强点，其光程差应为波长的整数倍，即 (a，b)sin,,,k, k 339 dsin,,,k, ，，1，2，„ (41-1) k,0k 式中，称为光栅常数;d,a，b, 为入射光的波长，为明条纹(称为k ,谱线)的级数;是级明条纹的衍kk 射角。 如果入射光是复色光，由于各色 光的波长各不相同，则由公式(41-1) ,可以看出，其衍射角也各不相同，k 经过光栅后，复色光被分解为单色 ,,0光。在中央， 位置处，各色光仍将重叠在一起，形成0级 k,0k 亮条纹。而在中央亮条纹两侧，各种波长的单色光产生各自对应的谱线，同级谱线组成一个光带，这些光带的整体叫做衍射光谱。如图41-1所示，它们对称地分布在中央亮条纹的两侧。 在同一级的光谱线中，由于波长短的光衍射角小，波长长的光衍射角大，所以波长较短的紫光(见图41-2)靠近中央明条纹，波长较长的则远离中央明条纹，各级光谱线都按波长的大小顺序依次排列成一组彩色谱线，这样就把复色光分解为单色光。 根据公式(41-1)，若谱线的波长为已知，只要测出与该谱线相关的角，就可以计算出光栅常数;同样，若光栅常数为已知，只要测出与, 待测谱线相关的角，也可以计算出波长。 , 【实验内容】 1.点燃汞灯，调整整体分光计。首先可用目视法进行粗调，使望远镜、平行光管和载物台面大致垂直于中心轴线，望远镜对准无穷远，然 340 后调整平行光管，使其出射平行光。将平行光管前面的狭缝体位置固定合适，狭缝宽度调至约，并使“”字形的叉丝竖线与狭缝平行，,1~2mm 叉丝交点大约在狭缝像中心，然后前后伸缩目镜调焦，固定望远镜。 2.安放调节光栅。按图41-3所示将光栅 安装在载物台上，尽可能使光栅平面垂直平分 BB。也就是说，光栅平面应调节到垂直于12 入射光(可以调节光栅支架或载物台的两个螺 丝BB，使得从光删面反射回来的叉丝像与12 原叉丝重合)，固定载物台。 3.转动望远镜，一般可以看见一级和二级光谱线，注意观察叉丝的交点是否在各条谱线的中央位置，如果有高低变化，可对图41-3中的螺BBB丝(不要再动)予以校正。也可以调望远镜和平行光管上的高低312 调节螺钉。 4.用望远镜对准汞光谱中的明亮绿谱线(绿谱线的波长为 nm546.07)，分别记录左右一级两个角度位置。当测右侧谱线时，分光 ,,,计左右的两窗口读数分别为，和;当测左侧谱线时，两窗口读数分,, ,,,别为，，则由分光计原理知 ，， ,, 2,,,,,或2,,,,,，,，, 为了消除偏心差，得到 1,,,(,,,,),,，, ，,，,4 重复测量值3次以上，把所得值的平均值和波长的值代入公式,,, d,16000cm(13000cm)(41-1)中，计算出光栅常数。若，求其百分误 341 差。 5.汞光谱还有蓝、黄(两条)亮谱线，分别测出它们的一级衍射角，用已测得的光栅常数，求它们的谱线波长，按误差传递公式计算波长的标准误差。 mm表41-1 光栅常数的测量 d,,546.07 右(+1级) 左(-1级) 1 绿谱线 ,, ,,(,,,，,,,)，,，,,,,,,, 4，，,,n次数 1 2 3 ,k,,d 光栅常数 dsin, 表41-2 根据已测定的光栅常数，测定其他各条谱线波长 d,____ d 读数 右(+1级) 左(-1级) d ,,sin, 衍射角,,,, ,,k,, ,,，,，,谱线 蓝 黄1 黄2 dsin,k计算光波波长 , ,k a，ba，b,误差计算:,,,(sin,),,,,cos,,,, kk () a，b,d 342 【注意事项】 1.分光计各部分调节螺丝比较多，在不清楚这些螺丝的作用与用法之前，不要乱旋硬扳，以免损坏仪器。 2.请勿用手触摸光栅表面，移动光栅时，拿其金属基座。 3.肉眼不要长时间直视汞灯，以免被紫外线灼伤眼睛。 【思考题】 1.通过分光计的调节，掌握了哪几种光学仪器的调节方法, 2.用光栅测光波波长，对分光计有什么要求, 实验四十二 衍射法测量微小长度 光的衍射现象是光的波动性的一种表现，它说明光的直线传播是衍射现象不显著时的近似结果。光的衍射理论是光谱分析、晶体分析、全息技术、光信息处理等精密测量方面和近代光学测量技术方面的基础之 ?一。根据光源及观察屏到产生衍射的障碍物的距离不同，分为菲涅耳 ?衍射和夫琅和费衍射两种。菲涅耳衍射是光源和观察屏到障碍物的距离为有限远时的衍射，即所谓近场衍射;夫琅和费衍射则为无限远时的衍射，即所谓远场衍射。夫琅和费衍射在理论上处理比较简单，有了激光以后，在实际应用上也比较容易，因此激光衍射在测量微小长度(如缝宽、细线直径等)方面已有了不少应用。 【实验目的】 1.学会用衍射法测量微小长度—单缝的宽度。 2.观察与分析单缝的夫琅和费衍射，加深对光的衍射理论的理解。 343 3.测绘单缝衍射光强分布曲线。 【实验仪器】 光具座，激光器，可调单缝，硅光电池(装在读数显微镜筒He,Ne 旁边)，凸透镜(两个，已知焦距)光点检流计，米尺，电阻箱，双刀双掷开关，白屏。 ?菲涅耳(1788-1827)，法国物理学家和铁路工程师。1825年被选为英国皇家学会会员。他的科学成就主要有两方面，一是衍射。他以惠更斯原理和干涉原理为基础，用定量的形式建立了惠更斯-菲涅耳原理，完善了光的衍射理论。二是偏振。与D.F.J.阿拉果一起研究了偏振光的干涉，确定了光是横波;发现了光的圆偏振和椭圆偏振现象，用波动说解释了偏振面的旋转;推出了菲涅耳公式;解释了马吕斯的反射光偏振和双折射现象，被誉为“物理光学的缔造者”。 ?夫琅和费(1787-1826)，德国天文学家、物理学家。是墨慕尼黑科学院院士，是天体分光学的创始人，对大型消色物镜的制造 工艺 钢结构制作工艺流程车尿素生产工艺流程自动玻璃钢生产工艺2工艺纪律检查制度q345焊接工艺规程 作了重大的改进，发明了衍射光栅。由于在天体光谱学方面迈出的决定性的一步，被人们称为“天体物理学之父”。 【实验原理】 夫琅和费单缝衍射要求光源和观察屏都是无限远，实验中如图42-1所示的装置能实现这个要求。 LL图中将单色光源置于透镜的前焦面上，光束经透镜后形成平行11 a光，垂直照射在宽度为的单狭缝上。根据惠更斯—菲涅耳原理，狭缝上各点可视为新的波源，由这些点波源向各个方向发出球面次波，这些 L次波再经透镜后，在其后焦平面的观察屏上，就可以看到一组明暗相2 344 间，方向与狭缝平行的，按一定规律分布的衍射条纹。这种衍射就是夫琅和费衍射。由惠更斯—菲涅耳原理可知，沿垂直于单缝方向上的光强分布规律为 2,sinuaI,I， (42-1) u,sin,,02u, II其中:是衍射角;是衍射角为方向上的光强;是中央方向,,,0 a()的最大光强;为单缝的宽度;是入射单色光的波长。 ,,0, I,I当,,0时，，为中央明条纹中心点的光强，称为中央u,0,0 主极大。 11当，则，为次级极大。 asin,,(n，),,n,,1,,2,？u,(n，),22 asin,,n,,n,,1,,2,？I,0u,n,当，则，此时，，即出现,暗条纹。由于角很小，故可近似地写成 , n, (42-2) ,,a nL当透镜与观察屏间距为，对应的衍射角的级暗条纹到中央 ,S2 x明条纹中心点的间距为，则 n xn,, (42-3) S 故单缝的宽度为 ,na,S xn (42-4) 由上面几式可以看出: 345 na(1)对同一级暗条纹(相同)，衍射角与狭缝宽度成反比，狭, 缝越窄，衍射角越大，衍射效果越显著。狭缝越宽，衍射角越小，条纹越密，当狭缝足够宽()时，，衍射现象不显著，这样可将,,0a,,, 光看作是直线传播。 (2)中央明条纹的宽度，由级的两条暗条纹的衍射角所确定。n,,1 2,则中央明条纹的宽度为。而任意,,0a 相邻两暗条纹之间角为，近似相等，,, 则 xx,,n，1n (42-5) ,,,,aS (3)根据计算可知，两相邻暗条纹之间是各级次极大，以衍射角表示对应各级次极大的位置，则有 ,,,,,1.43，,2.46，,3.47，„ ,aaa I/I,0.047它们相对应的相对光强为:，0.017，0.008，0.005，„。,0 图42-2为单狭缝的夫琅和费衍射相对光强分布图。 【实验内容】 1.观察单缝衍射现象 (1)调节激光器光束与光具座导轨平行。 (2)按夫琅和费衍射条件，布置单狭缝和光屏，使它们与激光光束垂直。 (3)改变单狭缝的宽度，观察衍射的变化规律，调节出最佳待测衍射图像。 2.测量单狭缝衍射的光强分布 346 (1)移去光屏，换上硅光电池，使衍射光中央主极大照射在光电池上。调节单狭缝宽度和光电池进光的狭缝，使检流计光斑偏转接近满刻度。 (2)沿轴方向平移光电池，以较小的间隔，逐点测定衍射光的相X xIII对光强和对应的位置。衍射光强的极大值和极小值所对应的,,mn xx位置和，应精心仔细测量。 mn (3)测量单狭缝到光电池的距离。 S an(4)利用公式(42-4)计算单狭缝的宽度。取不同级数的测量 nm数据进行计算，取其平均值(激光光波的波长为632.8)。 a xI(5)以相对光强为纵坐标，以其对应的位置为横坐标，作单,, 狭缝衍射的光强分布曲线图。 3.用单缝衍射仪测量单狭缝的宽度 (1)调节好光路，从测微目镜(或读数显微镜)中观察到最佳衍射图像。在中央明条纹两侧各有5条以上的次明纹。 (2)测出级至级各暗条纹位置，并将所记录的数值填入表,1,5 42-1中。 (x,x)/2(3)计算:平均间距=。 左右 (4)测出单狭缝到测微目镜之间的距离，=(125+读数值+2.5)SS mm。 a(5)按公式(42-5)计算狭缝宽度。 a(6)计算狭缝宽度的标准偏差。 mm表42-1 数据记录表 单位: xa 左侧 右侧 平均 狭缝宽() 平均值 x1 347 x2 x3 x4 x5 4.观察细丝、圆孔、矩形孔的衍射现象(自选)。 【思考题】 1.在单缝衍射实验中，如果用低压汞灯代替钠灯实验，将看到什么现象,如在汞灯前加放绿色玻璃片，衍射图像与钠灯的衍射图像有什么不同,为什么, 2.用该实验方法是否可以测量细丝的直径,其原理和方法是否与单缝的宽度测量相同, 3.如何正确测定狭缝到测微目镜的距离, 实验四十三 牛顿环及光的等厚干涉 “牛顿环”是一种用分振幅方法实现的等厚干涉现象，最早为牛顿所发现。为了研究薄膜的颜色，牛顿曾经仔细的研究过凹透镜和平面玻璃组成的实验装置。他的最有价值的成果是，发现通过测量同心圆的半径就可以算出凸透镜和平面玻璃之间对应位置空气层的厚度。对应于亮环的空气层厚度与1、3、5、„成比例，对应于暗环的空气层厚度与0、2、4、„成比例。牛顿环实验装置十分简单，但在物理学发展史上却放射着灿烂的光芒。本实验要求学生了解等厚干涉的特点，学会用牛顿环装置测透镜曲率半径，熟悉读数显微镜的使用方法，学习用逐差法处理实验数据。 【实验目的】 1.用牛顿环测量平凹透镜的的曲率半径。 2.用劈尖干涉法测量薄纸的厚度 348 3.进一步学习读数显微镜的使用方法。 【实验仪器】 牛顿环装置，平面玻璃(两块)，读数显微镜，钠光灯及电源。 【实验原理】 1.等厚干涉 如图43-1所示，由光源发出的某种波长为S 的单色光线1和2入射到薄膜上时，设薄膜的, n折射率为，薄膜外的折射率为，光线1经过N 下表面反射后和光线2经过上表面反射后AABB在反射处相遇，因而在处产生干涉，在点CCC处就可以观察到干涉条纹。 如果薄膜为空气，其折射率，而且上下表面与之间的夹BBAAn,1 ,,角又很小，使光线几乎垂直入射，则在表面上，光线和的光BB1122C程差为 ,2 (43-1) ,,d，2 式中，是因为光线由光疏媒质入射到光密媒质在界面上反射时，AA,/2 有一项为突变引起的附加光程差。 式(43-1)只与薄膜的厚度和光波波长有关。 d当光程差 ,,,,2d，,(2k，1)(k,1,2,3？) 22 1d,k,即 (43-2) 2 时产生暗条纹; 当光程差 ,,,,2d，,2k(k,1,2,3？) 22 349 1,即 (43-3) ()d,k,22 时产生两条纹。因此在空气薄膜厚度相同处产生同一级条纹，如图43-2 a所示。()表示上下表面的平整度 很好，因而产生规则的干涉直条纹; ()表示上下表面的平整度很差，b 因而产生不规则的干涉花样。这些 均为等厚干涉。 2.牛顿环 牛顿环装置是由一块曲率半径较大的平凹玻璃透镜，以其凸面放在一块光学玻璃平板(平晶)上构成的，如图43-3所示，平凸透镜的凸面与玻璃平板之间的空气层厚度从中心到边缘逐渐增加，若以平行单色光垂直照射到牛顿环上，则经空气层上、下表面反射的两光束存在光程差，它们在平凸透镜的凸面相遇后，将发生干涉，从透镜上看到的干涉花样是以玻璃接触点为中心的一系列明暗相间的圆环，称为牛顿环。 一束单色光垂直照射在透明薄膜上， 薄膜上、下表面反射的两束光满足相干 条件，产生干涉，厚度相同对应同一级 次的干涉条纹，故为等厚干涉。 当一束单色光垂直照射时，在薄膜上、下表面的两束光的光程差满足下式 ,,2k;k,1,2,3,？,明条纹,,,2,,2nd，,(43-4) ,,2,(2k，1);k,0,1,2,3,？暗条纹,2, 350 ,等号左边项是由半波损失所引起的光程差，2 干涉条纹的级次与厚度d有关，二空气膜的等厚线 是以O为中心的同心圆，所以牛顿环的干涉条纹也 是以O为中心的明暗相间、内疏外密的同心圆环， 如图43-4所示。 r由图中几何关系可知，干涉环半径处薄膜的 厚度与平凸透镜的曲率半径之间有如下关系: Rd 22R,r，(R,d) (43-5) 因为，上式刻化简为 R,,d 2r,d (43-6) 2R 将式(43-6)代入式(43-4)，并认为空气的折射率，则 n,1 2 (43-7) r,kR, 由于玻璃表面的缺陷、受力变形及尘埃混入等因素的影响，使牛顿环和平板玻璃的接触处不是严格的一个点，而是一个圆面，故中心暗纹也不是一个点而是一个圆斑，因此，干涉环的中心不易测准，从而影响 r了半径的准确测量，为了减小这一误差，实验中通常测量暗环的直径，式(43-7)可写成 D 2D,2kR, (43-8) 另一方面，读数显微镜的系统误差也对的读数有一定影响，为减D mn小这一影响，我们在实验中通常采用逐差法，具体是，测量第环和第 D,D环的直径，由式(43-8)有 mn 22DD,mnR, (43-9) 4(),mn, 351 在实验中，如单色光的波长已知，则可用此法测出透镜曲率半径;R反之亦然。 3.劈尖干涉 将两块光学平面玻璃重叠在一起，在一端插入一张薄纸片(或细丝等)，则在两玻璃间形成一空气劈尖，如图43-5所示。当平行单色光垂直照射时，在劈尖的上下两表面反射的两束光发生干涉。其光程差可用式(43-1)表示。级干涉暗条k 纹对应的薄膜厚度如式(43-2) 表示。 由(43-2)可以看出，k,0 时，，即在两玻璃的接触处为零级暗条纹;如在细丝处呈现d,0k,N级条纹，则待测细丝或薄纸片厚度为 ,, (43-10) d,N2 如果劈尖总长为，测出相邻两条纹之间的距离，则暗条纹数为 L,X N,L/,X L,,于是 d,, (43-11) 2,X 【实验内容】 1.用牛顿环测量平凸透镜的曲率半径 (1)在日光下，用手轻调牛顿环的三个螺钉，使牛顿环位于其中心。注意螺钉不要调得太紧，也不要调得太松。(太紧易压坏玻璃，太松时牛顿环不稳定，容易移动，无法准确测量)，此时可 以看到很小的彩色牛顿环，把干涉图样调到最佳。 (2)接通钠光灯电源，按图43-6放置读数 352 显微镜和牛顿环，用钠光灯垂直照射，经45º反射镜反射到牛顿环器件上，观察牛顿环干涉图样，调节显微镜，使条纹清晰。当出现清晰的牛顿环后，应左右移动物镜，以便在读数范围内的牛顿环都清晰可测。 (3)找到牛顿环的中心环，将叉丝对准中央暗纹后，朝一个方向转动显微镜鼓轮，使镜筒朝左方移动，并依次数出暗纹级次(中央为零级)，直数到25级，反向旋转鼓轮，是镜筒向右移动，当叉丝对准第20级暗 X纹时，记下干涉圆环左侧的游标读数，继续移动显微镜筒，分别记20 XXX下,,„ 共10级暗纹，然后，沿同一方向移动镜筒,使镜筒扫191810 过中央暗纹,测量干涉圆环右侧的暗纹位置,继续使镜筒经过中央暗纹, ,,,XX数至第10级,依次记下,X，„。上述测量过程保证了显微镜朝102011 同一方向运动读出示值,避免了由机械原因引起的空程差。 2.用劈尖干涉法测量薄纸片的厚度 (1)将平行平面玻璃用镜纸擦拭干净。 (2)把一侧夹有待测薄纸片的两块玻璃板放在读数显微镜的载物台上，调节读数显微镜，使视场内出现一系列清晰的明暗相间的直条纹。注意要保证整个劈尖在读数显微镜的读数范围内。 (3)首先测出劈尖长度，然后测量20个暗条纹的间距，计算出L,X即可用公式(43-11)计算出被测量。 【数据处理】 1.列出原始数据和中间计算数据表格 2.用逐差法处理数据并求出。 R 3.计算的不确定度，并给出结果标准表达式。 R 4.计算出被测薄纸片的厚度 【注意事项】 353 1(调节显微镜的焦距时,应使物镜筒从待测物移开,使物镜筒自下而上地调节,严禁将镜筒反向调节,以免碰伤和损坏物镜和待测物。 2(在整个测量过程中，十字叉丝中的一条线必须与主尺平行，十字叉丝的走向应与待测物的两个位置连线平行，同时不要将待测物移动。 3(测量中的测微鼓轮只能向一个方向转动，以防止因螺纹中的空程而引起的误差。 【思考题】 1.牛顿环的各环是否等宽,环的密度是否均匀,应如何解释, 2.用同样的方法，能否测量凹透镜的曲面半径, 3.牛顿环干涉条纹发生畸变的可能原因有哪些, 实验四十四 迈克耳逊干涉仪的调节与使用 光的干涉条纹的位置决定于光程差，光程差的任何变化都要引起干涉条纹的移动，干涉仪就是根据这种原理制造的一种仪器。从十九世纪以来，为了解释电磁波的传播规律，曾经提出过“以太”的理论，在证实“以太”存在的众多实验中，迈克尔逊于1881年用自己发明的光学干涉仪——迈克尔逊干涉仪——进行干涉实验。1887年迈克尔逊又与莫雷合作进行了更精密的研究，这就是著名的相对论中迈克尔逊—莫雷实验，实验结果证明光的传播速度不变性从而否定了“以太”的存在。这个实验同氢光谱，夫兰克赫芝等实验一样，都是物理学发展史上著名的实验，为近代物理学的兴起和发展开辟了道路。 【实验目的】 1.了解迈克尔逊干涉仪的结构，原理和调节方法。 2.观察等倾干涉条纹。 3.测量激光光源的波长。 HeNe, 354 【实验仪器】 迈克尔逊干涉仪，激光器，扩速HeNe, 透镜，手电筒。 【实验原理】 1.等倾干涉 从同一单色光源发出的两列相干波，在空 间某一点因相对的位置不同，将产生相长相消 的干涉现象。一般可以通过让一列波比另一列 波走的距离不同，改变两者的相等位置。迈克 尔逊干涉仪就是根据这一原理而 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 的。 迈克尔逊干涉仪原理光路如图4-2所示。 MMMM和是两片精细磨光的反射镜，是固定的，是用螺旋控1212 GG制而可以移动的，和是两块材料相同，厚12 G薄均匀而平行的玻璃板，在第二表面上涂有1 G半透射膜，使照射到的光线，一半透射，一1 半反射，称为分光板。它使入射光分成振幅近 GG似相等的两束光，板的作用是补偿有板分21 开的两束光之间所经光程不等而引起较大的光 GG程差，故称为补偿板。板和板两者互相平12图44-2 迈克耳逊干涉仪光路 MM行，并与光束中心形成45?角，和为互相12 GG垂直年并与和板形成45?角的平面反射镜。 12 G来自激光器的光线经扩束镜扩束后成为面光源。射入板HeNe,1 GMM的光束一部分在薄银层上反射向传播为光束2。经反射后再经221 ,MG板向屏处传播为光束2，另一束透过银层及板向传播为光束1。E21 355 ,,MG经反射后再穿过经薄银层反射，也向屏处传播为光束。光束11E12 ,和光束是等相干涉的两束相干光线，在屏处可以观察到干涉条纹。 2E ,MM为了便以说明，图中画出了的虚像，在屏处的干涉条纹可E11 ,MMMM以等效的看作是由和反射的光线形成的。因为虚象和实物1211 ,MMMM相对银层的位置是对称的，所以虚象应在的附近，如果和1221 ,,MMMM严格的互相垂直，相应的和严格的互相平行，那么和之间1221 ,,,MM就形成等厚的空气层，因此来自和的光束和与在空气层两表2121 面上反射光束类似视场中的干涉条纹将为圆环形的等倾干涉条纹。从图 ,,44-3来看，光束和两束光到达处的光程差为 2E1, (44-1) ,,，,ABBCAD d,ABBC,,MM//因为，所以 21sin, 而ADACACd,,sin,2tan,, 代入(44-1)中，整理后得 ,,,2cosd 根据光的干涉加强和减弱的条件 ,,,,,2cosdk时，明条纹 当 (44-3) ,,,，2cos(21)dk时，暗条纹,,2 k,0,1,2,式子中 由(44-3)可知: d,,(1)当一定时 干涉级次随倾角(入射角)变化。具有相同倾角的所有光线的,,k 光程差都相同，对应同一级次，故称这种干涉为等倾干涉。不同的,k 356 倾角的光对应于不同的干涉级次，于是干涉图样是以光轴为中心的同心圆环。 当时(相当于垂直入射)，干涉级次最大，对应于干涉圆环中,,0 心处。 时，随着角的的增大，干涉级次变小，对应的干涉圆环往,,0,k 外移，即越向边缘，干涉圆环的级次越低(这与牛顿环的等厚干涉圆环不同)。 (2)当k,,一定时 对应于同一级次，当减小时，倾角必须减小，则该级圆环越往,dk 内缩小，条纹随之变宽，看到的现象是干涉圆环“内缩”，中心圆环“吞 ,MM入”，当时，即与重合，整个视场将无干涉圆环出现。 d,021 当增大时，必将增大，看到的现象是干涉条纹变窄，干涉圆环,d “外扩”，中心圆环“涌出”，当增大到一定程度时，也将看不到干涉d 现象了。 干涉图样如图44-4所示。 ,MMMM如果与不严格垂直，即与有一较小的夹角，这时在,1221 MM视场内仍可以观察到干涉条纹，只是其圆心将偏离视场中心，在与12 ,MM处，甚至处于视场之外，据此可以判断与不平行。若过大，将,21 观察不到干涉图样。 2.根据条纹变化测量光波波长 ,,0干涉圆环中心处，，则式(44-3)可以写成 (44-4) 2dk,, 357 M当移动镜使增大时，中心圆环便一个一个“涌出”，反之，当dd2 减小时，中心圆环便一个一个“吞入”，由(44-4)可知，只要知道移动的距离和“涌出”(或“吞入”)的条纹数目，便可求出光波波长 ,d,k 2,d (44-5) ,,,k 反之，已知光波波长和，也可求出移动的距离，此为干涉测量,,k 长度的原理。 【实验内容】 1.仪器的调整 (1)打开光源，调整光源的水平，使入射光通过扩束后，有较强的均匀扩展光入射到分光板G上。 1 MGMG(2)调整粗调鼓轮，使动镜距分光板的距离与定镜距的1112 距离近似相等。 MEGMM(3)在处沿着的方向进行观察。可见到由和反射E1212 ,,M回来的光束和光束的光点(个或多个光点)。如果动镜法线方2122 MM向已调整到与导轨平行(一般情况下不调节的螺丝)，只要调节的12 MM调节螺丝，使光点的像重合(这时和已处于相互垂直，并与分光12 板形成45?角的状态)，就可以观察到部分干涉条纹。然后再仔细地调M节镜旁的微调螺旋丝，使条纹成圆形条纹，调节好的圆形等倾干涉条1 MM纹，可用粗调鼓轮移动，使条纹增宽，再转动旁的微调螺旋丝。12 可以将环形条纹的中心调至适当位置。 2.测量光波波长 (1)打开激光光源，缓慢转动仪器的微调鼓轮，观察到视He,Ne 场中心圆形条纹的“涌出”或“吞入”，即可以读数，在开始计数前，记 Mdd录下的位置，的数值是先读出轨道上的数值，再读出微调鼓轮112 358 上面的数值(最小分度值读到)然后再读出微调鼓轮上的数值(最0.01mm 小分度值读到)，把这3个数值加在一起就是所在的位置。d0.0001mm1 M转动微调鼓轮，记录条纹变化为500环时，再记录的移动距离(读d22 法同上)，将式代入式(4-4)中，求出激光的波长。 ,d,d,dHe,Ne12 (2)重复上述实验5次，共读出2500环。自己设计表格记录数据，用逐差法计算激光的波长，最后计算测量结果的误差。 He,Ne 【注意事项】 1.保持各镜面和玻璃板的清洁，严格禁止用手触摸。 2.调节与测量的过程中，动作要稳，操作仔细、认真，读出准确的 环数和测量值。 3.为了得到正确的结果，转动粗调鼓轮和微调鼓轮时应严格防止空 程。 【思考题】 1.如何用迈克尔孙干涉仪测量长度, 2.用迈克尔孙干涉仪测量时，如何观察到等厚干涉条纹, 实验四十五 用阿贝折射仪测量折射率 折射率是透明材料的重要光学常数。实验四十采用的最小偏向角法具有测量精度高、被测折射率大小不受限制、不需要已知折射率的标准件而能直接测量出被测材料的折射率等优点。但是需将被测材料制成棱镜，而且对棱镜的制作精度要求高，不便快速测量。全反射法属于比较 ,4测量法，虽然测量准确度较低(,n,3，10)，被测物的折射率受到限 n,1.3~1.7制()，对于固体也需要制成测试件，但是全反射法具有操D 作快件方便、环境要求低、不需要单射光源等优点。阿贝折射仪就是利 359 用全反射法制成的用于测量透明或半透明液体或固体的折射率及平均色 n,n散的仪器(以透明液体为主)，并能够测量糖溶液的含糖浓度(0,FC 95,)。它是光学仪器、石油化工、食品工业等常用的仪器之一。 【实验目的】 1.加深对全反射原理及其应用的理解;掌握掠入射法测量物质的折 射率。 2.学习阿贝折射仪正确的调整和使用方法; 3.用阿贝折射仪测量酒精的折射率， 确定酒精的浓度。 4.测量蒸馏水的折射率、平均色散及糖 溶液的浓度和折射率。 【实验仪器】 阿贝折射仪，待测液体 阿贝折射仪的结构如图45-1所示。它 光学系统由望远系统和读数系统组成。望远 系统如图45-2所示。 光线经反射镜1反射进入进光棱镜2及折射棱镜3，待测液体放在2与3之间，经阿米西色散棱镜组4以抵消由于折射棱镜与待测物质所产生色散，通过物镜与将明暗分界线(明暗分界线的形成见实验原理)成像于分划板6上，再 经目镜7,8放大后为观察者所观察。 读数系统。如图45-3所示，光线由小反射镜14经毛玻璃13照明刻度盘12，经转向棱镜11及物镜10将刻度(有两行刻度，一行是折射率，一行是百 360 分浓度，是测量糖浓度专用的)成像于分化板9上，经目镜放大成像于观察者眼中。 【实验原理】 阿贝折射仪测量物质折射率的方法是建立在全反射原理基础上的掠入射法。如图45-1所示，当光线从光密介质进入光疏介质，则入射角小 o于折射角，改变入射角可使折射角为90，此时入射角称为全反射临界角。 沿掠射的光线经面折射后BAAB ,以全反射临界角进入折射棱镜，然后 以角从面进入空气中。所有入射角ACi o小于90的入射光线经面折射后的折AB 射角均小于临界角，在边出射时光线AC ,均在光线上方。因此，用阿贝折射仪1 观察时能够看到明暗分界的现象，分界 ,线即对应着光线。不同折射率有不同的临界角，故一定的角对应于1i一定的折射率值。根据光路原理图，可以得出以下关系: 22 (45-1) n,sin,n,sini,cos,sini1 nn若已知角和棱镜的折射率，测出角就可以计算出被测物质的值。 ,i1 【实验内容】 1.认真阅读仪器说明书，进一步了解阿贝折射仪的结构和使用方法。 2. 校正阿贝折射仪进行读数。方法是用蒸流水来校正，因为蒸流水 ,在一定温度(20C)和一定光源(钠光5893 Å)，它的折射率为定值，n,1.3330。因此，只要在棱镜上滴几滴蒸流水到进光棱镜上，调节并读取其折射率的值，如不相符，可微动仪器上的校正螺旋，使完全相同。这样，阿贝折射仪的读数就校正好了。 3.测定液体的折射率 361 (1)测量前，转动棱镜锁紧扳手，打开棱镜组，用脱纸棉花沾一些无水乙醇将进光棱镜及折射棱镜弦面轻轻擦洗干净。以免留有其它物质影响测量精度。 (2)开动恒温水箱，使棱镜组达到测量时需要的温度。(一般情况下不用，但需记下测量时室温) (3)用滴管把待测液体加一滴在进光棱镜磨砂面上。合拢棱镜组后，转动棱镜锁紧扳手使棱镜组锁紧。要求液膜均匀，无气泡并充满视场。待液体热平衡即可测量。 (4)用白炽灯照明，调节两反光镜，使望远镜与读数目镜视场明亮。 (5)旋转棱镜及刻度盘转动手轮，使棱镜组转动，这时在望远镜视场中可观察到明暗分界线随着上 下移动，旋转阿西米棱镜手轮，使 视场中除黑白二色外无其它颜色如 图45-5所示。将分界线对准十字叉 丝交点，读出目镜视场右边所示的 n刻度值，即为待测液体在该温度下的折射率，如图45-6所示。测量6x 次，求出平均值。 (6)测出三种不同液体(如蒸馏水、酒精、蔗糖水等)在不同温度 ,下的折射率(本实验仪器可测范围10~50C)。 3.测定蒸馏水的平均色散值。 测定方法举例: on,例如:20C时，1.3330，色散值刻度圈上的读数为: D 按某一方向旋转: 按相反方向旋转: 41.7 41.5 41.6 41.6 362 41.6 41.6 41.6 41.7 41.7 41.6 平均值: 41.64 41.60 总平均值: Z,41.62 n,利用内插法从色散表中查出:1.3330时，,0.024768，,ABD 0.032893， Z,41.62时，(Z值大于30时，取负值;Z,,,0.5716, 值小于30时，取正值)。 , n,n,A，B,,平均色散值,0.00597 FC 实验数据:(1)糖水的浓度和折射率及蒸馏水的折射率 1 2 3 4 5 6 平均 21.00 21.00 21.10 21.09 21.13 21.01 21.055 糖水浓度 C% n糖水折射率 1.3655 1.3655 1.3657 1.3656 1.3656 1.3655 1.3656 1 n蒸馏水折射率 1.3339 1.3339 1.3338 1.3339 1.3338 1.3340 1.3339 2 61C,C,(21.00+21.00+21.10+21.09+21.13+21.01)/6=21.055 ,i6i,1 620.06 ,,(C,C)/(6,1),,Cii,1 C%,(C,,)%,(21.06,0.06)% C 61n,n,1.3656 ,11i6i,1 620.00009 ,,(n,n)/(6,1),,n111ii,1 363 n,n,,,1.3656,0.0001 11n1 61n,n,1.3339 ,22i6i,1 6-42，0.810 ,,(n,n)/(6,1),,n1222i,1 n,n,,,1.3339,0.0001 22n2 (2)蒸馏水的平均色散 o(室温21C时蒸馏水平均色散理论值为0.00597) n,1.3339 1 2 3 4 5 平均 Z值 D 色散刻度(正向) 41.5 41.8 41.5 41.7 41.6 41.62 41.61 色散刻度(反向) 41.5 41.5 41.6 41.6 41.8 41.60 -6,A,0.02478 (-5)*10*0.0039/0.001 0.0247605 A,A,0-6,B,0.03295 (-19)*10*0.0039/0.001 0.0328759 B,B,0-4,,,,0.545 43*10*0.61/0.1 -0.57123 ,,B,,,0 平均色散n,n0.00598 ,A，B,,FC 平均色散值的相对误差为: 0.00598,0.00597，100%,0.17% 0.00597 注意事项: 【注意事项】 1.测量工作开始前，要用蒸馏水将棱镜表面冲洗干净，用擦净纸轻轻将水吸干、擦净，以免在工作面上残留其它物质而影响测量精度 2.实验前必须校正阿贝折射仪。校准之前应核对标准试样与仪器编号是否一致。读数注意有效数字的位数。 3.阿贝棱镜质地较软，在利用滴管滴加液体时，不能让滴管碰到棱镜表面，以免划伤;并合棱镜时要防止待测液体层中存在气泡。 364 【思考题】 1.分析望远镜中观察到的明暗视场分界线是如何形成的。 2.如果待测液体的折射率大于折射棱镜的折射率，能否用掠入射法来测定其折射率,为什么,试讨论本实验所能测定的折射率的范围。 实验四十六 光敏电阻特性测定及其应用 【实验目的】 1.学习光敏电阻的导电机理，测量其照度特性。 2.应用光敏电阻设计自动灯电路。 3.学生自己应用光敏电阻设计一种电路。 【实验仪器】 1.QJ23型直流单电桥 2.直流稳压电源 3.闭光实验管。在闭光实验管里光敏电阻固定在沿标尺移动的内钢 管上，9V小灯泡水平照射光敏电阻。 【实验原理】 1.光敏电阻的结构与工作原理 光敏电阻又称光导管，它几乎都是用半导体材料制成的光电器件。光敏电阻没有极性， 纯粹是一个电阻器件，使用时既可加直流电压，也 365 可以加交流电压。无光照时，光敏电阻值(暗电阻)很大，电路中电流(暗电流)很小。当光敏电阻受到一定波长范围的光照时，它的阻值(亮电阻)急剧减小，电路中电流迅速增大。 一般希望暗电阻越大越好，亮电阻越小越好， 此时光敏电阻的灵敏度高。实际光敏电阻的暗电阻值一般在兆欧量级， 亮电阻值在几千欧以下。 a光敏电阻的结构很简单，图46-1()为金属封装的硫化镉光敏电阻的结构图。在玻璃底板上均匀地涂上一层薄薄的半导体物质，称为光导层。半导体的两端装有金属电极，金属电极与引出线端相连接，光敏电阻就通过引出线端接入电路。为了防止周围介质的影响，在半导体光敏层上覆盖了一层漆膜，漆膜的成分应使它在光敏层最敏感的波长范围内透射率最大。为了提高灵敏度，光敏电阻的电极一般采用梳状图案， 如 c图46-1()所示。 图46-1()为光敏电阻的接线图。 b 2.光敏电阻的主要参数 (1)暗电阻:光敏电阻在不受光照射时的阻值称为暗电阻， 此时流过的电流称为暗电流。 (2)亮电阻:光敏电阻在受光照射时的电阻称为亮电阻，此时流过 的电流称为亮电流。 (3)光电流:亮电流与暗电流之差称为光电流。 3.光敏电阻的基本特性 (1)伏安特性:在一定照度下，流过光敏电阻的电流与光敏电阻两端的电压的关系称为光敏电阻的伏安特性。图46-2为硫化镉光敏电阻的伏安特性曲线。由图可见，光敏电阻在一定的电压范围内，其曲线I,U为直线。 366 (2)光照特性:光敏电阻的光照特性是描述光电流和光照强度之I间的关系，不同材料 的光照特性是不同 的，绝大多数光敏电 阻光照特性是非线性 的。图46-3为硫化镉 光敏电阻的光照特性。 (3)光谱特性:光敏电阻对入射光的光谱具有选择作用，即光敏电阻对不同波长的入射光有不同的灵敏度。光敏电阻的相对光敏灵敏度与入射波长的关系称为光敏电阻的光谱特性，亦称为光谱响应。图46-4 为几种不同材料光敏电阻的光谱特性。 对应于不同波长，光敏电阻的灵敏度是不同的，而且不同材料的光敏电阻光谱响应曲线也不同。 (4)频率特性:实验证明，光敏电阻的光电流不能随着光强改变而立刻变化，即光敏电阻产生的光电流有一定的惰性，这种惰性通常用时间常数表示。 大多数的光敏电阻时间常数都较大， 这是它的缺点之一。 不同材料的光敏电阻具有不同的时间常数(毫秒数量级)， 因而它们的频率特性也就各不相同。 图46-5为硫化镉和硫化铅光敏电阻的频率特性。 (5)温度特性:光敏电阻和其它半导体 器件一样，受温度影响较大。温度变化时，影 响光敏电阻的光谱响应，同时光敏电阻的灵敏 367 度和暗电阻也随之改变，尤其是响应于红外区的硫化铅光敏电阻受温度影响更大。图46-6为硫化铅光敏电阻的光谱温度特性曲线，它的峰值随着温度上升向波长短的方向移动。 光敏电阻具有光谱特性好、允许的光电流大、灵敏度高、使用寿命长、体积小等优点，所以应用广泛。 4.性能与特点: 环氧树脂封装、体积小、反映速度快、可靠性好、灵敏度高、光谱特性好。 【实验内容】 1.按照图46-7 连接实验电路。 2.根据光照度与距离平方成反比的关系,选择光敏电阻与光源之间的不同距离,用QJ23型 直流单电桥测量光电 阻。用于灯泡的直流稳 压电源电压为9V。 3.根据实验数据 绘制光电阻随入射光强变化曲线。 4.应用光敏电阻的基本电路研究 如图46-8所示，电路中的光敏电阻受到光照射时，电流相当强，用电器可以正常工作。而当光敏电阻不受光照射时，阻值增大，电流减弱，用电器停止工作。 368 用发光二极管代替用电器，接通开关，先观察光敏电阻被光照射时发光二极管的发光情况，再观察光敏电阻被不透明物体遮盖时，发光二极管的发光情况。 5.光敏电阻频率特性 按图46-9连接电路，用信号发生器在电源， 按照图46-5的取值改变信号源的输出频率，测试 光敏电阻两端的电压，数据记录表格自行设计。 【数据处理示例】 表1 光电阻随入射光强的变化 10.00 12.00 14.00 20.00 30.00 40.00 50.00 60.00 7000 80.00 L/cm 330.0 416.0 505.0 800.0 1330 1930 2580 3291 3980 4550 R/, 2,21/L(cm) 1.000 0.694 0.510 0.250 0.111 0.062 0.040 0.028 0.020 0.016 ,2 ，10 369 实验四十七 光的偏振现象研究 光是一种电磁波，而光的偏振现象，进一步证明了光是横波，对于光的偏振现象的解释在光学发展史上有重要的地位，它使人们对光的传播规律有了新的认识。偏振光在物理学领域，其次在化学和工程领域中作为主要的测量手段起到了重要的作用。光的偏振在光学计量、晶体研究和实验应力分析等技术部门有着广泛的应用，同时对于激光、光通讯、数字处理和计算机、X射线、超声波、微波等研究工作以及它们的实际应用，都具有重要意义。 【实验目的】 1.观察光的偏振现象，熟悉光偏振的基本规律。 112.掌握产生与检验各种偏振光的的方法，熟悉波片和波片的作24用。 3.用布儒斯特定律测定玻璃的折射率。 【实验仪器】 分光计，偏振片，平面玻璃片，汞光源。 【实验原理】 1.偏振光的基本概念 光是电磁波，因此是一种横波。通常从光源 370 发出的光波，其电矢量的 振动在垂直于光的传播 方向上作无规则的取向， 从统计规律上看，他们的 总合与光的传播方向对 称，这种光为自然光。振 动方向与光的传播方向 所确定的平面，称作振动面。如图47-1所示，光为电磁波，它的电矢量,,,,E和磁矢量H相互垂直，且均垂直于光的传播方向，通常用电矢量E代C ,,E表光的振动方向，电矢量和光的传播方向所构成的平面称为光振动C 面。如自然光在传播过程中经媒质的反射、折射或吸收后，使光波电矢量的振动在某一方向上具有相对的优势，具有这种取向作用的光统称偏振光。如果振动方向始终在某一确定方向的光称为平面偏振光或线偏振 ,a光(因它的电矢量的末端轨迹为一直线)。如图47-2中()和()所示，a ,a其中 ()表示偏振光的振动面垂直于纸面，而()表示偏振面平行于纸a 面。光源发射的光是由大量原子或分子辐射构成的。单个原子或分子辐射的光是偏振的。由于大量原子或分子的热运动和辐射的随机性，它们所发射的光的振动面，出现在各个方向的几率是相同的，没有哪一个方向较其它方向更有优势，故这种光源发射的光对外不显现偏振的性质，称为自然光。如图47-2()所示。在发光过程中，有些光的振动面在某b 个特定方向上出现的几率大于其他方向，既在较长时间内电矢量在某一 c方向上有优势，这样的光称为部分偏振光。如图47-2()所示。还有一些光，其振动面的取向和电矢量的大小随时间作有规律的变化，而电矢量末端在垂直于传播方向的平面上的轨迹呈椭圆或圆，这种光称为椭圆偏振光或圆偏振光。 371 2.偏振光的产生和特性 将非偏振光变成偏振光的过程称为起偏。起偏的装置称为起偏器。产生平面偏振光的方法有:反射产生偏振、多次折射产生偏振、双折射产生偏振和选择性吸收产生偏振。 (1)反射或透视时光的偏振。当自然 光在两种媒质的界面上反射和折射时，反 射光和折射光都将成为部分偏振光，所谓 部分偏振光是指电矢量在某一确定的方向 上光振动的振幅大于与该方向垂直的另一 方向上的振幅。在此基础上，逐渐增大入 ,射角，当入射角达到某一特定角时，反射光将成为完全偏振光。其偏b ,振面垂直于入射面。如图27-3所示。这时将角称为起偏角，由布儒b斯特定律得 n2,tan= (47-1) bn1 光线射入玻璃片堆时光的偏振。 当自然光以布儒斯特角入射到 一叠玻璃片堆时，各层反射光全部 是振动面垂直于入射面的完全偏振 光。同时折射光中的垂直于入射面 的振动成分也被各层玻璃面不断反 射，而使折射光的偏振化程度逐渐 增加。玻璃片越多则折射光越接近 完全偏振光。当玻璃片足够多时，则可近似地把透过玻璃片堆的光看成振动面平行于入射面的完全偏振光。如图27-4所示。 372 (2)晶体的双折射时光的偏振是利用某些晶体双折射现象来获得线偏振光。如尼科耳棱镜等。 (3)利用偏振片光的偏振 聚乙烯醇胶膜内部含有刷状结 构的链状分子，在胶膜被拉伸时， 这些链状分子被拉直并平行排列在 拉伸方向上，由于吸收作用，拉伸 过的胶膜只允许振动取向平行于分 子排列方向(此方向称为偏振片的 偏振轴)的光通过。利用它可以获 得线偏振光。如图27-5所示。偏振片是一种常用的“起偏”元件，因它可获得截面积较大的偏振光束， 而且出射偏振光的偏振程度可达 。 98% 3.检验偏振光的常用方法鉴 别 的偏振状态的过程称为“检 偏”。所使用的仪器称为检偏器。实际上，起偏器和检偏器是互相通用的。 P若在偏振片后再放偏振片1 PPP，就可以用来检验通过后的221 PPP光是否为偏振光，即起了检偏的作用，当起偏器和检偏器的偏振212 ,P化方向之间有一夹角，如图27-6所示。则通过检偏器的偏振光强度2满足马吕斯定律 2I,Icos, (47-2) 0 显然，当以光线传播方向为轴转动检偏器时，透过光强度将发生I 373 0周期性变化。当时透过光强度最大，当时，透过强度为极,,90,,0 ,,小值(消光状态)接近于全暗。当时，透过光强度介于最0,,,90I大值和最小值之间，因此，根据透光强度变化的情况，可以区别线偏振光、自然光和部分偏振光。如图27-6就表示了自然光通过起偏器的变化。 【实验内容】 1.调整分光计，使望远镜和平行光管的光轴在同一方向上。平行光管的单缝对准光源。单缝要调得宽窄适当，调焦后能看到清晰单缝的像，调整十字叉丝线或土字线的竖线垂直并和单缝的像要重合。 PP2.将一偏振片放在平等光管出射光前，旋转偏振片，观察光的11 强度变化情况。将另一偏振片P放在望远镜前，旋转P，观察从P出射221的光的变化情况。记录上两种光的变化情况，并从理论上加以解释。 P3.再旋转偏振片，观察到光的强度变为最暗(即全部消失)的时候,2 PP记录下偏振片的位置,继续旋转一周,观察光的强度为最亮和最暗22 P时,分别记录偏振片所在的位置。定性地验证马吕定律。 2 P4.取下平行光管前的偏振片,在载物1 台上放置平面玻璃片,并使玻璃面通过中心 主轴并垂直载物台平面。转动载物台使玻璃 0片一面与入射光成45角，如图47-7，再转 P动望远镜，观察反射光。旋转偏振片，将2 P转到能观察到光强度为最暗的位置，然后 2 微微转动载物台，使入射角在一定范围内陆续改变，同时望远镜也跟着移动，直到观察到通过检偏器的光强度减到最弱为止(理想的情况光能 374 够完全消失)。转一下，通过望远镜能够看见单缝，并将望远镜的叉丝P2 /线或土字线的竖线对准单缝和单缝重合。记录下望远镜角的位置和,,(为了消除分光计的偏心差，读两个窗口或两游标所在读数盘上位置的 /,,读数)同时记录下望远镜入射光角位置的读数和，按图47-7的光线00 ,关系式计算布儒斯特角。 b 公式为 1,,, (47-3) ,,{180,[(,,,)，(,,,)]}00b4 ,根据上述方法重复测5次，求出的平均值。然后计算玻璃片的折b ,nn射率,最后计算和的误差。数据记录表格自行设计。 b 【注意事项】 1.使用光学元件时要轻拿轻放，避免元件受损。 2.不要用手接触光学元件表面。 3.若光学元件表面有污痕，不能自行处理，应请教师指导处理。 【思考题】 1.什么是自然光，部分偏振光和完全偏振光, 2.获得偏振光有哪几种方法,它们各需要什么条件, 3.在确定布儒斯特角时，怎样最快地找到完全偏振光的发射光, 4.验证马吕斯定律时，光强度在什么位置时能观察到光最亮和最暗, 5.如何应用光的偏振现象说明光是横波特性, 375 实验四十八 双缝干涉 【实验目的】 观察单色光通过双狭缝后，在显示屏上形成的干涉图样。 【实验器材】 a半导体激光器，4组、不同的双狭缝和是连续变化双狭缝的双dd 缝圆盘及支架，导轨，显示屏。 安装示意图如图48-1所示。 【实验原理】 当两束或两束以上的相干光在一定条件下重叠时，在重叠区会形成稳定的、不均匀的光强分布，这种现象称为光的干涉，在显示屏上可以看到一系列稳定的明暗相间的条纹，称为干涉条纹。各干涉条纹的中心位置为 Dx,,kk,0,1,2？, ， 亮纹 (48-1) d D,x,,(2k，1)k,0,1,2？ 暗纹 (48-2) d2 式(48-1)、(48-2)中为干涉条纹的级次，为狭缝到显示屏的Dk 距离，为两狭缝之间的中心距离。则相邻两亮纹(或暗纹)中心间的d 距离为 376 D xxx (48-3) ,,,,,k，1kd 由式(48-3)可见，与无关，干涉条纹是等间距离分布的。 ,xk 由于每一个单缝都可以产生衍射现象，并在屏上分别形成各自的衍射图样。考虑单缝衍射因子的影响，若衍射因子的极小值恰与某一级干涉主极大重合，则该级主极大就不会出现，这种衍射调制的特殊结果叫 a做缺级现象，所缺的级次由(称为光栅常数)和缝宽决定。 d 【实验内容】 1.把双缝圆盘固定在支架并一起安装在导轨上，再把激光器及显示 屏也安装在导轨上。 2.光源发出的光经过滤光片成为单色光，单色光通过单缝后，相当于线光源，经过双缝产生稳定的干涉图样，干涉图样可以从屏上观察到。 cmm把直径约10、长约1的遮光筒水平放在光具座上，筒的一端装有双缝，另一端装有毛玻璃屏，在筒的观察端装上测量头。取下双缝，打开光源，调节光源的高度，使它发出的一束光能够沿着遮光筒的轴线 cm把屏照亮，然后放好单缝和双缝。单缝和双缝间的距离约为5~10，使缝相互平行，中心位于遮光筒的轴线上。这时在屏上就会看到白光的双缝干涉图样。 3.如用激光光源，则不需放置滤光片，单缝及遮光筒。接通激光电源，调整双缝圆盘的狭缝宽度，并让激光束透过双缝，注意观察显示屏。从激光电源出来的激光射到双狭缝上，由两狭缝出来的光相互发生干涉，在显示屏上形成干涉条纹，且各条纹是等间距的。 a3(依次调整,的大小，使,;， da,0.04mmd,0.25mma,0.08mm ，观察显示屏上的干涉图样，对比分析。 d,0.25mm 4.把双缝圆盘调整到连续变化的双狭缝处，慢慢旋转双缝圆盘，逐渐加大狭缝的缝宽，仔细观察显示屏上的干涉图样，会看到两缝靠的越 377 近，即越小，则显示屏上干涉条纹间隔越大。 d 5.测量单色光的波长 (1)用测量头换下观测屏。测量头结构如图48-2所示。 (2)调节测量头的目镜，在视场中出现清晰的干涉条纹及分划板的刻线。转动测量头，使分划板中心刻线平行于干涉条纹并对齐某条亮(或)条纹的中 心，如图48-3所示，记下此时手轮的上的读数。 x1 (3)转动手轮，使分划板向某一方向移动，对准另 n一条亮(或暗)干涉条纹的中心，同时数出干涉条纹的个数，记录此 nx时手轮的读数。则条亮(暗)条纹间的距离，则相邻两l,x,x221 l条亮(暗)条纹间的距离。 ,x,n,1 (4)测量出狭缝到测量头的距离，由公式(48-3)求得被测光的D 波长 d,x, ,D (5)重复测量5次，求得波长的平均值。 【注意事项】 1.仪器设备要轻拿轻放，避免碰撞。 2.眼睛不要直接对着激光电源光束，以免损伤眼睛。 378 实验四十九 圆孔衍射 当光在传播过程中经过障碍物，如不透明物体的边缘、小孔、细线、狭缝等时，一部分光会传播到几何阴影中去，产生衍射现象。光的衍射现象是光的波动性的一种表现。研究光的衍射现象不仅有助于加深对光本质的理解，而且能为进一步学好近代光学技术打下基础。衍射使光强在空间重新分布，利用光电元件测量光强的相对变化，是测量光强的方法之一，也是光学精密测量的常用方法。 【实验目的】 1.观察圆孔衍射现象，加深对衍射理论的理解。 2.会用光电元件测量圆孔衍射的相对光强分布，掌握其分布规律。 【实验仪器】 H,N激光器、单缝及二维调节架、光电探测器及移动装置、数字ee 式万用表、钢卷尺等。 【实验原理】 圆孔衍射的基础是 惠更斯-菲涅尔原理， 经过计算可以得到:在 沿光传播方向圆孔的 中轴线上，总是光强极 大(设平面光波沿圆孔 轴线传播)，偏开中轴线一定角度，各子波相干叠加正好相消，则出现第一级暗环，再增大偏开轴线角度，可得到一系列暗环，暗环之间为亮环， 379 即衍射次极大。如图49-1所示，实验装置示意图，为衍射图样。(a)(b)直径为的圆孔的夫琅和费衍射光强的径向分布可通过贝塞尔函数表D 示。夫琅和费圆孔衍射图样的中央圆形(零级衍射)亮斑通常称为爱里 斑。爱里斑的大小可用半角宽度—角半径即第一级暗环对应的衍(Airy) ,射角满足: 0 ,, sin,1.61,1.22,0aD ,Lf一般很小，若透镜的焦距为，则爱里斑的角半径和线半径分022 别为 ,,,sin,1.61,1.22 (49-1) ,,00aD ,, l,f,1.61f,1.22f (49-2) ,02022aD 在原理上，圆孔衍射和单缝衍射一样，也是圆孔上个衍射次波在屏上相干叠加的结果。 ,,,圆孔衍射各极小值的位置(衍射角)在0.610，1.116，1.619，„ ,,,处，各极大值的位置(衍射角)在0，0.0819，0.133，0.187，„ I/I处，其相对光强依次为1，0.0175，0.042，0.0016，„。零级衍射0 的圆亮斑集中了衍射光能量的83.8% 。 夫琅和费衍射不仅表现在 单缝衍射中，也表现在小孔的 衍射中，如图49-2所示。平 行的激光束垂直地入射于圆 孔光阑1上，衍射光束被透镜 380 2会聚在它的焦角平面3上，若在此焦平面上放置一接收屏，将呈现出 衍射条纹。衍射条纹为同心圆，它集中了以上的光能量，点的光P84%强分布为: 22J(x)，，1 (49-3) I,I0,,x，， xJ(x)为一阶贝塞尔函数，它可以展开成的级数 1 2k1，k,(1),x,,() (49-4) ,Jx,,,1!(1)!2，kk,,k0, xa可以用衍射角及圆孔半径表示 , ,2ax,sin, (49-5) , H,N式中是激光波长(激光器纳米)。衍射图样的光,,,623.8ee x强极小点就是一阶贝塞尔函数的零点，它们是=3.832，7.0162，0.174，0 ,13.32，„;衍射条纹的光强极大点对应的=5.136，8.460，11.620，x13.32，„。中央光斑(第一暗环)的直径为，点的位置由衍射角DP, r来确定，若屏上点离中心的距离为(r,fsin,)，则中央光斑的PO 直径为 D xx,ff,,0101Dff,2sin,2,,,1.22 (49-5) ,aaa2,, x,3.832其中，是一阶贝塞尔函数的第一个零点。同理，可推算出01 Dn第个暗环直径为 n xf,0nD,, na, x,f0n,,a (49-6) D,n 381 xnn其中，是一阶贝塞尔函数第个零点，(=1，2，3，„)。由(49-5)0n 可知，只要测得中央光斑的直径，便可求得小孔半径a。 D 【实验内容】 1.调整光路:调整激光束、单缝及光电检测器达到同轴等高。激光 m垂直照射在单缝平面上，接收屏与圆孔之间的距离大于1。调节光电 mm检测器透光缝约1。 2.观察圆孔衍射现象，将激光束照亮圆孔，在接收装置处先用屏进行观察，调节圆孔左右位置，使衍射花样对称。观察衍射条纹的变化，观察各级明条纹的光强变化。 3.测量衍射条纹的相对光强 (1)本实验装置实现信号的光电转化，用双量程的光功率计进行测量。测量从低量程开始，为避免仪器零点漂移影响，最好不要换量程; (2)从一侧衍射条纹第三级暗环开始，记下游标卡尺读数;同方向 mm移动游标，间隔0.5读一次光功率计数值，一直测到另一侧第三级暗环为止。 a4(圆孔直径的测量 f,D由公式: (49-7) ,,1.220a Daf测量，计算中央光斑的直径，计算小孔半径。 0 【数据处理】 1.自己设计表格，记录数据。 2.将所测得的I值做归一化处理，即将所测的数据对中央主极大取相对比值I/I(称为相对光强)，在直角坐标纸上描出I/I,X曲线。 OO 3.由图中找出各次极大的位置与相对光强，分别与理论值进行比较。 4.圆孔的测量 (1)从所描出的分布曲线上，确定 n=1时的暗环的直径D，将D值与f 382 值代入公式(10-6)中，计算圆孔直径a;测三次并求出算术平均值，并与给定值比较。 (2)取n=1，2，3，„，测出第1，2，3，„，个暗环的直径，，DD12Da，„，由(10-5)式，分别计算出圆孔半径，求出值。 a3 【思考题】 1.夫琅和费衍射应符合什么条件, 2.如果激光器输出的单色光照射在一根头发丝上，将会产生怎样的衍射花样,可用本实验的哪种方法测量头发丝的直径, 383 实验五十 照相技术 普通的照相技术能真实、迅速的记录下景象的形象，这在生产活动、科学研究及社会生活的各个方面都会经常用到。要由手持相机拍摄到合格的照片，需要涉及到多方面的科学道理，本实验并不探讨“感光”、“显影”、“定影”等过程中复杂的物理、化学变化的机理，而重点在于了解照相机的基本构造，掌握实际拍摄和冲洗相片的技术处理过程。 【实验目的】 1.了解照相机基本构造和拍摄的基本原理。 2.学会拍摄、冲卷、洗相的操作方法。 【实验仪器】 照相机，暗袋，暗罐，黑白胶卷，冲洗胶带，显影液，定影液等 1.照相机基本构造 照相机种类很多，构造也各异，但基本构件必须有镜头、光圈、快门和机身等几部分，详细结构见图50-1所示。 (1)镜头。这是照相机最重要的组成部分，其作用是成实像。为使成像的质量高(分辨率高、像差小)，实际的镜头并不是一个凸透镜，而 ,是多片透镜组成的透镜组，有其等效焦距(比如在相机镜头旁有标记 mm,=50)。 (2)光圈。一个由多片薄金属片构成的孔径大小可调节的光阑。其 dffd孔径大小用表示，称作镜头的“相对孔径”而这一数值的大d 小通常被称“光圈数”。相机镜头旁常用一排数字1.8，2.8，4，5.6，8， 211，16，22，这就是光圈数，它们以为公比的等比级数。选用不同的光圈数，一方面直接影响光通亮的大小，另一方面影响照相的“景深”。 384 所谓“景深”是指底片上被摄主要景物能够获得清晰像的最远和最近的物体之间的距离。光圈数越大，景深也越大。但要注意光圈数越大，光圈的孔径将越小。 (3)快门。用来控制底片曝光时间长短的机构。快门开启时间长，底片曝光量则大。可见，为了保障适度的曝光量需要全面的权衡照明条件(照度)、光圈数和曝光时间三个因素。照相机上也标出可供选择的曝光时间，如标有1，2，4，8，15，30，60，125，250，500，1000。这些数字的倒数即使快门开启的秒数。两相邻挡的比值约为1:2，当曝光 s时间大于1时，可采用门。 B (4)机身。机身样式很多，基本结构要求在镜头和记录底片之间(即相距)形成一段严格避光又可伸缩的空间，称为暗箱。适当调节物距和 385 像距可以在底片上获得清晰的像。 正确曝光是保证“潜影”质量的关键。在正确曝光的情况下，感光 t片上的照度与曝光时间的乘积称为曝光量，即 EH (50-1) HEt, 此式也称为互易律。 在一般拍摄条件下 ,d2E,B() (50-2) 04f B式中:为被摄景物上某点的亮度;为摄影透镜的孔径(光圈直径);,d0 为摄影 透镜组的焦距。当光圈开足时，与的比值为有效孔径，调节,d fd后的与,的比值为相对孔径。光圈系数，则式(50-1)为 F,d 1,Bt (50-3) H,024F Bt由上式可得:，，三个因素决定感光片上各点曝光量的大小，F0 B只要控制好这三个因素，就能得到满意的“潜影”。是由自然灯光或0 t灯光的照明条件决定的。是综合反映了与f两者的影响，是由快门Fd t控制的，在调节旋钮或扳手处，标出了时间的倒数。 2.照相过程 (1)拍摄。安装底片，调整照相机镜头，并通过取景器观察，使景物尽可能在底片上成一清晰的像，然后采用正确的曝光方法，使底片感光，形成看不见的“潜像”。潜像实际上是底片的感光介质发生化学反应，析出了一些银原子，这种银原子的数量分布与感光量成线性关系。因为仅是一些银原子，眼睛和显微镜都不能观察到，故称潜像。拍摄时还必须考虑距离、景深两个因素。调节好被摄景物、镜头、底片间的距离，才能使景物在底片上成清晰像。此过程称为“调焦”或“对光”。成像是否清晰，可通过取景器观察，一般照相机镜头上有距离标尺。 386 (2)显影。在显影剂的作用下，以底片上析出的银原子为中心。继续将周围的卤化银还原出银原子而沉积下来，这时的银已是银颗粒而不是银原子。在一定的显影时间内还原出的银的数量与显影中心的多少成正比关系，因此，显影一定时间，底片上便出现一幅黑白图像，沉积银颗粒越多的部位就越黑。这时的像是不稳定的。 (3)定影。在定影剂的作用下，将显影后的底片上的卤化银溶解掉，只保留下由沉积银形成的像。经清水冲洗，洗去残留的定影药，晾干，即制成“负片”(俗称底片)。 (4)印相。以负片为基，在印相纸上再次曝光，再同样经历显影、定影及水洗的过程，使黑白经过一次反转便获得正片。 【实验步骤】 1.了解照相机，上好胶卷，同时配制好显影液和定影液。 2.做好准备工作后开始取景拍摄。待整个胶卷拍照完毕后立即回到教室。 3.在教室中取出胶卷，把胶卷、冲洗胶带、暗罐一同放进暗袋里，然后把胶卷和冲洗胶带缠在胶卷架上，在暗袋里放进暗罐，盖好暗罐后从暗袋中取出暗罐。 4.把配好的显影液倒入小烧杯，用小烧杯倒入暗罐，倒满为止。然后不时的晃动暗罐，关注显影时间(可由教师根据经验提示显影时间)。 5.从暗罐的入液口倒出显影液，然后倒入清水冲洗。片刻后即倒入定影液，注意晃动和定影时间。 6.定影完毕，打开暗罐盖，用清水认真冲洗胶卷和冲洗胶带，而后晾干即获得负片。 7.由印相机或放大机制作正片。 【思考题】 1.照相机的结构有哪些,各有什么用途, 2.胶卷的包装各有什么标志, 3.影响曝光量的因素有哪些, 387 4.影响景深的大小有哪些因素,关系如何, 388 389