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1、光学实验基础知识,杨 鹏 物理与电子工程学院,主要内容,一、光学实验的内容 二、光学实验特点 三、光学实验遵循的原则 四、光学实验的观测方法 五、光学实验基本光路 六、光学实验常用仪器 七、实验数据处理,课程背景,光学:物理学经典学科,发展迅速。 经典光学理论和实验方法:促进科技进步。 新的研究成果和实验技术: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。 光学实验技术: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,培养基本的光学实验技能。 光学实验: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,才能选择有效而准确的调节方法,判断仪器是否处于正常
2、的工作状态。 理论联系实际: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 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,测量方法: 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:最小偏向角法、掠入射法 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:旋光法 偏振光
3、分析、单色仪定标 加深理论掌握方法观察现象分析现象,(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 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,与理论密切结合 频率极高的电磁波,1014数量级,光学现象不直观,只能观察一
4、定时间内的平均效果。靠理论的支撑才能把握住实验现象。 仪器调节要求高 仪器精密,必须严格调节,才能保证精度。迈克尔逊干涉仪精度可达10-4mm。 实验能力要求高 实验技能、理论基础、判断能力。 另外取得较好的实验效果,有光学实验须在低照度环境下进行, 因此,要小心谨慎, 安全操作,防止事故, 要避免光学元件跌落损坏,仪器读数失误,并注意保护视力。,三、光学实验遵循的原则,1、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; 2、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; 3 、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;,
5、4、 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; 5、 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;,6 、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; 7、 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; 8 、在对光学仪器或光学系统进
6、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;,9、 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; 10、 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、光学实验的观测方法,主观观察法和客观测量法 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 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
7、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,(一)自准直光路 1.,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.,3.,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。,(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。,i1,i1,i2,i2,(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
8、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,(一)光具座 双杆式和平直导轨式 长度为1-2m,刻有毫米标尺。 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
9、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,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,二次成像法 成小像时
10、,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,精密测角仪:测量棱镜角,偏向角 分光仪器:借助分光元件可观察光谱,测量波长。,1.分光计的构造,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,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
11、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,测量前应调节分光计,达到: 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。 待测光学元件的表面与中心转轴平行。 平行光管出射平行光,且光轴与望远镜的光轴共轴。,1) 目视粗调,2) 用自准直法将望远镜调焦到无穷远,载物盘水平、望远镜俯仰调节的特例,观察不到反射像的原因,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) 望远镜没有聚焦于无穷远。(松开目镜筒锁
12、紧螺钉,前后移动目镜筒 ) 平面反射镜的镜面与望远镜的光轴不垂直。,用光路图表示为,(1),若望远镜向下偏,由图:,若偏斜严重将得不到像,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,载物盘水平、望远镜俯仰的各半调节,4) 调节平行光管,平行光管由狭缝和准直透镜组成。,3.分光计的测量原理, (2-1+2-1)/2,平行光管,平行光管,读数方法,偏心差,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
13、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 (1)测量时, 要先调好目镜和物镜。 (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。 (3)为减小回程误差, 应单方向测量。 (4)测量结束后, 应用保护套罩好仪器。,(五) 单色仪 (六)摄谱仪
14、,(七)光源 1.热辐射光源 基于热辐射原理,白炽灯,灯丝加热到白炽状态而发光。 连续光谱,功率较低,碘钨灯,溴钨灯。 2.气体放电光源 电流气体介质放电发光。 低压汞灯:小于1个大气压工作,在可见光区产生4条明亮的特征曲线。工作电压20V,工作电流1300mA. 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:589.0nm,589.6nm. 工作电压20V,工作电流1.3A。,3.激光光源 受激辐射发光,极强的方向性,发散角小。 极好的单色性和相干性,能量高度集中。 He-Ne激光器:可见光区输出波长632.8nm,单色红光。管端工作电压23kv,直流工作电流36mA。,七、实验数据处理,1、直接测量的最佳值 (1)算术平均值 (2)标准差 (3)测量值的取舍 格罗布斯判据,2 、间接测量的最佳值: 先平均法 3 、最小二乘法直线拟合 4 、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,