光學(xué)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)知識(shí)

1、光學(xué)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)知識(shí),楊 鵬物理與電子工程學(xué)院,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)遵循的原則四、光學(xué)實(shí)驗(yàn)的觀測(cè)方法五、光學(xué)實(shí)驗(yàn)基本光路六、光學(xué)實(shí)驗(yàn)常用儀器七、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理,課程背景,光學(xué)：物理學(xué)經(jīng)典學(xué)科，發(fā)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)域發(fā)展，如天文、化學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)等。光學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)：觀察基本光學(xué)現(xiàn)象，學(xué)習(xí)和掌握光學(xué)實(shí)驗(yàn)的基本知識(shí)和基

2、本方法，培養(yǎng)基本的光學(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)性能基礎(chǔ)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)象的觀察、分析等都離不開(kāi)理論的指導(dǎo)。,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)的基本知識(shí)、基本方法以及培養(yǎng)基本實(shí)驗(yàn)技能，研究一些基本的光學(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

3、）基本物理量的測(cè)量方法基本物理量：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,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：雙棱鏡干涉法、邁克爾遜干涉法、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—觀察現(xiàn)象—分析現(xiàn)象,（二）常用光學(xué)儀器的使用 常用儀器:光具座、測(cè)微目鏡

4、、望遠(yuǎn)鏡、分光計(jì)、干涉儀、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，注意事項(xiàng)，并具有較好的操作技能。,（三）學(xué)習(xí)分析光學(xué)實(shí)驗(yàn)中的基本光路 自準(zhǔn)直光路、分光光路、助視放大光路、恒偏向光路。（四）繼續(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)

5、誤差。,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，只能觀察一定時(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)格調(diào)節(jié)，才能保證精度。邁克爾遜干涉儀精度可達(dá)10-4mm。實(shí)驗(yàn)?zāi)芰σ蟾?實(shí)驗(yàn)技能、理論基礎(chǔ)、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， 安全操作，防止事故

6、， 要避免光學(xué)元件跌落損壞，儀器讀數(shù)失誤，并注意保護(hù)視力。,三、光學(xué)實(shí)驗(yàn)遵循的原則,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)該將其放入干燥皿中保存；,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

7、底面，柱面鏡的上下磨砂面，否則因人手的“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，要用專用的干燥脫脂棉輕輕擦拭或用橡皮球吹去，絕對(duì)不能用嘴去吹；,6 、若發(fā)現(xiàn)光學(xué)表面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)表面被劃傷，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)盡量避免說(shuō)話，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、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，邊觀察，動(dòng)作要輕、柔、慢，切忌粗魯與盲目操作；,9、 千萬(wàn)要注意在做實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中觀察與分析實(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。,四、光學(xué)實(shí)驗(yàn)的觀測(cè)方法,主觀觀察法和客觀測(cè)量法 1、眼睛直接觀察的方法，稱為主觀觀察方法 2、用光電探測(cè)器來(lái)

9、進(jìn)行客觀測(cè)量，常用光電管、光敏電阻和光電池等視差: 人們觀察遠(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。,五、基本光路,（一）自準(zhǔn)直光路 1.,在物體自身的平面上產(chǎn)生物體的實(shí)像，所以稱為自準(zhǔn)直光路。,2.,3.,物平面與反射鏡平面相對(duì)位置影響實(shí)

10、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。,（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。（針對(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)稱時(shí)，出射光與入射光的夾角。,,,,,,,,,,,,,δ,i1,i1′,i2,i2′,（三）光柵分光光路,分光原理：光柵方程 dsinθ=kλ各級(jí)譜線

11、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。,六、基本光學(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。滑塊支架。,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

12、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)出的成像光束滿足近軸光線的要求。,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

13、座道軌的基線平行——簡(jiǎn)稱等高。 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)基本要求，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。,（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。,（2） 細(xì)調(diào),二次成像法 成小

14、像時(shí)，調(diào)節(jié)光屏位置，使P〞與屏中心重合； 成大像時(shí)，則調(diào)節(jié)透鏡的高低或左右，使P′位于光屏中心。依次反復(fù)調(diào)節(jié)，便可調(diào)好。,（二）分光計(jì),精密測(cè)角儀：測(cè)量棱鏡角，偏向角分光儀器：借助分光元件可觀察光譜，測(cè)量波長(zhǎng)。,1.分光計(jì)的構(gòu)造,簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu),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),10，阿貝式自準(zhǔn)直目鏡11

15、，目鏡視度調(diào)節(jié)手輪12，望遠(yuǎn)鏡光軸高低調(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,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)直管光軸高低調(diào)節(jié)螺絲28，狹縫寬度調(diào)節(jié)手輪,2.分光計(jì)的調(diào)節(jié),測(cè)量前應(yīng)調(diào)節(jié)分光計(jì)，

16、達(dá)到：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)元件的表面與中心轉(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。,,1) 目視粗調(diào),2) 用自準(zhǔn)直法將望遠(yuǎn)鏡調(diào)焦到無(wú)窮遠(yuǎn),載物盤(pán)水平、望遠(yuǎn)鏡俯仰調(diào)節(jié)的特例,觀察不到反射像的原因,目鏡中觀察到的叉絲和透光窗中黑色十字的像模糊。（轉(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)。（松開(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

17、不垂直。,用光路圖表示為,（1），若望遠(yuǎn)鏡向下偏，由圖：,若偏斜嚴(yán)重將得不到像,若偏斜不嚴(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,（2）若望遠(yuǎn)鏡上偏：,現(xiàn)象為：,叉絲上偏,棱鏡下偏：,現(xiàn)象為：,叉絲下偏,若棱鏡上偏：,現(xiàn)象為：,叉絲上偏,,3) 調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡光軸與中心轉(zhuǎn)軸垂直,,載物盤(pán)水平、望遠(yuǎn)鏡俯仰的各半調(diào)節(jié),,4) 調(diào)節(jié)平行光管,平行光管由狹縫和準(zhǔn)直透鏡組成。,,,,3.分光計(jì)的測(cè)量原理,,,,δ ＝(?α2-α1?

18、+?β2-β1?)/2,平行光管,平行光管,,,讀數(shù)方法,偏心差,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)表面，用望遠(yuǎn)鏡分別接收兩表面的反射光，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,A＝（?α2-α1?+?β2-β1?）/4,平行光管,望遠(yuǎn)鏡,(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，并選取合適的初始點(diǎn)； （2）一次測(cè)量中鼓輪只能單向移動(dòng)，不能中途

19、倒轉(zhuǎn)；（3）干涉條紋應(yīng)與豎直雙線 平行無(wú)視差；（4）到達(dá)刻度線零點(diǎn)后，應(yīng)立即返回，以免損壞測(cè)微目鏡。,（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。（4）測(cè)量結(jié)束后， 應(yīng)用保護(hù)套罩好儀器。,（五） 單色儀（六）攝譜儀,（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

20、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。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：589.0nm,589.6nm.工作電壓20V，工作電流1.3A。,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

21、波長(zhǎng)632.8nm，單色紅光。管端工作電壓2—3kv,直流工作電流3—6mA。,七、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理,1、直接測(cè)量的最佳值（1）算術(shù)平均值 （2）標(biāo)準(zhǔn)差 （3）測(cè)量值的取舍 格羅布斯判據(jù),2 、間接測(cè)量的最佳值: 先平均法3 、最小二乘法直線擬合4 、測(cè)量不確定度 (1)標(biāo)準(zhǔn)不確定度的A類評(píng)定 (2) 標(biāo)準(zhǔn)不確定度的B類評(píng)定 (3)合成標(biāo)