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光学实验基础知识光学实验基础知识 杨杨 鹏鹏物理与电子工程学院物理与电子工程学院 主要内容主要内容一、光学实验的内容一、光学实验的内容二、光学实验特点二、光学实验特点三、光学实验遵循的原则三、光学实验遵循的原则四、光学实验的观测方法四、光学实验的观测方法五、光学实验基本光路五、光学实验基本光路六、光学实验常用仪器六、光学实验常用仪器七、实验数据处理七、实验数据处理课程背景课程背景n光学：光学：物理学经典学科，发展迅速。物理学经典学科，发展迅速。n经典光学理论和实验方法：经典光学理论和实验方法：促进科技进步。促进科技进步。n新的研究成果和实验技术：新的研究成果和实验技术：促进光学学科及其他促进光学学科及其他科技领域发展，如天文、化学、生物、医学等。科技领域发展，如天文、化学、生物、医学等。n光学实验技术：光学实验技术：观察基本光学现象，学习和掌握观察基本光学现象，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。学实验技能。n光学实验：光学实验：仪器精密，调节复杂，只有在了解仪仪器精密，调节复杂，只有在了解仪器结构性能基础上建立清晰的物理图像，才能选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。常的工作状态。n理论联系实际：理论联系实际：在光学实验过程中，仪器的调节在光学实验过程中，仪器的调节和检验，实验现象的观察、分析等都离不开理论和检验，实验现象的观察、分析等都离不开理论的指导。的指导。光学实验课，学习的重点是学习和掌握光学实验的基本知识、基本方法以及培养基本实验技能，研究一些基本的光学现象，加强对经典光学理论的理解，提高对实验方法和技术的认识。（一）基本物理量的测量方法（一）基本物理量的测量方法n基本物理量：基本物理量：透镜的焦距、基点、曲率半径，介质折射率、溶液浓度、光波波长、光栅常量等。一、光学实验的主要内容一、光学实验的主要内容n测量方法：测量方法：焦距测量：焦距测量：物距像距法、二次成像法、自准直法、辅助透镜法折射率测量：折射率测量：最小偏向角法、掠入射法光波波长测量：光波波长测量：双棱镜干涉法、迈克尔逊干涉法、透射光栅法溶液浓度测量：溶液浓度测量：旋光法偏振光分析、单色仪定标偏振光分析、单色仪定标加深理论加深理论掌握方法掌握方法观察现象观察现象分析现象分析现象（二）常用光学仪器的使用（二）常用光学仪器的使用 常用仪器:光具座、测微目镜、望远镜、分光计、干涉仪、摄谱仪等。了解仪器的构造原理及正常使用状态，调节到正常使用状态的方法，操作要求，注意事项，并具有较好的操作技能。（三）学习分析光学实验中的基本光路（三）学习分析光学实验中的基本光路 自准直光路、分光光路、助视放大光路、恒偏向光路。（四）继续学习分析误差的方法和提高对实验数据（四）继续学习分析误差的方法和提高对实验数据的处理能力的处理能力 提高对实验数据的处理能力和实验结果误差原因的分析水平，正确表达和评价实验结果，分析误差产生的原因以及减小实验误差。二、光学实验的特点二、光学实验的特点n与理论密切结合与理论密切结合 频率极高的电磁波，频率极高的电磁波，1014数量级，光学现象不直观，只数量级，光学现象不直观，只能观察一定时间内的平均效果。靠理论的支撑才能把握住实能观察一定时间内的平均效果。靠理论的支撑才能把握住实验现象。验现象。n仪器调节要求高仪器调节要求高 仪器精密，必须严格调节，才能保证精度。迈克尔逊干涉仪仪器精密，必须严格调节，才能保证精度。迈克尔逊干涉仪精度可达精度可达10-4mm。n实验能力要求高实验能力要求高 实验技能、理论基础、判断能力。实验技能、理论基础、判断能力。另另外外取取得得较较好好的的实实验验效效果果，有有光光学学实实验验须须在在低低照照度度环环境境下下进进行行，因因此此，要要小小心心谨谨慎慎，安安全全操操作作，防防止止事事故故，要要避避免免光光学元件跌落损坏，仪器读数失误，并注意保护视力。学元件跌落损坏，仪器读数失误，并注意保护视力。三、光学实验遵循的原则三、光学实验遵循的原则n1、必须在熟悉仪器的性能与使用方法之后才能进行使用与操作；n2、轻拿轻放，勿使仪器或光学元器件受到冲击、碰撞和震动，特别注意不能从手中滑落；n3、不使用时要及时将光学元件放回包装盒内，长期闲置不用应该将其放入干燥皿中保存；n4、手拿光学元器件时切忌用手触摸“工作面”，如果必须拿光学元器件时只能拿它的非工作的“磨砂面”，例如透镜的外圆磨砂面，棱镜的上下底面，柱面镜的上下磨砂面，否则因人手的“汗迹”会腐蚀光学面造成永久的损坏；n5、如发现光学元器件的工作面有灰尘，要用专用的干燥脱脂棉轻轻擦拭或用橡皮球吹去，绝对不能用嘴去吹；n6、若发现光学表面上已被轻微污染或有较轻的印记，可以用清洁的镜头纸轻轻拂去，擦试时不能加太大的压力以免光学表面被划伤，更不能用普通纸、手帕、毛巾或衣物等进行擦拭；n7、进行光学实验时尽量避免说话，防止口水、唾液或其它液体溅落到光学面，造成光学面的化学损伤；n8、在对光学仪器或光学系统进行调整时，要耐心细致，边调整，边观察，动作要轻、柔、慢，切忌粗鲁与盲目操作；n9、千万要注意在做实验的过程中观察与分析实验过程与现象，尤其是出现与预期现象反常的特殊现象，应及时将现象记录或存储下来，向指导教师请教或分析；n10、使用完仪器设备后应当及时整理，放回原处或加罩防护，防止灰尘污染。四、四、光学实验的观测方法光学实验的观测方法n主观主观观察法观察法和客观客观测量法测量法 1、眼睛直接观察的方法，称为主观观察方法 2、用光电探测器来进行客观测量，常用光电管、光敏电阻和光电池等n视差:人们观察远近不同的物体A和物体B 时，常会发生视觉差异的现象。利用视差进行如下判断:(1)被观察的物与像，或像与像是否重合 (2)如果未重合，那么哪个离观测者近一些，这 对于指导仪器的调节，确定像的位置很有帮助。五、基本光路五、基本光路（一）自准直光路（一）自准直光路 1.f OO O分划板透镜平面镜在物体自身的平面上产生物体的实像，所以称为自准直光路。2.f OO分划板透镜平面镜Oyy3.f OO分划板透镜平面镜Oyy 2 2 物平面与反射镜平面相对位置影响实像的位置，例如：分光计的调节就是利用自准直光路实现光轴与主轴的垂直。应用：自准直目镜。阿贝目镜高斯目镜（二）三棱镜分光光路（二）三棱镜分光光路复色光棱镜 单色光 同一棱镜对不同波长的光具有不同的折射率。（针对钠光波长589.3nm而言）偏向角：出射光与入射光的夹角。最小偏向角：光路对称时，出射光与入射光的夹角。i1i1i2i2（三）光栅分光光路（三）光栅分光光路分光原理：光栅方程 dsin=k各级谱线分布于零级像两侧。零级像：k=0,=0的位置，所有波长的光重叠在一起。六、基本光学仪器的使用六、基本光学仪器的使用（一）光具座（一）光具座n双杆式和平直导轨式n长度为1-2m，刻有毫米标尺。n滑块支架。将各种光学元件（透镜、面镜等等）组合成特定的光学系统，运用这些光学系统成像时，要想获得优良的像，必须保持光束的同心结构，即要求该光学系统符合或接近理想光学系统的条件，这样，物方空间的任一物点，经过该系统成像时，在像方空间必有唯一的共轭像点存在，而且符合各种理论计算公式。为此，在光具座上调节光学系统，必须满足以下几点。1.光具座水平 调节光具座底角的水平调节螺钉(借助水平尺)，使光具座水平。2.共轴 调节光学系统中各光学元件的光轴,使之共轴。并让物体发出的成像光束满足近轴光线的要求。3.等高 因为成像公式中的各段距离,都是指光学系统光轴上的距离,所以要从光具座轨道上的读数求出符合实际的距离,必须做到光学系统的光轴和光具座道轨的基线平行简称等高。调节光学系统各元件的共轴等高，是光学实验中的一项基本要求，必须很好掌握，一般的调节可分粗调和细调两步进行。（1）粗调粗调 先把物、透镜、像屏等元件放置于光具座上，如图依次检查并调整物、透镜及屏的中心（图中物体P 经透镜L 成像于P），使各元件的中心大致在与导轨平行的同一条直线上，并使物平面、像屏平面和透镜面相互平行且垂直于光具座导轨。（2）细调细调二次成像法二次成像法 成小像时，调节光屏位置，使P与屏中心重合；成大像时，则调节透镜的高低或左右，使P位于光屏中心。依次反复调节，便可调好。（二）分光计（二）分光计n精密测角仪：测量棱镜角，偏向角n分光仪器：借助分光元件可观察光谱，测量波长。1.1.分光计的构造分光计的构造n n简单结构简单结构简单结构简单结构1，狭缝装置2，狭缝装置锁紧螺丝3，准直管4，制动架5，载物台6，载物台调平螺丝7，载物台锁紧螺丝8，望远镜9，望远镜锁紧螺丝n n具体结构具体结构具体结构具体结构10，阿贝式自准直目镜11，目镜视度调节手轮12，望远镜光轴高低调节螺丝 13，望远镜光轴水平调节螺丝14，支臂15，望远镜微调螺丝16，望远镜止动螺丝17，转轴与度盘止动螺丝18，制动架19，底座 20，转座21，度盘 22，游标盘23，支柱 24，游标盘微调 螺丝25，游标盘止动螺丝26，准直管光轴水平调节螺丝27，准直管光轴高低调节螺丝28，狭缝宽度调节手轮2.分光计的调节分光计的调节测量前应调节分光计，达到：n望远镜聚焦到无穷远，望远镜的光轴对准仪器的中心转轴并与中心转轴垂直。n待测光学元件的表面与中心转轴平行。n平行光管出射平行光，且光轴与望远镜的光轴共轴。1)1)目视粗调目视粗调 调节望远镜俯仰调节螺钉 平行光管俯仰调节螺钉望远镜支架平行光管水平调节螺钉望远镜水平调节螺钉 松开望远镜锁紧螺钉 松开游标盘锁紧螺钉锁紧载物台升降锁紧螺钉调节载物盘水平调节螺钉 移动底座2)用自准直法将望远镜调焦到无穷远 叉丝像分划板视场透光窗反射像旋转目镜调节鼓轮 伸缩目镜筒 载物盘水平、望远镜俯仰调节的特例 平面镜两侧面的反射像分别位于和时，只需调节望远镜的俯仰调节螺钉dd平面镜两侧面的反射像同时位于或时，只需调节载物盘的水平调节螺钉dd观察不到反射像的原因n目镜中观察到的叉丝和透光窗中黑色十字的像模糊。（转动目镜调节鼓轮）n望远镜没有聚焦于无穷远。（松开目镜筒锁紧螺钉，前后移动目镜筒）n平面反射镜的镜面与望远镜的光轴不垂直。俯视侧视转动载物台或望远镜调节望远镜俯仰或载物盘水平调节螺钉用光路图表示为n（1），若望远镜向下偏，由图：若偏斜严重将得不到像n若偏斜不严重，由图像点P将会在物S的下方，现象为十字叉丝将向下偏（2）若望远镜上偏：现象为：叉丝上偏棱镜下偏：现象为：叉丝下偏若棱镜上偏：现象为：叉丝上偏3)调节望远镜光轴与中心转轴垂直 放置平面镜 拨动游标盘 调节载物盘水平调节螺钉或望远镜俯仰调节螺钉 载物盘水平、望远镜俯仰的各半调节d调节望远镜俯仰调节螺钉 调节载物盘水平调节螺钉d/24)调节平行光管n平行光管由狭缝和准直透镜组成。狭缝 锁紧螺钉俯仰调节螺钉松开狭缝锁紧螺钉前后移动狭缝 转动狭缝调节平行光管俯仰调节螺钉 转动狭缝锁住狭缝锁紧螺钉 3.分光计的测量原理分光计的测量原理(2-1+2-1)/2 平行光管2 2 望远镜平行光管1 1 望远镜读数方法主刻度盘游标盘游标窗口233 13 偏心差n测三棱镜顶角平行光管出射的平行光射向三棱镜的两个光学表面，用望远镜分别接收两表面的反射光，就可计算出两束光的夹角。由几何关系可以证明与三棱镜顶角A的关系为：=2A A（2-1+2-1）/4 平行光管望远镜(三)测微目镜（1）要确定目镜的准确度及鼓轮转动读数增大的方向，并选取合适的初始点；（2）一次测量中鼓轮只能单向移动，不能中途倒转；（3）干涉条纹应与竖直双线 平行无视差；（4）到达刻度线零点后，应立即返回，以免损坏测微目镜。（四）测移显微镜n（1）测量时，要先调好目镜和物镜。n（2）测量时应使一根十字叉丝与显微镜的目镜移动方向垂直。n（3）为减小回程误差，应单方向测量。n（4）测量结束后，应用保护套罩好仪器。n（五）单色仪n（六）摄谱仪（七）光源（七）光源1.热辐射光源热辐射光源u基于热辐射原理，白炽灯，灯丝加热到白炽状态而发光。基于热辐射原理，白炽灯，灯丝加热到白炽状态而发光。u连续光谱，功率较低，碘钨灯，溴钨灯。连续光谱，功率较低，碘钨灯，溴钨灯。2.气体放电光源气体放电光源u电流电流气体介质气体介质放电发光。放电发光。u低压汞灯：小于低压汞灯：小于1个大气压工作，在可见光区产生个大气压工作，在可见光区产生4条明亮条明亮的特征曲线。工作电压的特征曲线。工作电压20V，工作电流，工作电流1300mA.u低压钠灯：金属蒸汽弧光放电。低压钠灯：金属蒸汽弧光放电。在可见光区发成两条极强黄色谱线：在可见光区发成两条极强黄色谱线：589.0nm,589.6nm.工作电压工作电压20V，工作电流，工作电流1.3A。3.激光光源激光光源u受激受激辐辐射射发发光，极光，极强强的方向性，的方向性，发发散角小。散角小。u极好的极好的单单色性和相干性，能量高度集中。色性和相干性，能量高度集中。uHe-Ne激光器：可激光器：可见见光区光区输输出波出波长长632.8nm，单单色色红红光。管端工作光。管端工作电压电压23kv,直流工作直流工作电电流流36mA。七、实验数据处理七、实验数据处理1、直接测量的最佳值n（1）算术平均值 n（2）标准差 n（3）测量值的取舍 格罗布斯判据n2、间接测量的最佳值:先平均法n3、最小二乘法直线拟合n4、测量不确定度 (1)标准不确定度的A类评定 (2)标准不确定度的B类评定 (3)合成标准不确定度 直接测量 间接测量