大学物理光学实验

实验一 薄透镜焦距的测定 实验一 薄透镜焦距的测定 实验目的 １．学会调节光学系统使之共轴。 ２．掌握测量薄会聚透镜和发散透镜焦距的方法。 ３．验证透镜成像公式，并从感性上了解透镜成像公式的近似性。 实验仪器 型光具座，底座及支架，薄凸透镜，薄凹透镜，平面镜，物屏（可调狭逢组、有透光箭头的铁皮屏或一字针组），像屏（白色，有散射光的作用）。 重点难点： 1、按实验操作规程 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 操作。 2、动手操作能力培养。 德育渗透： 1、培养学生爱护仪器，保护国家财产的意识。 2、培养学生互相帮助，团结协作的精神 教学方法 1、讲授法。2、演示法。3、学生分组实验法 布置作业： 1、数据处理。2、误差分析3、独立完成实验报告。4、预习下一个实验 实验原理 １．共轭法测量凸透镜焦距 利用凸透镜物、像共轭对称成像的性质测量凸透镜焦距的方法，叫共轭法。 所谓“物象共轭对称”是指物与像的位置可以互移，如图5－1—1（ ）所示。其中（ ）图中处于物点 的物体 经凸透镜 在像点 处成像P，这时物距为 ，像距为 。若把物点 移到图5－1—1（ ）中 的点，那么该物体经同一凸透镜 成像于原来的物点，即像点 将移到图5－1—1（ ）中的 点。于是，图5－1—１（ ）中的物距 和像距 分别是图5－1—1（ ）中的像距 和物距 ，即物距 ，像距 。这就是“物像共轭对称”。设 （物屏 和像屏 之间的距离为 ）。 根据上面的共扼法，如果物与像的位置不调换，那么，物放在 处，凸透镜L放在 处，所成一倒立放大实像在 处；将物不动，凸透镜放在 处，所成倒立缩小的实像也在 处，如图5－1－2所示。由图可知， 或 。于是可得方程组 解方程组得 　　　　（5—１—１） 该式是共轭法测量凸透镜焦距的公式。由于 是通过移动透镜两次成像而求得的，所以，这种方法又称二次成像法。 另外，从方程组中消去 ，得 ， ， 。 当 有实根必须有 　　　　　　　　（5—１—２） 即物屏与像屏之间的距离大于或最少等于四倍的焦距，物才能通过凸透镜二次成像。 ２．自准直法测量凸透镜焦距 如图５－１—３所示，当以狭缝光源 作为物放在透镜 的第一焦平面上时，由 发出的光经透镜 后将形成平行光。如果在透镜后面放一个与透镜光轴垂直的平面反射镜 ，则平行光经 反射，将沿着原来的路线反方向进行，并成像在狭缝平面上。狭缝 与透镜 之间的距离，就是透镜的第二焦距 。这个方法是利用调节实验装置本身，使之产生平行光以达到调焦的目的，所以称自准直法。 ３．用物距与像距法测量凹透镜焦距 由于对实物，凹透镜成虚像，所以直接测量凹透镜的物距、像距，难以两全。我们只能借助与凸透镜成一个倒立的实像作为凹透镜的虚物，虚物的位置可以测出。凹透镜能对虚物成实像，实像的位置可以测出。于是，就可以用高斯公式求出凹透镜的焦距 ，如图5—1—4所示。 实验内容 １．共轭法测量凸透镜焦距 （１）粗调，将光具座上的光具靠拢，调节高低左右；光心中心大致在同一高度和一直线上。 （２）细节，用共轭原理进行调整，使物屏与像屏之间的距离 ，将凸透镜从物屏向像屏缓慢移动，若所成的大像与小像的中心重合，则等高共轴已调节好，若大像中心在小像中心的下方，说明凸透镜位置偏低，应将位置调高；反之，则将透镜调低；左右亦然。详见光学实验基础知识。 （３）读出物屏所在位置 ，像屏所在位置p，填入自拟的表格中，求出 。 （４）移动凸透镜，使像屏上呈现清晰的放大的倒立实像，记下此时的位置 ，继续移动凸透镜，使像屏上呈现清晰的缩小的倒立实像，记下此时的位置 ，求出 。 重复上述步骤五次，共得四组数据，用（5—１—１）式计算出每组的 值，求出 的平均值。 ２．自准直法测量凸透镜焦距 （１）按图5—1—3所示，在光具座上放置狭缝光源 、平面镜 ，并使它们之间的距离比所测凸透镜的焦距大。在物屏 和平面镜 之间放上被测量的凸透镜 。 （２）适当调节光路，使物屏 发出的光通过透镜 后，由平面镜 再反射回去，并再次通过透镜射向物屏 。 （３）在光具座上，前后移动凸透镜，使物屏上产生倒立、等大、清晰的实像，当共轴很好时，物与像完全重合，用纸片遮住平面镜，清晰的像应该消失。记下凸透镜在导轨上的位置 。 重复步骤（3）五次， 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 及透镜 所在的位置，计算出 的平均值。 ３．用物距与像距法测量凹透镜焦距 （１）按图5—１－４固定物屏的位置于 处，并在其后的导轨上放置一凸透镜 ，使像屏上成一倒立缩小的实像。记下像屏 位置 。（ 通过凸透镜也可成一个倒立放大的实像，但所成的缩小实像亮度、清晰度高，易准确定位；另外，由于光具座尺寸的限制，所以，实验中只能成缩小的实像。） （２）移动像屏的位置，重复（1）步骤五次，将测量6次所得的 位置填入自拟的表格中。 （３）在凸透镜 与像屏 之间放上凹透镜 ， 的位置应靠近 一些，此时 上倒立缩小的实像可能模糊不清，可将像屏向后移动，直至在 处又出现清晰的像。重复找出 、 的位置六次，填入自拟的表中。 （4）利用高斯公式计算出凹透镜的焦距。（高斯公式具体用到这里 、 均为负值，若 大， 也大； ， ） 思考 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 １．为什么要调节光学系统共轴？调节共轴有那些要求？怎样调节？ ２．为什么实验中常用白屏作为成像的光屏？可否用黑屏、透明平玻璃、毛玻璃，为什么？ ３．为什么实物经会聚透镜两次成像时，必须使物体与像屏之间的距离 大于透镜焦距的4倍？实验中如果 选择不当，对 的测量有何影响？ ４．在薄透镜成像的高斯公式中， 在具体应用时其正、负号如何 规定 关于下班后关闭电源的规定党章中关于入党时间的规定公务员考核规定下载规定办法文件下载宁波关于闷顶的规定 ？ 补充材料 1．有关“薄透镜”的部分术语 （1）薄透镜：若透镜的厚度与其球面的曲率半径相比，小得可以忽略不计，则称为薄透镜。 （2）主光轴：连接透镜两球面曲率中心的直线，称为透镜的主光轴。 （3）光心：透镜主截面上的中心点，通过该点的光线，不改变原来的方向，称这点为光心。 （4）副光轴：通过光心的任一直线称为薄透镜的副光轴。 （5）主截面：能过光心而垂直于主光轴的平面称为透镜的主截面。 （6）物空间：规定入射光束在其中进行的空间称为物空间。 （7）像空间：折射光束在其中进行的空间称为像空间。 （8）像焦点 （第二焦点）：平行于光轴的光束，经透透折射后，会聚于主光轴上的一点称像点。 （9）像焦距 （第二焦距）：从透镜的光心到像焦点 的距离称为薄透镜的焦距 。 （10）物焦点（第一焦点）：主光轴上发光点发出的光经薄透镜折射后成为一束平行光，此点称物焦点 。 （11）物焦距 （第一焦点）：从透镜光心 到 的距离称为薄透镜的物距。 （12）副焦点：平行于任一副光轴的平行光，通过透镜后会聚于这副光轴上的一点，这一点称为副焦点。 （13）焦平面：焦平面就是由许许多多副焦点的集合构成的平面；或定义为：过焦点而垂直于主光轴的平面，也称焦平面。 （14）实像：自物点发出的光线经透镜折射后，实际汇聚于一点的像。 （15）虚像：自物点发出的光线经透镜折射后，光线发散，而其光线的反向延长线汇聚一点的像。 （16）实物：发散的入射光束的顶点，称实物。 1. 你认为三种测量凸透镜焦距的方法，哪种最好?为什么? 答：共轭法最好，因为这个方法把焦距的测量归结为对可以精确测定的量L和e的测量，避免了在测量u和v时，由于估计透镜光心位置不准确所带来的误差。 2. 由 推导出共轭法测f的 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 相对合成不确定度传递公式。根据实际结果，试说明uB(L)、uB(e)、uA(e)哪个量对最后结果影响最大?为什么?由此你可否得到一些对实验具有指导性意义的结论? 答：uA(L)对最后结果影响最大，因为L为单次测量量。对O1、O2的测量时，要采用左右逼近法读数。 3. 测量凹透镜焦距f和实验室给出的f0，比较后计算出的E值（相对误差）一般比较大，试分析E大的原因? 答：E较大的原因可能是因为放入凹透镜后所成像的清晰度很难确定，即像的聚焦情况不好，从而导致很难测出清晰成像的位置。 4. 在测量凸透镜的焦距时，可以利用测得的多组u、v值，然后以u+v作纵轴，以u·v作横轴，画出实验曲线。根据式(3-15-1)事先推断一下实验曲线将属于什么类型，怎样根据这条曲线求出透镜的焦距f? 答：曲线是直线，可根据直线的斜率求出f，f=1/k，因为1/f=1/u+1/v，即 ，故可有f=1/k。 5. 测量凸透镜的焦距时，可以测得多组u、v值，以v/u(即像的放大率)作纵轴，以v作横轴，画出实验曲线。试问这条实验曲线具有什么形状?怎样由这条曲线求出透镜的焦距f ? 答：曲线是直线，在横轴上的截距就是f。  实验二 分光计测透明介质的折射率 实验目的 １．了解分光仪的结构；掌握分光仪的调节和使用方法。 ２．掌握测定棱镜顶角的方法。 ３．学会用最小偏向角测定棱镜的折射率。 实验仪器 型（或 型）分光仪，三棱镜（等边），汞灯。 重点难点： 1、按实验操作规程规范操作。 2、动手操作能力培养。 3、用最小偏向角法测定棱镜玻璃的折射率 德育渗透： 1、培养学生爱护仪器，保护国家财产的意识。 2、培养学生互相帮助，团结协作的精神 教学方法 1、讲授法。2、演示法。3、学生分组实验法 布置作业： 1、数据处理。2、误差分析3、独立完成实验报告。4、预习下一个实验 实验原理 １．测量三棱镜的顶角 三棱镜由两个光学面 和 及一个毛玻璃面 构成。三棱镜的顶角是指 与 的夹角 ，如图5—3—1所示。自准值法就是用自准值望远镜光轴与 面垂直，使三棱镜 面反射回来的小十字像位于准线 中央，由分光仪的度盘和游标盘读出这时望远镜光轴相对于某一个方位 的角位置 ；再把望远镜转到与三棱镜的 面垂直，由分光仪度盘和游标盘读出这时望远镜光轴相对于 的方位角 ，于是望远镜光轴转过的角度为 ，三棱镜顶角为 由于分光仪在制造上的原因，主轴可能不在分度盘的圆心上，可能略偏离分度盘圆心。因此望远镜绕过的真实角度与分度盘上反映出来的角度有偏差，这种误差叫偏心差，是一种系统误差。为了消除这种系统误差，分光仪分度盘上设置了相隔 的两个读数窗口（ 、 窗口），而望远镜的方位 由两个读数窗口读数的平均值来决定，而不是由一个窗口来读出，即 ， 　　 　　（5－3－1） 于是，望远镜光轴转过的角度为应该是 　　 　 　 　（5－3－2） ２．用最小偏向角法测定棱镜玻璃的折射率 如图5—3—2所示，在三棱镜中，入射光线与出射光线之间的夹角 的称为棱镜的偏向角，这个偏向角 与光线的入射角有关 　　　　　 　　　　（5－3－3） 　　 　　（5－3－4） 由于 是 的函数，因此 实际上只随 变化，当 为某一个值时， 达到最小，这最小的 称为最小偏向角。 为了求 的极小值，令导数 ，由（5－3－4）式得 　　　　　（5－3－5） 由折射定率得 ， 于是，有 此式与（5－3－3）比较可知 ，在棱镜折射的情况下， ， ，所以 由折射定律可知，这时， 。因此，当 时 具有极小值。将 、 代入（5－3－3）、（5－3－4）式，有 ， ， ， 。 　　　 　　（5－3－6） 由此可见，当棱镜偏向角最小时，在棱镜内部的光线与棱镜底面平行，入射光线与出射光线相对于棱镜成对称分布。 由于偏向角仅是入射角 的函数，因此可以通过不断连续改变入射角 ，同时观察出射光线的方位变化。在 的上述变化过程中，出射光线也随之向某一方向变化。当 变到某个值时，出射光线方位变化会发生停滞，并随即反向移动。在出射光线即将反向移动的时刻就是最小偏向角所对应的方位，只要固定这时的入射角，测出所固定的入射光线角坐标 ，再测出出射光线的角坐标 ，则有 　　　　 　　　　　　（5－3－7） 实验内容 1．按《光学实验基础知识》，对分光仪进行调整 （１）调节目镜，看清分划板上准线及小棱镜上十字。 （２）在载物平台上放上三棱镜并调节望远镜及平台，使在望远镜中看到三棱镜两个光学面反射的小十字像。 （３）调节望远镜物镜，使十字像清晰。 （４）调整望远镜与分光仪主轴垂直。 ２．用自准值法测量三棱镜顶角 （１）锁紧分度盘制动螺钉 ，转动望远镜（这时望远镜转动锁紧螺钉9松开），使望远镜对准三棱镜的反射面 ，锁紧望远镜转动螺钉9。利用望远镜转动微调 ，使由 面反射回来的小十字像位于分划板 准线的中央，记下分度盘两个窗口的读数值 与 。 （２）松开锁紧螺钉 ，把望远镜转到与 面垂直，再锁紧螺钉 。利用微调 使由 面反射回来的小十字像位于分划板上 准线中央，记下分度盘上两个窗口的读数 、 。 （３）按上述两步重复测量四次，将数据填入自拟表中，由（5－3－1）式求出 ，计算出 的平均值及标准误差。 ３．用反射法测量三棱镜顶角 在图5—3—3中，用光源照亮平行光管，它射出的平行光束照射在棱镜的顶角尖处 ，而被棱镜的两个光学面 和 所反射，分成夹角为 的两束平行反射光束 、 。由反射定律可知， ，所以 。因为 ，所以 。于是只要用分光仪测出从平行光管的狭缝射出的光线经 、 两个面反射后的二束平行光 与 之间的夹角 ，就可得顶角 ，则 　　 　　　（5－3－8） （１）按实验内容１的步骤调好分光仪。 （２）参照图5—3—2转动望远镜，寻找 面反射的狭缝像，使狭缝像与竖直准线重合，记下分光仪 、 窗口的读数 ，继续转动望远镜，寻找 面反射的狭缝像，也使狭缝像与竖直准线重合，再记下分光仪 、 窗口的读数 、 。 （３）重复上述测量四次，将数据填入自拟表中，由（5－3－7）式求出 的平均值及标准误差。 ４．用最小偏向角法测定棱镜玻璃的折射率 （１）用汞灯作光源照亮狭缝，由平行光管射出光线进入望远镜，寻找狭缝像，使狭缝像与分化板上的中央竖直准线重合，记下这时望远镜筒所在的角坐标 。 （２）将三棱镜放置在载物台平台上，使平行光管射出光线进入三棱镜的 面，转动平台在三棱镜的 面观察望远镜中的可见光谱，跟踪绿谱线的移动方向。寻找最小偏向角的最佳位置，当轻微调节载物平台，而绿谱线恰好要反向移动时，固定载物平台。再转动望远镜，使狭缝的像（绿谱线）与中央竖直准线重合，记下这时出射光线角坐标 、 。 （３）按上述步骤重复三次，由　（5－3－7）式求出 的平均值，把 与 代入　（5－3－6）式，求出棱镜玻璃的折射率 值。并计算出 的相对误差。 思考题 １．分光仪主要由哪几部分组成？各部分作用是什么？ ２．分光仪的调整主要内容是什么？每一要求是如何实现的？ ３．分光仪底座为什么没有水平调节装置？ ４．在调整分光仪时，若旋转载物平台，三棱镜的AB、AC、BC三面反射回来的绿色小十字像均对准分化板水平叉丝等高的位置，这时还有必要再采用二分之一逐次逼近法来调节吗？为什么？ ５．望远镜对准三棱镜 面时， 窗口读数是293度21分30秒，写出这时 窗口的可能读数和望远镜对准面 时， 窗口的可能读数值。 ６．如图5—3－4所示，分光仪中刻度盘中心 与游标盘中心 不重合，则游标盘转过 角时,刻度盘读出的角度 ，但 ，试证明。 ７．什么是最小偏向角？在实验中，如何来调整测量最小偏向角的位置？若位置稍有偏离带来的误差对实验结果影响如何？为什么？ 实验三   双棱镜干涉测波长 教学目的 1.掌握一种利用分割波前实现双光束干涉的方法 2.用菲涅耳双棱镜绝对测量光波波长 3.光场空间相干性的初步观察 仪器用具 纳光灯,双棱镜,凸透镜,测微目镜,单狭缝,光具座等. 重点难点： 1、按实验操作规程规范操作。 2、动手操作能力培养。 3、掌握使干涉条纹清晰的主要调节步骤 德育渗透： 1、培养学生爱护仪器，保护国家财产的意识。 2、培养学生互相帮助，团结协作的精神 教学方法 1、讲授法。2、演示法。3、学生分组实验法 布置作业： 1、数据处理。2、误差分析3、独立完成实验报告。4、预习下一个实验 实验内容 波动光学研究光的波动性质、规律及其应用，主要内容包括光的干涉、衍射和偏振。1818年菲涅耳的双棱镜干涉实验不仅对波动光学的发展起到了重要作用，同时也提供了一种非常简单的测量单色光波长的方法。通过本实验学习利用光的干涉现象测量光波波长的方法，了解双缝的干涉条件及在实验中如何实现，掌握实验光路的调节和测微目镜的使用。 1．双棱镜干涉及测光波长方法 菲涅耳双棱镜是由两块底边相接、折射棱角a小于1°的直角棱镜组成的。从单缝发出的光经双棱镜折射后，形成两束犹如从虚光源发出的频率相同、振动方向相同、并且在相遇点有恒定相位差的相干光束，它们在空间传播时，有一部分彼此重叠而形成干涉场。   在图3-15-2中，设由双棱镜B所产生的两相干虚光源S1、S2间距为d，观察屏P到S1S2平面的距离为D。若P上的P0点到S1和S2的距离相等，则S1和S2发出的光波到P0的光程也相等，因而在P0点相互加强而形成中央明条纹(零级干涉条纹)。 设S1和S2到屏上任一点PK的光程差为D，PK与P0的距离为XK，则当d<