《光学实验讲义》由会员分享，可在线阅读，更多相关《光学实验讲义（51页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、光学实验基础知识光学是物理学中最古老的一门学科，也是当前学科领域中最活跃的前沿阵地之一，具有强大的生命力和不可估量的发展前途。它和其它学科一样，也是经过长期的实践，在大量的实验基础上逐步发展和完善的。虽然它的理论成果、新型光学实验技术的内容十分丰富，但是经典的实验方法仍是现代物理实验最基本的内容，因此，作为基础的光学实验课，学习的重点仍应该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的实验技能，通过研究一些基本的光学现象，加深对经典光学理论的理解，提高对实验方法和技术的认识。一、光学实验常用仪器光学实验仪器可以扩展和改善视角的观察以弥补视角的局限性。构成光学仪器的主要元件有透镜、反射镜
2、、棱镜、光栅和光阑等，这些元件按不同方式的组合构成了不同的光学系统。光学仪器可以粗分为助视仪器（放大镜、显微镜、望远镜），投影仪器（放影机、投影仪、放大机、照相机）和分光仪器（棱镜分光系统、光栅分光系统）。下面介绍部分常用的光学仪器，主要介绍光学实验中常用仪器的构造、调节和光学实验中的常用光源。（一）助视仪器放大镜和视角放大率凸透镜作为放大镜是最简单的助视仪器，它可以增大眼睛的观察视角。设原物体长度为，放在明视距离处（距离眼睛25厘米处），眼睛的视角为；通过放大镜观察，成像仍在明视距离处，此时眼睛的视角为，如图11所示。与之比称为视角放大率。 （11）因为 所以 。 （12）（12）式中，为放
3、大镜焦距，越短，放大率越高。目镜目镜也是放大视角用的仪器。放大镜（放大镜也是最简单的目镜）是用来直接放大实物，而目镜则是用来放大其它光具组所成的像。一般对目镜的要求是有较高的放大率和较大的视场角，同时要尽可能校正象差，为此，目镜通常是由两片或更多片的透镜组成。目前应用最广泛的目镜有高斯目镜和阿贝目镜，如图12所示，分别为阿贝目镜和高斯目镜的示意图。图中的叉丝为测量时的准线，反射镜和小棱镜的作用是改变照明光的入射方向，照亮叉丝。显微镜显微镜由目镜和物镜组成，其光路图如13所示。待观察物置于物镜的焦平面之外，距离焦平面很近的地方，这样可使物镜所成的实像，落在目镜的焦平面之内靠近焦平面处。经目镜放大
4、后在明视距离处形成一放大的虚像。理论计算可得显微镜的放大率为： （13）式中是物镜的放大率，是目镜的放大率，分别是物镜和目镜的像方焦距， 是显微镜光学间隔（，现代显微镜均有定值，通常是17厘米或19厘米 ），s0=-25厘米，为正常人眼的明视距离。由上式可知，显微镜的镜筒越长，物镜和目镜的焦距越短，放大率就越大。一般取得很短（高倍的只有毫米）而在几个厘米左右。在镜筒长度固定的情况下，如果物镜目镜的焦距给定，则显微镜的放大率也就确定了。通常物镜和目镜的放大率，是标在镜头上的。望远镜望远镜是帮助人眼观望远距离物体，也可作为测量和对准的工具，它也是由物镜和目镜所组成。其光路图如14所示，远处物体发出
5、的光束经物镜后被会聚于物镜的焦平面上，成一缩小倒立的实像，像的的大小决定于物镜焦距及物体与物镜间的距离。当焦平面恰好与目镜的焦平面重合在一起时，会在无限远处呈一放大的倒立的虚象，用眼睛通过目镜观察时，将会看到这一放大且移动的倒立虚象。若物镜和目镜的像方焦距为正（两个都是汇聚透镜），则为开普勒望远镜；若物镜的像方焦距为正（汇聚透镜），目镜的像方焦距为付（发散透镜），则为伽利略望远镜。图14为开普勒望远镜的光路图。由理论计算可得望远镜的放大率为 （14）该式表明，物镜的焦距越长、目镜的焦距越短，望远镜的放大率则越大。对开普勒望远镜，放大率为负值，系统成倒立的像；而对伽利略望远镜，放大率为正值，系统
6、成正立的像，因实际观察时，物体并不真正位于无穷远，像亦不成在无穷远。该式仍近似适用。（二）常用实验仪器的构造与调节在光学实验中，常使用的一些基本光学仪器有光具座、测微目镜、读数显微镜及分光仪等。下面对这几种光学仪器作以简单介绍。光具座（）光具座的结构光具座的主体是一个平直的轨道，有简单的双杆式和通用的平直轨道式两种。轨道的长度一般为12米，上面刻有毫米标尺，还有多个可以在导轨面上移动的滑动支架。一台性能良好的光具座应该是导轨的长度较长，平直度较好，同轴性和滑块支架的平稳性较好。光学实验室常用的光具座有型、型、型等，它们的结构和调试方法基本相同。图15显示出型光具座的结构示意图，它是目前光学实验
7、中比较通用的一种光具座，长1520毫米，中心高200毫米,精度较高。（）光具座的调节将各种光学元件（透镜,面镜等等）组和成特定的光学系统，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，在使用光具座时，必须进行共轴调节。共轴调节内容包括：所有透镜的主光轴重合且于光具座的轨道平行，物中心在透镜的主光轴上；物、透镜、屏的平面都应同时垂直于轨道。这里用两次成像法做以说明，如图16所示，当物屏于像屏相距,且透镜沿主光轴移动时，两次
8、成像位置分别是、，一个是放大的像，一个是缩小的像，若物中心处于透镜光轴上，大像的中心点与小像的中心点重合，若在之下（或之右），则物中心必在主光轴之上（或之左）。调节时使两次成像中心重合并位于光屏的中心，依次反复调节，便可调好。测微目镜（）测微目镜的构造及读数方法测微目镜一般作光学精密测量仪器使用，在读数显微镜、调焦望远镜、各种测长议、测微准直管上都可装用。测微目镜也可单独使用，主要用来测量由光学系统所成实像的大小。它的测量范围较小，但准确度较高。下面以实验室常用的型测微目镜为例，说明它的构造原理和使用方法，型测微目镜由目镜光具组、分划板、读数鼓轮和接头等装置组合而成。）型测微目镜的技术指标测微
9、精度 0.01毫米测微鼓轮的分度值 0.01毫米测量范围 08毫米）型测微目镜的外型和构造如图17和18所示。测微目镜可装配在各种显微镜上和准直管上（或其它类似仪器上）使用。打开目镜本体匣，可以看到测微目镜的内部结构如图19所示。）读数方法毫米刻度的分划尺如图110的a所示，它被固定在目镜的物方焦面上，在分划板上刻有竖直双线和十字叉丝，见图110的b，分划尺和分划板之间仅有0.1毫米的空隙，因此，若在目镜中观察，就可看到如图110中c所示的图案。分划板的框架1通过弹簧4与测微螺旋的丝杆5相连，当测微螺旋（与读数鼓轮相连）6转动时，丝杆就推动分划板的框架在导轨3内移动，这时目镜中的竖直双线和十字
10、叉丝将沿垂直于目镜光轴的平面横向移动。读数鼓轮每转动一圈，竖线和十字叉丝就移动1毫米。由于股轮上的周边叉丝分成100小格，因此，鼓轮每转过一小格，叉丝就移动0.01毫米。测微目镜十字叉丝中心移动的距离，可从分划尺上的数值加上读数鼓轮的读数得到。（）使用测微目镜时应注意）读数鼓轮每转一周，叉丝移动距离等于螺距，由于测微目镜的种类繁多，精度不一，因此使用时，首先要确定分度值。）使用时先调节目镜，使测量准线（叉丝）在视场中清晰可见，再调节物像，使之与测量准线无视差地对准后,方可进行测量。测量时，必须测量准线的移动方向和被测量的两点之间连线的方向相平行，否则实测值将不等于待测值。）由于分划板的移动是靠
11、测微螺旋丝推动，但螺旋和螺套之间不可能完全密合，存有间隙。如果螺旋转动方向发生改变，则必须转过这个间隙后，叉丝才能重新跟着螺旋移动，因此，当测微目镜沿相反方向对准同一测量目标时，两次读数将不同，由此而产生了测量回程误差。为了防止回程误差，每次测量时，螺旋应沿同一方向旋转，不要中途反向，若旋过了头，必须退回一圈，再从原方向推进、对准目标、进行重测。）旋转测微螺旋时，动作要平稳、缓慢，如已到达一端，则不能再强行旋转，否则会损坏螺旋。）如果测量平面和测微目镜支架的中心面不重合，其间距离在有关计算时，应作相应的修正。读数显微镜读数显微镜是用于精确测量长度的专用显微镜，其形式比较多，物理实验室常用的是型
12、读数显微镜。（）主要技术参数）测量装置规格物镜目镜显微镜放大倍数工作距离（mm）视场直径（mm）放大倍数焦距（mm）放大倍数焦距（mm）3364810253047486381988094922）测量范围：方向 50毫米 方向 30毫米）最小读数：方向 0.01毫米 方向 0.10毫米（）仪器结构型读数显微镜的外形结构如图111所示，它是将低倍显微镜安装在精密的螺旋测量装置上，转动测微螺旋，显微镜筒能在垂直于光轴的方向上移动，移动的距离可从读数装置上读出。目镜中装有十字分划板，用来对准测量的目标。1341725671081918171615131412119（）调整方法及注意事项）测量前应先调节
13、目镜，使测量叉丝在视场中清晰可见。把被测物用压板10固定在工作台上，使被测物表面与镜管5的光轴垂直。用小手柄13压住支杆12，粗调工作距离，使物镜距被测物在4厘米内，拧紧大手柄11后，再用调焦手轮17由近向远进行微调，使清晰像与测量叉丝无视差地对准后，方可进行测量。）测量时，必须使目镜的一根十字叉丝与显微镜的移动方向相垂直。移动显微镜，使这条叉丝逐次和被测物（像）长度的两端点相重合。若显微镜移动方向与该两点的连线方向相一致，且显微镜的光轴也垂直于该连线，那么，相应于两次位置的读数之差，为被测两点之间的距离。否则，将使测得值不等待测长度的真实值。）由于显微镜的移动也是靠测微螺旋丝杆的推动，因此，
14、读数显微镜和测微目镜一样，也要防止回程误差，为了减少回程误差，要采用单方向移动测量。）使用完毕后，应将仪器归放在原仪器柜中，以免灰尘进入仪器，各种光学零件切勿随意拆动，以保持仪器的精度。分光仪分光仪是一种常用的光学仪器，它实际就是一种精密的测角仪。在几何光学实验中，主要用来测定棱镜顶角、光束的偏向角等等，而在物理光学中，加上分光元件（棱镜、光栅）可作为分光仪器，用来观察光谱，测量光谱线的波长等。例如：利用光的反射原理测量棱镜的角度；利用光的折射原理测量棱镜的最小偏向角，计算棱镜玻璃的折射率和色散率；可与光栅配合，作光的衍射实验，测量光波波长和角色散率；若和偏振片、波片配合，作光的偏振实验等等。分光仪的型号很多，常用的有、两种。（）主要技术参数 项 目型 号自准值望远镜平行光管刻度盘载物台物镜焦距(mm)目镜焦距(mm)放大倍数物镜焦距(mm)狭缝调节范围(mm)度盘读数范围游标读数值最小读数值旋转角度升降范围(mm)FGY-01型16824.37 1680203603015 036045JJY型16824.35168020360130 036020（）分光仪的构造与读数、两种型号分
