物理光学实验讲义.doc
《物理光学实验讲义.doc》由会员分享,可在线阅读,更多相关《物理光学实验讲义.doc(62页珍藏版)》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。
1、精品文档,仅供学习与交流,如有侵权请联系网站删除实验一 薄透镜成像及其焦距的测量一、实验目的1、通过实验进一步理解透镜的成像规律。2、掌握测量透镜焦距的几种方法。3、掌握和理解光学系统共轴调节的方法。二、实验原理 1、 薄透镜成像原理及其成像公式 将玻璃等一些透明的物质磨成薄片,其表面都是球面或有一面为平面的就成了透镜,有中央厚、边缘薄的凸透镜和边缘厚、中央薄的凹透镜两大类。称连接透镜两球面曲率中心的直线叫做透镜的主光轴,透镜两表面在其主轴上的间距叫透镜厚度。厚度与球面的曲率半径相比可以忽略不计的透镜称为薄透镜。薄透镜两球面的曲率中心几乎重合为一点,这个点叫做透镜的光心。实验中透镜两边媒质皆为
2、空气。凸透镜亦称为会聚透镜,凹透镜亦称为发散透镜。如图1所示,平行于凸透镜主光轴的一束光入射凸透镜,折射后会聚于主光轴上,会聚的光线与主光轴的交点即为凸透镜的焦点,焦点到光心的距离为焦距。如图2所示,平行于凹透镜主光轴的一束光入射凹透镜折射后成为发散光,发散光线的反向延长线与主光轴的交点即为凹透镜的焦点,与凹透镜光心的距离为焦距。在近轴光线条件下,薄透镜的成像公式为:式中为物距, 为像距 为焦距,对于凸透镜、凹透镜而言,恒为正值,像为实像时为正,像为虚像时为负,对于凸透镜恒为正,凹透镜恒为负。2、 测量凸透镜焦距的原理 (1) 自准法位于凸透镜焦平面上的物体上(实验中用一个圆内三个圆心角为的扇
3、形)各点发出的光线,经透镜折射后成为平行光束(包括不同方向的平行光),由平面镜反射回去仍为平行光束,经透镜会聚必成一个倒立等大的实像于原焦平面上,这时像的中心与透镜光心的距离就是焦距(如图3) 。(2) 共轭法(位移法)由图4可见,物屏和像屏距离为(),凸透镜在、两个位置分别在像屏上成放大和缩小的像,由凸透镜成像公式可得:成放大的像时,有 成缩小的像时,有又由于可得 3、 测量凹透镜焦距的原理(1) 自准法 通常凹透镜所成的是虚像,像屏接收不到,只有与凸透镜组合起来才可能成实像。凹透镜的发散作用同凸透镜的会聚特性结合得好时,屏上才会出现清晰的像,如图5所示。测凹透镜焦距的自准法就成为测凸、凹透
4、镜组特定位置时的自准法了。 来自物点的光线经凸透镜成像于点,在和点间置一凹透镜和平面镜,仅移动使得由平面镜反射回去的光线再经、后成像于物点处。对于这时的和透镜组来说,点则为其焦点,在与间的光线也一定为平行光,对于来说,从反射回去的平行光线入射成虚象于点,即凹透镜的焦点,它与光心的距离就为该凹透镜的焦距。(2)物距-像距法将凹透镜与凸透镜组成透镜组,这就可以用成像法测凹透镜的焦距。如图6所示,来自物点的光线经过凸透镜成像于 点 ,在与点之间放入待测凹透镜,移动可在像屏上找到经透镜组所成的像,此时由于的发散作用,所成的像从处移至处。对于而言,假想将物放在处,则物发出的光线入射发散后反向延长相交于点
5、(即成像于此),这里与即分别为物距和像距,利用透镜成像公式即可求出凹透镜的焦距。三、实验装置 光具座,溴钨灯,凸透镜,凹透镜,平面镜,物屏,白屏,二维架,三维调节架,二维平移底座,三维平移底座,通用底座,升降调节座。四、实验内容1、在光学平台上,调节实验中用到的透镜,物的中心,像屏的中心使之位于平行于光学平台的同一直线上,此即为共轴调节。(1) 粗调 让所需调整仪器彼此靠近,通过眼睛观察和判断,将透镜、物、像屏的几何中心调至等高位置上,并使其所在平面彼此平行,这就达到了彼此平行且中心等高。(2) 细调 依靠仪器和光学成像规律来鉴别和调节。可以利用多次成像的方法,即只有当物的中心位于光轴上时,多
6、次成像时像的中心才会重合在一起。也可分别利用自准法测凸透镜和凹透镜焦距的原理,调节透镜高低使得所成像与物互补即中心重合。2、用自准法测凸透镜的焦距。自准法测凸透镜焦距就是用平面镜取代像屏,调整物与透镜的距离,直到在物屏上成一个清晰、倒立且与物等大的像(即像与物互补形成一个完整的圆)。重复测量3次。3、用共轭法测凸透镜的焦距。固定物屏与像屏之间的距离A ,粗略估计凸透镜焦距,使满足,但不宜过大否则成像不清,略大一些即可。在物屏与像屏之间移动透镜,记下成放大像与缩小像时透镜的位置,算出两位置之差的值。由共轭成像关系可得出计算焦距的公式。由和可算出 而不必测物距和像距,这样就避免了因凸透镜光心位置的
7、不确定带来和的误差。取3个不同的,分别各测1次。4 、用自准法测凹透镜的焦距,重复测量3次。5 、用物距-像距法测凹透镜的焦距(测量时尽量用缩小的像),重复测量3次。数据记录及处理:凸透镜(自准法)凸透镜(共轭法)凹透镜(自准法)凹透镜(物距像距法)备注:; 对物距像距法而言,; 对其它方法而言:; ;四、思考题 1、凹透镜只能成虚像吗?在本次试验中能否找到凹透镜成实像的例子?2、共轭法测凸透镜焦距时,物屏像屏间的距离A为什么要略大于四倍焦距?3、物距像距法测凹透镜的焦距时为何要尽量用缩小的像来测量?实验二 迈克尔孙干涉仪的调整和使用一、实验目的:1. 了解迈克尔孙干涉仪的光学原理,掌握其调整
8、和使用方法。2. 观察等倾干涉条纹,测量激光的波长。3. 观察等厚干涉条纹,测量钠光的双线波长差。迈克尔孙干涉仪的介绍迈克尔孙干涉仪的主体结构型迈克尔孙干涉仪的主体结构如图21所示,由下面六个部分组成。()底座底座由生铁铸成,较重,确保证了仪器的稳定性。由三个调平螺丝9支撑,调平后可以拧紧锁紧圈10以保持座架稳定。()导轨导轨7由两根平行的长约280毫米的框架和精密丝杆6组成,被固定在底座上,精密丝杆穿过框架正中,丝杆螺距为1毫米,如图21所示。()拖板部分拖板是一块平板,反面做成与导轨吻合的凹槽,装在导轨上,下方是精密螺母,丝杆穿过螺母,当丝杆旋转时,拖板能前后移动,带动固定在其上的移动镜1
9、1(即M1)在导轨面上滑动,实现粗动。M1是一块很精密的平面镜,表面镀有金属膜,具有较高的反射率,垂直地固定在拖板上,它的法线严格地与丝杆平行。倾角可分别用镜背后面的三颗滚花螺丝13来调节,各螺丝的调节范围是有限度的,如果螺丝向后顶得过松在移动时,可能因震动而使镜面有倾角变化,如果螺丝向前顶得太紧,致使条纹不规则,严重时,有可能将螺丝丝口打滑或平面镜破损。()定镜部分定镜M2与M1是相同的一块平面镜,固定在导轨框架右侧的支架上。通过调节其上的水平拉簧螺钉15使M2在水平方向转过一微小的角度,能够使干涉条纹在水平方向微动;通过调节其上的垂直拉簧螺钉16使M2在垂直方向转过一微小的角度,能够使干涉
10、条纹上下微动;与三颗滚花螺丝13相比,15、16改变M2的镜面方位小得多。定镜部分还包括分光板P1和补偿板P2,前面原理部分已介绍。()读数系统和传动部分)移动镜11(即M1)的移动距离毫米数可在机体侧面的毫米刻尺5上直接读得。)粗调手轮2旋转一周,拖板移动1毫米,即M2移动1毫米,同时,读数窗口3内的鼓轮也转动一周,鼓轮的一圈被等分为100格,每格为10-2毫米,读数由窗口上的基准线指示。)微调手轮1每转过一周,拖板移动0.01毫米,可从读数窗口3中可看到读数鼓轮移动一格,而微调鼓轮的周线被等分为100格,则每格表示为10-4毫米。所以,最后读数应为上述三者之和。()附件支架杆17是用来放置
11、像屏18用的,由加紧螺丝12固定。图21图22迈克尔孙干涉仪的调整()按图23所示安装激光器和迈克尔孙干涉仪。打开 激光器的电源开关,光强度旋扭调至中间,使激光束水平地射向干涉仪的分光板P1。()调整激光光束对分光板P1的水平方向入射角为45度。如果激光束对分光板P1在水平方向的入射角为45度,那么正好以45度的反射角向动镜M1垂直入射,原路返回,这个像斑重新进入激光器的发射孔。调整时,先用一张纸片将定镜M2遮住,以免M2反射回来的像干扰视线,然后调整激光器或干涉仪的位置,使激光器发出的光束经P1折射和M1反射后,原路返回到激光出射口,这已表明激光束对分光板P1的水平方向入射角为45度。()调
12、整定臂光路将纸片从M2上拿下,遮住M1的镜面。发现从定镜M2反射到激光发射孔附近的光斑有四个,其中光强最强的那个光斑就是要调整的光斑。为了将此光斑调进发射孔内,应先调节M2背面的3个螺钉,改变M2的反射角度。微小改变M2的反射角度再调节水平拉簧螺钉15和垂直拉簧螺钉16,使M2转过一微小的角度。特别注意,在未调M2之前,这两个细调螺钉必须旋放在中间位置。()拿掉M1上的纸片后,要看到两个臂上的反射光斑都应进入激光器的发射孔,且在毛玻璃屏上的两组光斑完全重合,若无此现象,应按上述步骤反复调整。图23()用扩束镜使激光束产生面光源,按上述步骤反复调节,直到毛玻璃屏上出现清晰的等倾干涉条纹。二、实验
13、原理用迈克尔孙干涉仪测量激光波长迈克尔孙干涉仪的工作原理如图23所示,M1、M2为两垂直放置的平面反射镜,分别固定在两个垂直的臂上。P1、P2平行放置,与M2固定在同一臂上,且与M1和M2的夹角均为45度。M1由精密丝杆控制,可以沿臂轴前后移动。P1的第二面上涂有半透明、半反射膜,能够将入射光分成振幅几乎相等的反射光、透射光,所以P1称为分光板(又称为分光镜)。光经M1反射后由原路返回再次穿过分光板P1后成为光,到达观察点E处;光到达M2后被M2反射后按原路返回,在P1的第二面上形成光,也被返回到观察点处。由于光在到达E 处之前穿过P1三次,而光在到达E处之前穿过P1一次,为了补偿、两光的光程
14、差,便在M2所在的臂上再放一个与P1的厚度、折射率严格相同的P2平面玻璃板,满足了 、两光在到达E 处时无光程差,所以称P2为补偿板。由于、光均来自同一光源S ,在到达P1后被分成、两光,所以两光是相干光。总上所述,光线是在分光板P1的第二面反射得到的,这样使M2在M1的附近(上部或下部)形成一个平行于M1的虚像M2,因而,在迈克尔孙干涉仪中,自M1 、M2的反射相当于自M1、M2的反射。也就是,在迈克尔孙干涉仪中产生的干涉相当于厚度为的空气薄膜所产生的干涉,可以等效为距离为2d的两个虚光源S1和S2发出的相干光束。即M1和M2反射的两束光程差为 (21)图24两束相干光明暗条件为 (k=1,
15、2,3,) (22)(22)式中为反射光在平面反射镜M1上的反射角,为激光的波长,为空气薄膜的折射率,为薄膜厚度。凡相同的光线光程差相等,并且得到的干涉条纹随M1和M2的距离而改变。当时光程差最大,在点处对应的干涉级数最高。由(22)式得 (23) (24)由(24)可得,当改变一个1/2时,就有一个条纹“涌出”或“陷入”,所以在实验时只要数出“涌出”或“陷入”的条纹个数,读出的改变量就可以计算出光波波长的值 (25)从迈克尔孙干涉仪装置中可以看出,发出的凡与M2的入射角均为的圆锥面上所有光线,经M1与M2的反射和透镜的会聚于的焦平面上以光轴为对称同一点处;从光源S2上发出的与S1中a平行的光
16、束b,只要i角相同,它就与、的光程差相等,经透镜L会聚在半径为的同一个圆上,如图24所示。用迈克尔孙干涉仪测量钠光的双线波长差由原理可知,因光源的绝对单色(一定),经M1、M2反射及P1、P2透射后,得到一些因光程差相同的圆环,的改变仅是“涌出”或“陷入”的N在变化,其可见度V不变,即条纹清晰度不变。可见度为: (26)当用、两相近的双线光源照(如钠光)射时,光程差为, (27)当改变时,光程差为, (28)(27)和(28)两式对应相减得光程差变化量 (29) 由(29)式得于是,钠光的双线波长差为 (210)式中=()/2在视场中心处,当M1在相继两次视见度为0时,移过引起的光程差变化量为
17、 则 (211)从(211)式可知,只要知道两波长的平均值和M1镜移动的距离,就可求出纳光的双线波长差。三、实验仪器迈克尔孙干涉仪(),激光器,钠光灯,毛玻璃屏,扩束镜。四、实验内容测量激光的波长()迈克尔孙干涉仪的手轮操作和读数练习)按原理中的图23组装、调节仪器。)连续同一方向转动微调手轮,仔细观察屏上的干涉条纹“涌出”或“陷入”现象,先练习读毫米标尺、读数窗口和微调手轮上的读数。掌握干涉条纹“涌出”或“陷入个数、速度与调节微调手轮的关系。()经上述调节后,读出动镜M1所在的相对位置,此为“0”位置,然后沿同一方向转动微调手轮,仔细观察屏上的干涉条纹“涌出”或“陷入”的个数。每隔100个条
18、纹,记录一次动镜M1的位置。共记500条条纹,读6个位置的读数,填入自拟的表格中。()由(25)计算出激光的波长。取其平均值与公认值(632.8纳米)比较,并计算其相对误差。测量钠光双线波长差因双线的波长接近,在某一空间位置的光程差的整数倍,又恰是的光程差半整数倍,此时,在光的强度大致相等的情况下,视尺度为0,测出两相邻条纹视见度为0的的位置变量,则由式可求出。()五、注意事项1. 千万不要用眼睛直接看激光。2. 调节M1和M2镜面螺丝要慢而轻。3. 不能用手接触光学表面,也不要用手帕擦它们。4. M1镜的位置不能小于24毫米,以免顶坏下滑块。5. 校正刻度。6. 避免螺距差。7. 防止震动影
19、响测量。六、思考题迈克耳孙干涉仪上的干涉环与读数显微镜下的牛顿环在干涉类型、环纹形状、干涉级次、环纹中心处有何异同?实验三 用牛顿环测平凸透镜的曲率半径一、实 验 目 的(1) 用分振幅的方法实现双光束干涉;(2) 加深对等厚干涉原理的理解;(3) 掌握用牛顿环测定透镜曲率半径的方法;(4) 学会使用读数显微镜二、实 验 原 理如图31所示,将一块曲率半径较大的平凸透镜的凸面放在一平面玻璃板上,就组成了一个牛顿环装置,在透镜的凸表面与平面玻璃板的上表面之间,形成了一个空气薄层,在以接触点O为中心的任一圆周上,空气层的厚度都相等这样,如果有以波长为的单色光垂直入射时,则空气薄层的上边缘面所反射的
20、光和下边缘面所反射的光之间就有了光程差,因此发生干涉现象光程差相等的地方就是以O点为中心的同心圆,因此干涉条纹也就是一组以O点为中心的同心圆,称为牛顿环设平凸透镜的曲率半径为R,距接触点O半径为r的圆周上一点D处的空气层厚度为 ,对应于D点产生的干涉所形成的暗条纹的条件为 2(2K1), K0、1、2 (3.1)由图4.1的几何关系可看出 R2 (3.2)由于R,上式中2 略去,故 (3.3)将值代入式(4.1),化简 r2 KR (3.4)图32由式(3.4)可知,如果已知单色光的波长,又能测出各暗条纹的半径r,就可算出曲率半径R 反之,如果知道R ,测出r ,亦可算出单色光的波长 在实际测
21、量时,由于牛顿环的级数K和中心不易确定,可将式(3.4)变为如下形式R (3.5)式中,Dk+m和Dm分别为k级和k+m级暗环的直径(如图3.2),从式(3.5)可知,只要求出所测各环的环数差m,而无须确定各环的级数,不必确定圆环的中心,避免了实验中圆心不易确定的困难图 3.2 三、实验仪器牛顿环仪,读数显微镜,钠光灯四、实验内容1 调整实验装置 调节牛顿环仪上的三个螺钉,用眼睛直接观察,使干涉条纹成圆形并处在牛顿环仪的中心注意平凸透镜和玻璃板不能挤压过紧,以免损坏牛顿环仪 将牛顿环仪置于显微镜筒下方(如图3.3),开启钠光灯源,调节显微镜座架的高度, 使套在显微镜镜头上45的反射镜M与钠光灯
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 物理光学 实验 讲义
限制150内