光學(xué)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)知識(shí)

光學(xué)實(shí)驗(yàn)根底知識(shí)楊鵬物理與電子工程學(xué)院

整理課件主要內(nèi)容一、光學(xué)實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容二、光學(xué)實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)三、光學(xué)實(shí)驗(yàn)遵循的原那么四、光學(xué)實(shí)驗(yàn)的觀(guān)測(cè)方法五、光學(xué)實(shí)驗(yàn)根本光路六、光學(xué)實(shí)驗(yàn)常用儀器七、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理整理課件課程背景光學(xué)：物理學(xué)經(jīng)典學(xué)科，開(kāi)展迅速。經(jīng)典光學(xué)理論和實(shí)驗(yàn)方法：促進(jìn)科技進(jìn)步。新的研究成果和實(shí)驗(yàn)技術(shù)：促進(jìn)光學(xué)學(xué)科及其他科技領(lǐng)域開(kāi)展，如天文、化學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)等。光學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)：觀(guān)察根本光學(xué)現(xiàn)象，學(xué)習(xí)和掌握光學(xué)實(shí)驗(yàn)的根本知識(shí)和根本方法，培養(yǎng)根本的光學(xué)實(shí)驗(yàn)技能。光學(xué)實(shí)驗(yàn)：儀器精密，調(diào)節(jié)復(fù)雜，只有在了解儀器結(jié)構(gòu)性能根底上建立清晰的物理圖像，才能選擇有效而準(zhǔn)確的調(diào)節(jié)方法，判斷儀器是否處于正常的工作狀態(tài)。理論聯(lián)系實(shí)際：在光學(xué)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，儀器的調(diào)節(jié)和檢驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀(guān)察、分析等都離不開(kāi)理論的指導(dǎo)。整理課件光學(xué)實(shí)驗(yàn)課，學(xué)習(xí)的重點(diǎn)是學(xué)習(xí)和掌握光學(xué)實(shí)驗(yàn)的根本知識(shí)、根本方法以及培養(yǎng)根本實(shí)驗(yàn)技能，研究一些根本的光學(xué)現(xiàn)象，加強(qiáng)對(duì)經(jīng)典光學(xué)理論的理解，提高對(duì)實(shí)驗(yàn)方法和技術(shù)的認(rèn)識(shí)。〔一〕根本物理量的測(cè)量方法根本物理量：透鏡的焦距、基點(diǎn)、曲率半徑，介質(zhì)折射率、溶液濃度、光波波長(zhǎng)、光柵常量等。一、光學(xué)實(shí)驗(yàn)的主要內(nèi)容整理課件測(cè)量方法：焦距測(cè)量：物距像距法、二次成像法、自準(zhǔn)直法、輔助透鏡法折射率測(cè)量：最小偏向角法、掠入射法光波波長(zhǎng)測(cè)量：雙棱鏡干預(yù)法、邁克爾遜干預(yù)法、透射光柵法溶液濃度測(cè)量：旋光法偏振光分析、單色儀定標(biāo)加深理論—掌握方法—觀(guān)察現(xiàn)象—分析現(xiàn)象整理課件〔二〕常用光學(xué)儀器的使用常用儀器:光具座、測(cè)微目鏡、望遠(yuǎn)鏡、分光計(jì)、干預(yù)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，本卷須知，并具有較好的操作技能。整理課件〔三〕學(xué)習(xí)分析光學(xué)實(shí)驗(yàn)中的根本光路自準(zhǔn)直光路、分光光路、助視放大光路、恒偏向光路?！菜摹忱^續(xù)學(xué)習(xí)分析誤差的方法和提高對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理能力提高對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理能力和實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差原因的分析水平，正確表達(dá)和評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分析誤差產(chǎn)生的原因以及減小實(shí)驗(yàn)誤差。

整理課件二、光學(xué)實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)與理論密切結(jié)合頻率極高的電磁波，1014數(shù)量級(jí)，光學(xué)現(xiàn)象不直觀(guān)，只能觀(guān)察一定時(shí)間內(nèi)的平均效果?？坷碚摰闹尾拍馨盐兆?shí)驗(yàn)現(xiàn)象。儀器調(diào)節(jié)要求高儀器精密，必須嚴(yán)風(fēng)格節(jié)，才能保證精度。邁克爾遜干預(yù)儀精度可達(dá)10-4mm。實(shí)驗(yàn)?zāi)芰σ蟾邔?shí)驗(yàn)技能、理論根底、判斷能力。另外取得較好的實(shí)驗(yàn)效果，有光學(xué)實(shí)驗(yàn)須在低照度環(huán)境下進(jìn)行，因此，要小心謹(jǐn)慎，平安操作，防止事故，要防止光學(xué)元件跌落損壞，儀器讀數(shù)失誤，并注意保護(hù)視力。整理課件三、光學(xué)實(shí)驗(yàn)遵循的原那么1、必須在熟悉儀器的性能與使用方法之后才能進(jìn)行使用與操作；2、輕拿輕放，勿使儀器或光學(xué)元器件受到?jīng)_擊、碰撞和震動(dòng)，特別注意不能從手中滑落；3、不使用時(shí)要及時(shí)將光學(xué)元件放回包裝盒內(nèi)，長(zhǎng)期閑置不用應(yīng)該將其放入枯燥皿中保存；整理課件4、手拿光學(xué)元器件時(shí)切忌用手觸摸“工作面〞，如果必須拿光學(xué)元器件時(shí)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，否那么因人手的“汗跡〞會(huì)腐蝕光學(xué)面造成永久的損壞；5、如發(fā)現(xiàn)光學(xué)元器件的工作面有灰塵，要用專(zhuān)用的枯燥脫脂棉輕輕擦拭或用橡皮球吹去，絕對(duì)不能用嘴去吹；整理課件6、假設(shè)發(fā)現(xiàn)光學(xué)外表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(shí)不能加太大的壓力以免光學(xué)外表被劃傷，更不能用普通紙、手帕、毛巾或衣物等進(jìn)行擦拭；7、進(jìn)行光學(xué)實(shí)驗(yàn)時(shí)盡量防止說(shuō)話(huà)，防止口水、唾液或其它液體濺落到光學(xué)面，造成光學(xué)面的化學(xué)損傷；8、在對(duì)光學(xué)儀器或光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整時(shí)，要耐心細(xì)致，邊調(diào)整，邊觀(guān)察，動(dòng)作要輕、柔、慢，切忌粗魯與盲目操作；整理課件9、千萬(wàn)要注意在做實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中觀(guān)察與分析實(shí)驗(yàn)過(guò)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(shí)將現(xiàn)象記錄或存儲(chǔ)下來(lái)，向指導(dǎo)教師請(qǐng)教或分析；10、使用完儀器設(shè)備后應(yīng)當(dāng)及時(shí)整理，放回原處或加罩防護(hù)，防止灰塵污染。整理課件四、光學(xué)實(shí)驗(yàn)的觀(guān)測(cè)方法主觀(guān)觀(guān)察法和客觀(guān)測(cè)量法

1、眼睛直接觀(guān)察的方法，稱(chēng)為主觀(guān)觀(guān)察方法2、用光電探測(cè)器來(lái)進(jìn)行客觀(guān)測(cè)量，常用光電管、光敏電阻和光電池等視差:人們觀(guān)察遠(yuǎn)近不同的物體A和物體B時(shí)，常會(huì)發(fā)生視覺(jué)差異的現(xiàn)象。利用視差進(jìn)行如下判斷:(1)被觀(guān)察的物與像，或像與像是否重合(2)如果未重合，那么哪個(gè)離觀(guān)測(cè)者近一些，這對(duì)于指導(dǎo)儀器的調(diào)節(jié)，確定像的位置很有幫助。整理課件五、根本光路〔一〕自準(zhǔn)直光路1.f′OOO′分劃板透鏡平面鏡在物體自身的平面上產(chǎn)生物體的實(shí)像，所以稱(chēng)為自準(zhǔn)直光路。整理課件2.f′OO′分劃板透鏡平面鏡Oyy′αααα整理課件3.f′OO′分劃板透鏡平面鏡Oyy′α

2αα

2α

物平面與反射鏡平面相對(duì)位置影響實(shí)像的位置，例如：分光計(jì)的調(diào)節(jié)就是利用自準(zhǔn)直光路實(shí)現(xiàn)光軸與主軸的垂直。應(yīng)用：自準(zhǔn)直目鏡。阿貝目鏡高斯目鏡整理課件〔二〕三棱鏡分光光路復(fù)色光→棱鏡→單色光同一棱鏡對(duì)不同波長(zhǎng)的光具有不同的折射率?！册槍?duì)鈉光波長(zhǎng)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(duì)稱(chēng)時(shí)，出射光與入射光的夾角。δi1i1′i2i2′整理課件〔三〕光柵分光光路分光原理：光柵方程dsinθ=kλ各級(jí)譜線(xiàn)分布于零級(jí)像兩側(cè)。零級(jí)像：k=0,θ=0的位置，所有波長(zhǎng)的光重疊在一起。整理課件六、根本光學(xué)儀器的使用〔一〕光具座雙桿式和平直導(dǎo)軌式長(zhǎng)度為1-2m，刻有毫米標(biāo)尺?；瑝K支架。整理課件將各種光學(xué)元件〔透鏡、面鏡等等〕組合成特定的光學(xué)系統(tǒng)，運(yùn)用這些光學(xué)系統(tǒng)成像時(shí)，要想獲得優(yōu)良的像，必須保持光束的同心結(jié)構(gòu)，即要求該光學(xué)系統(tǒng)符合或接近理想光學(xué)系統(tǒng)的條件，這樣，物方空間的任一物點(diǎn)，經(jīng)過(guò)該系統(tǒng)成像時(shí)，在像方空間必有唯一的共軛像點(diǎn)存在，而且符合各種理論計(jì)算公式。為此，在光具座上調(diào)節(jié)光學(xué)系統(tǒng)，必須滿(mǎn)足以下幾點(diǎn)。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(xué)系統(tǒng)中各光學(xué)元件的光軸,使之共軸。并讓物體發(fā)出的成像光束滿(mǎn)足近軸光線(xiàn)的要求。整理課件3.等高因?yàn)槌上窆街械母鞫尉嚯x,都是指光學(xué)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(shí)際的距離,必須做到光學(xué)系統(tǒng)的光軸和光具座道軌的基線(xiàn)平行——簡(jiǎn)稱(chēng)等高。調(diào)節(jié)光學(xué)系統(tǒng)各元件的共軸等高，是光學(xué)實(shí)驗(yàn)中的一項(xiàng)根本要求，必須很好掌握，一般的調(diào)節(jié)可分粗調(diào)和細(xì)調(diào)兩步進(jìn)行。整理課件〔1〕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(dǎo)軌平行的同一條直線(xiàn)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(dǎo)軌。整理課件〔2〕細(xì)調(diào)

二次成像法成小像時(shí)，調(diào)節(jié)光屏位置，使P〞與屏中心重合；成大像時(shí)，那么調(diào)節(jié)透鏡的上下或左右，使P′位于光屏中心。依次反復(fù)調(diào)節(jié)，便可調(diào)好。整理課件〔二〕分光計(jì)精密測(cè)角儀：測(cè)量棱鏡角，偏向角分光儀器：借助分光元件可觀(guān)察光譜，測(cè)量波長(zhǎng)。整理課件1.分光計(jì)的構(gòu)造簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)整理課件1，狹縫裝置2，狹縫裝置鎖緊螺絲3，準(zhǔn)直管4，制動(dòng)架5，載物臺(tái)6，載物臺(tái)調(diào)平螺絲7，載物臺(tái)鎖緊螺絲8，望遠(yuǎn)鏡9，望遠(yuǎn)鏡鎖緊螺絲具體結(jié)構(gòu)整理課件10，阿貝式自準(zhǔn)直目鏡11，目鏡視度調(diào)節(jié)手輪12，望遠(yuǎn)鏡光軸上下調(diào)節(jié)螺絲13，望遠(yuǎn)鏡光軸水平調(diào)節(jié)螺絲14，支臂15，望遠(yuǎn)鏡微調(diào)螺絲16，望遠(yuǎn)鏡止動(dòng)螺絲17，轉(zhuǎn)軸與度盤(pán)止動(dòng)螺絲18，制動(dòng)架α整理課件19，底座20，轉(zhuǎn)座21，度盤(pán)22，游標(biāo)盤(pán)23，支柱24，游標(biāo)盤(pán)微調(diào)螺絲25，游標(biāo)盤(pán)止動(dòng)螺絲26，準(zhǔn)直管光軸水平調(diào)節(jié)螺絲27，準(zhǔn)直管光軸上下調(diào)節(jié)螺絲28，狹縫寬度調(diào)節(jié)手輪整理課件整理課件2.分光計(jì)的調(diào)節(jié)測(cè)量前應(yīng)調(diào)節(jié)分光計(jì)，到達(dá)：望遠(yuǎn)鏡聚焦到無(wú)窮遠(yuǎn)，望遠(yuǎn)鏡的光軸對(duì)準(zhǔn)儀器的中心轉(zhuǎn)軸并與中心轉(zhuǎn)軸垂直。待測(cè)光學(xué)元件的外表與中心轉(zhuǎn)軸平行。平行光管出射平行光，且光軸與望遠(yuǎn)鏡的光軸共軸。整理課件1)目視粗調(diào)

⑤調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡俯仰調(diào)節(jié)螺釘平行光管俯仰調(diào)節(jié)螺釘望遠(yuǎn)鏡支架平行光管水平調(diào)節(jié)螺釘望遠(yuǎn)鏡水平調(diào)節(jié)螺釘④松開(kāi)望遠(yuǎn)鏡鎖緊螺釘③松開(kāi)游標(biāo)盤(pán)鎖緊螺釘鎖緊載物臺(tái)升降鎖緊螺釘②調(diào)節(jié)載物盤(pán)水平調(diào)節(jié)螺釘①

移動(dòng)底座整理課件2)用自準(zhǔn)直法將望遠(yuǎn)鏡調(diào)焦到無(wú)窮遠(yuǎn)⑵

叉絲像分劃板視場(chǎng)透光窗反射像旋轉(zhuǎn)目鏡調(diào)節(jié)鼓輪⑴伸縮目鏡筒⑶

整理課件載物盤(pán)水平、望遠(yuǎn)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(shí)，只需調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡的俯仰調(diào)節(jié)螺釘dd平面鏡兩側(cè)面的反射像同時(shí)位于或時(shí)，只需調(diào)節(jié)載物盤(pán)的水平調(diào)節(jié)螺釘dd整理課件觀(guān)察不到反射像的原因目鏡中觀(guān)察到的叉絲和透光窗中黑色十字的像模糊?！厕D(zhuǎn)動(dòng)目鏡調(diào)節(jié)鼓輪〕望遠(yuǎn)鏡沒(méi)有聚焦于無(wú)窮遠(yuǎn)?！菜砷_(kāi)目鏡筒鎖緊螺釘，前后移動(dòng)目鏡筒〕平面反射鏡的鏡面與望遠(yuǎn)鏡的光軸不垂直。俯視側(cè)視轉(zhuǎn)動(dòng)載物臺(tái)或望遠(yuǎn)鏡調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡俯仰或載物盤(pán)水平調(diào)節(jié)螺釘整理課件用光路圖表示為〔1〕，假設(shè)望遠(yuǎn)鏡向下偏，由圖：假設(shè)偏斜嚴(yán)重將得不到像整理課件假設(shè)偏斜不嚴(yán)重，由圖像點(diǎn)P將會(huì)在物S的下方，現(xiàn)象為十字叉絲將向下偏整理課件〔2〕假設(shè)望遠(yuǎn)鏡上偏：現(xiàn)象為：叉絲上偏整理課件棱鏡下偏：現(xiàn)象為：叉絲下偏整理課件假設(shè)棱鏡上偏：現(xiàn)象為：叉絲上偏整理課件3)調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡光軸與中心轉(zhuǎn)軸垂直

①放置平面鏡②撥動(dòng)游標(biāo)盤(pán)

③調(diào)節(jié)載物盤(pán)水平調(diào)節(jié)螺釘或望遠(yuǎn)鏡俯仰調(diào)節(jié)螺釘

整理課件載物盤(pán)水平、望遠(yuǎn)鏡俯仰的各半調(diào)節(jié)d調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡俯仰調(diào)節(jié)螺釘

調(diào)節(jié)載物盤(pán)水平調(diào)節(jié)螺釘d/2整理課件4)調(diào)節(jié)平行光管平行光管由狹縫和準(zhǔn)直透鏡組成。整理課件狹縫鎖緊螺釘俯仰調(diào)節(jié)螺釘松開(kāi)狹縫鎖緊螺釘前后移動(dòng)狹縫①

轉(zhuǎn)動(dòng)狹縫調(diào)節(jié)平行光管俯仰調(diào)節(jié)螺釘

②

轉(zhuǎn)動(dòng)狹縫鎖住狹縫鎖緊螺釘③

整理課件3.分光計(jì)的測(cè)量原理δ＝(

α2-α1

+

β2-β1

)/2

δ

平行光管α2

β2

望遠(yuǎn)鏡平行光管α1

β1

望遠(yuǎn)鏡整理課件讀數(shù)方法主刻度盤(pán)游標(biāo)盤(pán)游標(biāo)窗口233o

13?

整理課件偏心差整理課件測(cè)三棱鏡頂角平行光管出射的平行光射向三棱鏡的兩個(gè)光學(xué)外表，用望遠(yuǎn)鏡分別接收兩外表的反射光，就可計(jì)算出兩束光的夾角Φ。由幾何關(guān)系可以證明Φ與三棱鏡頂角A的關(guān)系為：Φ=2A整理課件A＝〔α2-α1+β2-β1〕/4平行光管望遠(yuǎn)鏡整理課件(三)測(cè)微目鏡〔1〕要確定目鏡的準(zhǔn)確度及鼓輪轉(zhuǎn)動(dòng)讀數(shù)增大的方向，并選取適宜的初始點(diǎn)；〔2〕一次測(cè)量中鼓輪只能單向移動(dòng)，不能中途倒轉(zhuǎn)；〔3〕干預(yù)條紋應(yīng)與豎直雙線(xiàn)平行無(wú)視差；〔4〕到達(dá)刻度線(xiàn)零點(diǎn)后，應(yīng)立即返回，以免損壞測(cè)微目鏡。整理課件〔四〕測(cè)移顯微鏡〔1〕測(cè)量時(shí)，要先調(diào)好目鏡和物鏡。〔2〕測(cè)量時(shí)應(yīng)使一根十字叉絲與顯微鏡的目鏡移動(dòng)方向垂直。〔3〕為減小回程誤差，應(yīng)單方向測(cè)量?！?〕測(cè)量結(jié)束后，應(yīng)用保護(hù)套罩好儀器。整理課件〔五〕單色儀〔六〕攝譜儀整理課件〔七〕光源1.熱輻射光源基于熱輻射原理，白熾燈，燈絲加熱到白熾狀態(tài)而發(fā)光。連續(xù)光譜，功率較低，碘鎢燈，溴鎢燈。2.氣體放電光源電流——?dú)怏w介質(zhì)——放電發(fā)光。低壓汞燈：小于1個(gè)大氣壓工作，在可見(jiàn)光區(qū)產(chǎn)生4條明亮的特征曲線(xiàn)。工作電壓20V，工作電流1300mA.低壓鈉燈：金屬蒸汽弧光放電。在可見(jiàn)光區(qū)發(fā)成兩條極強(qiáng)黃色譜線(xiàn)：589.0nm,589.6nm.工作電壓20V，工作電流1.3A。整理課件3.激光光源受激輻射發(fā)光，極強(qiáng)的方向性，發(fā)散角小。極好的單色性和相干性，能量高度集中。He-Ne激光器：可見(jiàn)光區(qū)輸出波長(zhǎng)632.8nm，單