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1、物理实验设计与应用,有关光学的实验,本讲座以 透镜的应用 分光计的应用 干涉、衍射现象的应用 等实验方法为例来讨论实验方案的设计和制作。,透镜的应用将讨论如何组装 一台显微镜和望远镜 显微镜和望远镜的光路的确定 物镜、目镜中透镜的选择 显微镜和望远镜的放大率的测定,显微镜,组装显微镜,显微镜的组成,组装显微镜,A,B,Fo,Fe,fo,fe,物镜,目镜, 光学间隔,通常为17cm或19cm.,显微镜,组装显微镜,Fo,Fe,fo,fe,物镜,目镜,显微镜最后成像在人眼的明视距离处.,显微镜放大率测定方法： 在距离目镜25cm处放置一毫米分度的米尺（B），在物镜前放置另一毫米分度的短尺（A)，观
2、察者用一只眼睛通过显微镜观察短尺A的像，另一只眼睛直接观察米尺B,将同时看到的物长和像长进行比较.,组装显微镜的放大率测定,望远镜,物镜,目镜,组装望远镜,对于望远镜，两透镜的光学间隔近乎为零。,望远镜,物镜,目镜,组装望远镜,用望远镜观察时，通常物在很远处或无限远处，物镜所成的像近乎位于物镜焦片面上，该像再通过目镜成像在观察者眼睛的明视距离和无穷远之间。,副光轴,F,副光轴作图法,望远镜视角放大率定义：,AB是物AB的像, 用仪器时虚像所张的视角, 不用仪器时物体所所张的视角 望远镜角放大率为：,组装望远镜,B,A,A1,B1,B2,A2,fo,fe,所以，望远镜的放大率为：,组装望远镜与放
3、大率测定,(实际上，物和望远镜的距离远大于望远镜长度，所以可看作不用仪器时物体所所张的视角）,组装望远镜与放大率测定,例如:,(以弧度为单位),望远镜视角放大率定义：,AB是物AB的像, 用仪器时虚像所张的视角, 不用仪器时物体所所张的视角 望远镜角放大率为：,组装望远镜,望远镜放大率的测定方法： 观察者用一只眼睛观察望远镜视野中标尺的像l0,另一只眼睛同时不通过望远镜直接观察标尺l,将同时看到的物长和像长进行比较.,组装望远镜的放大率测定,望远镜放大率的测定方法2：,组装望远镜的放大率测定,当望远镜对无穷远调焦时，望远镜筒的长度就可以认为是fo+fe。这时如将望远镜的物镜卸下，在它的位置上放
4、一长度为L1的目的物，在离目镜d处，得一实像,其长度为L2,于是有：,思考题,1.欲增加显微镜的放大倍数,应采取什么措施?,2.欲增加望远镜的放大倍数,应采取什么措施?,减小物镜焦距、减小目镜焦距,增加物镜焦距、减小目镜焦距,思考题,1.有一显微镜，其物镜为50 mm，目镜为100mm，两透镜光学间隔为170mm，该显微镜 a.目镜放大倍数2.5倍； b.目镜放大倍数3.4倍； c.目镜放大倍数2.0倍； d.目镜放大倍数1.7倍；,思考题,2.现有3块凸透镜，它们焦距分别是50mm, 200mm, 300mm,若组装一架放大倍数尽可能大望远镜，可选择： a.用50mm的凸透镜做物镜、300m
5、m的凸透镜做目镜； b.用300mm的凸透镜做物镜、50mm的凸透镜做目镜； c.用200mm的凸透镜做物镜、300mm的凸透镜做目镜 d.用300mm的凸透镜做物镜、200mm的凸透镜做目镜；,薄透镜焦距的测定,用自准直法测凸透镜焦距 位于凸透镜焦平面上物体发出的光，经透镜折射后成为平行光，若用一面反射镜将这平行光反射回去，再经过原透镜，则必然成像于原焦平面上，透 镜与物之间的距离即为透镜的距离。,薄透镜焦距的测定,物距-像距法测量透镜焦距,透镜焦距的测定,由透镜两次成法求凸透镜焦距,透镜焦距的测定,由透镜两次成像求凸透镜焦距,透镜焦距的测定,(L4f),物,小像,大像,d,L,由透镜两次成
6、像求凸透镜焦距,L,透镜焦距的测定,1/6+1/3=1/2 1/3+1/6=1/2,思考题,用自准法测凸透镜的焦距时，在物屏上所成的像是 a.倒立、放大； b.正立、等大； c.倒立、等大； d.正立、放大；,用自准法测凸透镜的焦距时，平面镜到透镜的距离 a.只影响成像的明亮程度； b.只影响成像的清晰程度； c.对成像的明亮程度和清晰程度都有影响； d.对成像的明亮程度和清晰程度皆无影响；,分光计的应用将讨论 分光机的组成与调节 用分光机测量 三棱镜顶角A 三棱镜折射率,分光计,分光计的调节,分光计的构成：由底座（刻度盘和游标）、平行光管(准直管)、 望远镜和载物平台组成。,分光计的调节,1
7、. 望远镜聚焦于无穷远。,分光计的调节,分光计的调节,2. 调节望远镜的光轴与仪器旋转主轴垂直、观察平面与仪器旋转主轴重合。,分光计的调节,1.调节望远镜镜身下的螺丝来调节望远镜的光轴与仪器旋转主轴垂直。 2. 调节载物平台下面的螺丝来调节观察平面与仪器旋转主轴重合。(平面镜与仪器主轴平行),2.用逐次逼进法调节望远镜的光轴与仪器旋转主轴垂直，直到镜面反射的小十字叉丝和调整叉丝重合。,分光计的调节,调节望远镜镜身下的螺丝来调节望远镜的光轴与仪器旋转主轴垂直。,在载物平台上放置平面反射镜（或三棱镜），注意放置方位，以致可用一只螺钉控制一个反射面的倾斜。,分光计的调节,分光计的调节,分光计的调节,
8、分光计的调节,3.让准直管产生平行光,分光计的调节,分光计的读数：为了消除度盘的刻度中心与仪器转动轴之间偏心差，必须同时读取两个游标的读数。,分光计的调节,分光计的读数：8745,分光计的调节,用分光计测定三棱镜的顶角,用分光计测定三棱镜的顶角,望远镜分别与棱镜的两折射面垂直，即十字叉丝的反射像与调整叉丝完全重合时，记录两游标的读数。,三棱镜顶角A的测定,V1, V2,V1, V2,望远镜在此位置有两个读数,望远镜转到此位置也有两个读数,掠射法测定三棱镜的折射率的原理 n1n,除掠射光I外,其他光线 在AB面上的入射角均小于90, 即其他光线的折射角都小于掠 射光I的折射角，最后进入空气 后均
9、在光线I的左侧,形成明暗 视场. 如果棱镜角 A=90 则有：,三棱镜折射率的测定-掠射法,掠射法测定三棱镜的折射率的原理,三棱镜折射率的测定-掠射法,思考题,在分光计的调整中，转动载物平台（包括反射平面镜）时，反射回来的亮十字总是在上叉丝交点（右图a点）下面移动，说明： a.平面镜与仪器主轴平行，望远镜光轴与仪器主轴不垂直； b.平面镜与仪器主轴不平行，望远镜光轴与仪器主轴垂直； c.平面镜与仪器主轴平行，望远镜光轴与仪器主轴垂直； d.上面三种情况都有可能；,干涉、衍射将讨论 双缝干涉 单缝衍射 光栅衍射 等现象的观察和波长的测量,双缝干涉,杨氏双逢干涉实验,S1、S2由同一光源产生,故满
10、足振动方向相同、频率相等、相位差恒定（本实验中相位差为0）的相干条件。,条纹间隔与屏和缝之间的距离、光源波长成正比,与双逢的间隔成反比。,双缝干涉,菲涅耳双棱镜 S1、S2这对相干光源也可以由菲涅耳双棱镜获得。菲涅耳双棱镜是将一块平玻璃板的上表面加工成两楔形，楔角较小（一般小于1度），这种棱镜称为双棱镜。,双缝干涉,菲涅耳双棱镜干涉实验 当狭缝发出的光波投射到双棱镜上时，形成沿不同方向传播的两束相干柱波。在其相互交叠区域P1P2内产生干涉。如果狭缝的宽度较小，双棱镜的棱脊与光源平行，就能在白屏P上观察到平行于狭缝的等间距亮暗干涉条纹。,双缝干涉,菲涅耳双棱镜干涉实验,双缝干涉,用双棱镜干涉测量
11、钠光波长 设d代表两虚光源S1和S2间的距离，d为虚光源所在的平面（近似地在光源狭缝S的平面内）至观察屏的距离，且dd，干涉条纹宽度为x，则实验所用光波波长可由下式确定:,双缝干涉,双缝干涉,两虚光源间的距离的测量 两虚光源间的距离d，可用已知焦距为f的会聚透镜L置于双棱镜与测微目镜之间，由透镜的两次成像法求得。,双缝干涉,两虚光源间的距离的测量 沿光具座前后移动透镜L，就可以在L的两个不同位置上从测微目镜中看到两虚光源S1S2经透镜所成的实像S1S2，其中组为放大的实像另一组为缩小的实像。分别测得两次清晰成像时实像的间距d1、d2,则有,d2,双缝干涉,实验操作的几个要点 调节共轴 调节干涉
12、条纹 （）减小狭缝S的宽度，绕系统光轴缓慢地向右或向左旋转双棱镜AB，当双棱镜的棱脊与狭缝的取向严格平行时，将会出现清晰干涉条纹。,双缝干涉,思考题,1.狭缝的宽度对干涉条纹的有什么影响?,2.光源用钠光灯代替氦氖激光,干涉条纹的宽度有什么区别?,狭缝过细,两束光相干性越好,但光通量太少,将使干涉条纹亮处不亮而不清晰. 狭缝过宽,两束光相干性变差, 将使干涉条纹不清晰.,单缝衍射,夫琅和费单缝衍射 光在传播过程中遇到障碍物时，会偏离原来的直线传播方向，并在障碍物后的观察屏幕上呈光强的不均匀分布，这种现象称为光的衍射。当光源和衍射场都在离衍射物无限远时，称为夫琅和费衍射，它是光学仪器中最常见的衍
13、射。,单缝衍射,夫琅和费单缝衍射 当一束平行光垂直入射到很狭的单狭缝上时，可以把单缝面的每一个点作为一个新光源。这些新光源发出的光波在空间互相叠加，使得有些地方互相加强，形成亮点，有的地方互相减弱，形成暗点。,单缝衍射,夫琅和费单缝衍射条纹的观察:,单逢至屏的距离应该足够长。,单缝衍射,夫琅和费单缝衍射条纹特点:,其它亮条纹(次极大)的位置虽对称分布,但不等间隔.,中央亮条纹的宽度是其它亮条纹宽度的2倍 暗条纹(极小值)的位置以中央亮条纹的中点为中心,等间距,对称分布.,单缝衍射,夫琅和费单缝衍射特点:,当衍射角满足,光强为零,出现暗条纹。,在sin 很小时,sin =x/z，则屏幕上暗条纹的
14、坐标x应满足,X,单缝衍射,夫琅和费单缝衍射特点:,中央亮条纹的宽度为其它亮条纹宽度的两倍，中央亮条纹的宽度为2x，其它亮条纹宽度为x。,z,k=1,k=2,k=1,k=2,单缝衍射,夫琅和费单缝衍射特点:,亮条纹的宽度x与z和成正比，与 a成反比。,单缝衍射,用夫琅和费单缝衍射测量单缝（单丝）宽度:,单缝衍射,用夫琅和费单缝衍射测量单缝（单丝）宽度:,用读数显微镜测量单缝的宽度,对实验数据进行校对.,衍 射 光 栅,衍 射 光 栅,衍 射 光 栅,光栅是一组数目极多的等宽、等距和平行排列的狭缝。透明区宽度a与不透明区宽度b之和d称之为光栅常数。它决定了光栅的基本性质。 d=a+b,衍 射 光
15、 栅,一.实验原理 自S射出的平行光垂直地照射在光栅上，透镜将衍射光会聚于其像平面上，产生衍射亮条纹条件是： d sin = k （K=,-2,-1,0,1,2,),衍 射 光 栅,单色光,单色光的光谱,d sin = k,衍 射 光 栅,复色光（含n个波长1, 2, 3 ）的光谱 d sin = k （K=,-2,-1,0,1,2,),复色光,K=2 K=1 K=0 K=-1 K=-2,衍 射 光 栅,实验装置 用分光计测定光栅常数或光波波长,衍 射 光 栅,实验装置 用分光计测定光栅常数或光波波长,转动望远镜到光栅的一侧,使叉丝的竖直线对准已知波长的k级谱线的中心,记录二游标值.将望远镜转
16、向光栅的另一侧,同上测量,同一游标的两次度数之差是衍 射 角的二倍.代入公式.,d sin = k,双缝干涉、单缝衍射、光栅衍射比较,思考题,1.单缝衍射的条纹有什么特点?,2.单缝衍射实验中,缝宽由a变为a/2,单逢至屏的距离由z增加到3z,则中央条纹的宽度变为多少?,中央亮条纹的宽度是其它亮条纹宽度的2倍 暗条纹(极小值)的位置以中央亮条纹的中点为中心,等间距,对称分布. 其它亮条纹(次极大)的位置虽对称分布但不等间隔.,思考题,1.将双棱镜干涉条纹与单缝衍射条纹相比较： a.相邻暗条纹的间隔都是均匀相等的； b.各条纹的亮暗程度都是均匀相等的； c.像屏越远，条纹的宽度越宽； d.用白光照射时，条纹都更清晰；,