实验一 薄透镜焦距的测定.doc

1、实验一 薄透镜焦距的测定实验目的学会调节光学系统使之共轴。掌握测量薄会聚透镜和发散透镜焦距的方法。验证透镜成像公式，并从感性上了解透镜成像公式的近似性。实验仪器型光具座，底座及支架，薄凸透镜，薄凹透镜，平面镜，物屏（可调狭逢组、有透光箭头1CXJ的铁皮屏或一字针组） ，像屏（白色，有散射光的作用） 。重点难点：1、按实验操作规程规范操作。2、动手操作能力培养。德育渗透：1、培养学生爱护仪器，保护国家财产的意识。2、培养学生互相帮助，团结协作的精神教学方法1、讲授法。2、演示法。3、学生分组实验法布置作业：1、数据处理。2、误差分析 3、独立完成实验报告。4、预习下一个实验实验原理共轭法测量凸透

2、镜焦距利用凸透镜物、像共轭对称成像的性质测量凸透镜焦距的方法，叫共轭法。 所谓“物象共轭对称”是指物与像的位置可以互移，如图 511（）所示。其中（ ）图中处于物点aa的物体 经凸透镜 在像点 处成像 P，这时物距为 ，像距为 。若把物点 移到图 511（0sQLpuv0s）中 的点，那么该物体经同一凸透镜p成像于原来的物点，即像点 将移到图L511（ ）中的 点。于是，图0s51（ ）中的物距 和像距 分别buv是图 511（ ）中的像距 和物距 ，a即物距 ，像距 。这就是“物vu 像共轭对称” 。设（物屏 和像屏 之间的距离为 ） 。D QPD根据上面的共扼法，如果物与像的位置不调换，那

3、么，物放在 处，凸透镜 L 放在 处，所成0S1X一倒立放大实像在 处；将物不动，凸透镜放在 处，所成倒立缩小的实像也在 处，如图p2Xp512 所示。由图可知， 或 。于是可得方程组duv0sLOQPpF）（图 a15)(1b 图 LpQ0Souv v。1,fvu解方程组得（5）,2dDv2duDdf42该式是共轭法测量凸透镜焦距的公式。由于 是通过移动透镜两次成像而求得的，所以，这种方f法又称二次成像法。另外，从方程组中消去 ，得u， ， 。fvD102Dfv24fv当 有实根必须有 v（5）;42ff即物屏与像屏之间的距离大于或最少等于四倍的焦距，物才能通过凸透镜二次成像。自准直法测量凸

4、透镜焦距如图所示，当以狭缝光源 作为物放在透镜 的第一焦平面上时，由 发出的光经透PLP镜 后将形成平行光。如果在透镜后面放一个与透镜光轴垂直的平面反射镜 ，则平行光经 反射，L M将沿着原来的路线反方向进行，并成像在狭缝平面上。狭缝 与透镜 之间的距离，就是透镜的第二P焦距 。这个方法是利用调节实验装置本身，使之产生平行光以达到调焦的目的，所以称自准直法。f用物距与像距法测量凹透镜焦距由于对实物，凹透镜成虚像，所以直接测量凹透镜的物距、像距，难以两全。我们只能借助与凸透镜成一个倒立的实像作为凹透镜的虚物，虚物的位置可以测出。凹透镜能对虚物成实像，实像的位置可以测出。于是，就可以用高斯公式求出

5、凹透镜的焦距 ，如图 514 所示。f实验内容共轭法测量凸透镜焦距（）粗调，将光具座上的光具靠拢，调节高低左右；光心中心大致在同一高度和一直线上。（）细节，用共轭原理进行调整，使物屏与像屏之间的距离 ，将凸透镜从物屏向像屏缓fD4慢移动，若所成的大像与小像的中心重合，则等高共轴已调节好，若大像中心在小像中心的下方，说明凸透镜位置偏低，应将位置调高；反之，则将透镜调低；左右亦然。详见光学实验基础知识。（）读出物屏所在位置 ，像屏所在位置 p，填入自拟的表格中，求出 。0s 0sp（）移动凸透镜，使像屏上呈现清晰的放大的倒立实像，记下此时的位置 ，继续移动凸透镜，1X使像屏上呈现清晰的缩小的倒立实

6、像，记下此时的位置 ，求出 。2X2d21图 p2X0SL PdQ1XvD315图 LPf MQ0S1L22p1P4图 重复上述步骤五次，共得四组数据，用（5）式计算出每组的 值，求出 的平均值。ff自准直法测量凸透镜焦距（）按图 513 所示，在光具座上放置狭缝光源 、平面镜 ，并使它们之间的距离比所测PM凸透镜的焦距大。在物屏 和平面镜 之间放上被测量的凸透镜 。PML（）适当调节光路，使物屏 发出的光通过透镜 后，由平面镜 再反射回去，并再次通过透镜射向物屏 。（）在光具座上，前后移动凸透镜，使物屏上产生倒立、等大、清晰的实像，当共轴很好时，物与像完全重合，用纸片遮住平面镜，清晰的像应该

7、消失。记下凸透镜在导轨上的位置 。l重复步骤（3）五次，记录物 及透镜 所在的位置，计算出 的平均值。PLf用物距与像距法测量凹透镜焦距（）按图 5固定物屏的位置于 处，并在其后的导轨上放置一凸透镜 ，使像屏上成0S1L一倒立缩小的实像。记下像屏 位置 。 （ 通过凸透镜也可成一个倒立放大的实像，但所成的缩小1ps实像亮度、清晰度高，易准确定位；另外，由于光具座尺寸的限制，所以，实验中只能成缩小的实像。）（）移动像屏的位置，重复（1）步骤五次，将测量 6 次所得的 位置填入自拟的表格中。1p（）在凸透镜 与像屏 之间放上凹透镜 ， 的位置应靠近 一些，此时 上倒立缩小的1LP2LP实像可能模糊

8、不清，可将像屏向后移动，直至在 处又出现清晰的像。重复找出 、 的位置六次，p2L填入自拟的表中。（4）利用高斯公式计算出凹透镜的焦距。 （高斯公式具体用到这里 、 均为负值，若 大，ufu也大； ， ）vfv思考题为什么要调节光学系统共轴？调节共轴有那些要求？怎样调节？为什么实验中常用白屏作为成像的光屏？可否用黑屏、透明平玻璃、毛玻璃，为什么？ 为什么实物经会聚透镜两次成像时，必须使物体与像屏之间的距离 大于透镜焦距的 4 倍？D实验中如果 选择不当，对 的测量有何影响？Df在薄透镜成像的高斯公式中， 在具体应用时其正、负号如何规定？ fvu、补充材料1有关“薄透镜”的部分术语（1）薄透镜：

9、若透镜的厚度与其球面的曲率半径相比，小得可以忽略不计，则称为薄透镜。（2）主光轴：连接透镜两球面曲率中心的直线，称为透镜的主光轴。（3）光心：透镜主截面上的中心点，通过该点的光线，不改变原来的方向，称这点为光心。（4）副光轴：通过光心的任一直线称为薄透镜的副光轴。（5）主截面：能过光心而垂直于主光轴的平面称为透镜的主截面。（6）物空间：规定入射光束在其中进行的空间称为物空间。（7）像空间：折射光束在其中进行的空间称为像空间。（8）像焦点 （第二焦点）：平行于光轴的光束，经透透折射后，会聚于主光轴上的一点称像F点。（9）像焦距 （第二焦距）：从透镜的光心到像焦点 的距离称为薄透镜的焦距 。f F

10、f（10）物焦点（第一焦点）：主光轴上发光点发出的光经薄透镜折射后成为一束平行光，此点称物焦点 。（11）物焦距 （第一焦点）：从透镜光心 到 的距离称为薄透镜的物距。f o（12）副焦点：平行于任一副光轴的平行光，通过透镜后会聚于这副光轴上的一点，这一点称为副焦点。（13）焦平面：焦平面就是由许许多多副焦点的集合构成的平面；或定义为：过焦点而垂直于主光轴的平面，也称焦平面。（14）实像：自物点发出的光线经透镜折射后，实际汇聚于一点的像。（15）虚像：自物点发出的光线经透镜折射后，光线发散，而其光线的反向延长线汇聚一点的像。（16）实物：发散的入射光束的顶点，称实物。实验二 分光计测透明介质的

11、折射率实验目的了解分光仪的结构；掌握分光仪的调节和使用方法。掌握测定棱镜顶角的方法。学会用最小偏向角测定棱镜的折射率。实验仪器型（或 型）分光仪，三棱镜（等边） ，汞灯。 01FGYJY重点难点：1、按实验操作规程规范操作。2、动手操作能力培养。3、用最小偏向角法测定棱镜玻璃的折射率德育渗透：1、培养学生爱护仪器，保护国家财产的意识。2、培养学生互相帮助，团结协作的精神教学方法1、讲授法。2、演示法。3、学生分组实验法布置作业：1、数据处理。2、误差分析 3、独立完成实验报告。4、预习下一个实验实验原理测量三棱镜的顶角三棱镜由两个光学面 和 及一个毛玻璃面 构成。三棱镜的顶角是指 与 的夹角A

12、BCBCABC，如图 531 所示。自准值法就是用自准值望远镜光轴与 面垂直，使三棱镜 面反射回来 A的小十字像位于准线 中央，由分mn光仪的度盘和游标盘读出这时望远镜光轴相对于某一个方位 的角位置o；再把望远镜转到与三棱镜的1面垂直，由分光仪度盘和游标盘AC读出这时望远镜光轴相对于 的方o12望 远 镜望 远 镜 三 棱 镜 BCO 准 直 法 测 三 棱 镜 顶 角图 35位角 ，于是望远镜光轴转过的角度为 ，三棱镜顶角为2 1280由于分光仪在制造上的原因，主轴可能不在分度盘的圆心上，可能略偏离分度盘圆心。因此望远镜绕过的真实角度与分度盘上反映出来的角度有偏差，这种误差叫偏心差，是一种系

13、统误差。为了消除这种系统误差，分光仪分度盘上设置了相隔 的两个读数窗口（ 、 窗口） ，而望远镜的方位1AB由两个读数窗口读数的平均值来决定，而不是由一个窗口来读出，即， （531）2)(11BA2)(2于是，望远镜光轴转过的角度为应该是121212BA（532）801212用最小偏向角法测定棱镜玻璃的折射率如图 532 所示，在三棱镜中，入射光线与出射光线之间的夹角 的称为棱镜的偏向角，这个偏向角 与光线的入射角有关（533）32i（534）41421ii由于 是 的函数，因此 实际上只随 变化，当 为某一个值时， 达到最小，这最小的 称为4i1 1最小偏向角。为了求 的极小值，令导数 ，由

14、（534）式得01di（535）14i由折射定率得，21sini34sinicosdcocdi于是，有 23i241321412341 coscos)(cos iinindiid CBA1i23i4图 532 32323223)1(secsincos1itgitgnii此式与（533）比较可知 ，在棱镜折射的情况下， ， ，所以2ti 2i3i32i由折射定律可知，这时， 。因此，当 时 具有极小值。将 、 代入41i41i41i32i（533） 、 （534）式，有， ， ， 。2i1min2imin1i（536）2sinsii21由此可见，当棱镜偏向角最小时，在棱镜内部的光线与棱镜底面平行

15、，入射光线与出射光线相对于棱镜成对称分布。由于偏向角仅是入射角 的函数，因此可以通过不断连续改变入射角 ，同时观察出射光线的方位1i 1i变化。在 的上述变化过程中，出射光线也随之向某一方向变化。当 变到某个值时，出射光线方位变1i化会发生停滞，并随即反向移动。在出射光线即将反向移动的时刻就是最小偏向角所对应的方位，只要固定这时的入射角，测出所固定的入射光线角坐标 ，再测出出射光线的角坐标 ，则有12（537）2min实验内容1按光学实验基础知识 ，对分光仪进行调整（）调节目镜，看清分划板上准线及小棱镜上十字。（）在载物平台上放上三棱镜并调节望远镜及平台，使在望远镜中看到三棱镜两个光学面反射的

16、小十字像。（）调节望远镜物镜，使十字像清晰。（）调整望远镜与分光仪主轴垂直。用自准值法测量三棱镜顶角（）锁紧分度盘制动螺钉 ，转动望远镜（这时望远镜转动锁紧螺钉 9 松开） ，使望远镜对准三10棱镜的反射面 ，锁紧望远镜转动螺钉 9。利用望远镜转动微调 ，使由 面反射回来的小十字像AB12AB位于分划板 准线的中央，记下分度盘两个窗口的读数值 与 。mn AB（）松开锁紧螺钉 ，把望远镜转到与 面垂直，再锁紧螺钉 。利用微调 使由 面反9C12C射回来的小十字像位于分划板上 准线中央，记下分度盘上两个窗口的读数 、 。mn A2B（）按上述两步重复测量四次，将数据填入自拟表中，由（531）式求

17、出 ，计算出 的平均值及标准误差。用反射法测量三棱镜顶角在图 533 中，用光源照亮平行光管，它射出的平行光束照射在棱镜的顶角尖处 ，而被棱镜A的两个光学面 和 所反射，分成夹角为 的两束平行反射光束 、 。由反射定律可知，ABC1R2，所以 。因为 ，所以 。于是只要4321432134用分光仪测出从平行光管的狭缝射出的光线经 、 两个面反射后的二束平行光 与 之间的夹ABC12R角 ，就可得顶角 ，则2（538）42121BA（）按实验内容的步骤调好分光仪。（）参照图 532 转动望远镜，寻找 面反射的狭缝像，使狭缝像与竖直准线重合，记下B分光仪 、 窗口的读数 ，继续转动望远镜，寻找 面

18、反射的狭缝像，也使狭缝像与竖直ABBA、 1 AC准线重合，再记下分光仪 、 窗口的读数 、 。A2B（）重复上述测量四次，将数据填入自拟表中，由（537）式求出 的平均值及标准误差。用最小偏向角法测定棱镜玻璃的折射率（）用汞灯作光源照亮狭缝，由平行光管射出光线进入望远镜，寻找狭缝像，使狭缝像与分化板上的中央竖直准线重合，记下这时望远镜筒所在的角坐标 。BA1、（）将三棱镜放置在载物台平台上，使平行光管射出光线进入三棱镜的 面，转动平台在三C棱镜的 面观察望远镜中的可见光谱，跟踪绿谱线的移动方向。寻找最小偏向角的最佳位置，当轻AB微调节载物平台，而绿谱线恰好要反向移动时，固定载物平台。再转动望

19、远镜，使狭缝的像（绿谱线）与中央竖直准线重合，记下这时出射光线角坐标 、 。A2B用 反 射 法 测 三 棱 镜 顶 角图 )(aR1 R2ABC平 行 光 管 望 远 镜望 远 镜 载 物 平 台 三 棱 镜 )(b法 线1R324 ABC法 线（）按上述步骤重复三次，由 （537）式求出 的平均值，把 与 代入 minmin（536）式，求出棱镜玻璃的折射率 值。并计算出 的相对误差。n思考题分光仪主要由哪几部分组成？各部分作用是什么？分光仪的调整主要内容是什么？每一要求是如何实现的？分光仪底座为什么没有水平调节装置？在调整分光仪时，若旋转载物平台，三棱镜的AB、 AC、BC 三面反射回来

20、的绿色小十字像均对准分化板水平叉丝等高的位置，这时还有必要再采用二分之一逐次逼近法来调节吗？为什么？望远镜对准三棱镜 面时， 窗口读数是 293 度 21 分 30 秒，写出这时 窗口的可能读数AB B和望远镜对准面 时， 窗口的可能读数值。C、如图 534 所示，分光仪中刻度盘中心 与游标盘中心 不重合，则游标盘转过 角时,刻oo度盘读出的角度 ，但 ，试证明。2121什么是最小偏向角？在实验中，如何来调整测量最小偏向角的位置？若位置稍有偏离带来的误差对实验结果影响如何？为什么？435图ABAB12实验三 双棱镜干涉测波长教学目的1.掌握一种利用分割波前实现双光束干涉的方法2.用菲涅耳双棱镜

21、绝对测量光波波长3.光场空间相干性的初步观察仪器用具纳光灯,双棱镜,凸透镜,测微目镜,单狭缝,光具座等.重点难点：1、按实验操作规程规范操作。2、动手操作能力培养。3、掌握使干涉条纹清晰的主要调节步骤德育渗透：1、培养学生爱护仪器，保护国家财产的意识。2、培养学生互相帮助，团结协作的精神教学方法1、讲授法。2、演示法。3、学生分组实验法布置作业：1、数据处理。2、误差分析 3、独立完成实验报告。4、预习下一个实验实验内容波动光学研究光的波动性质、规律及其应用，主要内容包括光的干涉、衍射和偏振。1818 年菲涅耳的双棱镜干涉实验不仅对波动光学的发展起到了重要作用，同时也提供了一种非常简单的测量单

22、色光波长的方法。通过本实验学习利用光的干涉现象测量光波波长的方法，了解双缝的干涉条件及在实验中如何实现，掌握实验光路的调节和测微目镜的使用。1双棱镜干涉及测光波长方法菲涅耳双棱镜是由两块底边相接、折射棱角 a 小于 1的直角棱镜组成的。从单缝发出的光经双棱镜折射后，形成两束犹如从虚光源发出的频率相同、振动方向相同、并且在相遇点有恒定相位差的相干光束，它们在空间传播时，有一部分彼此重叠而形成干涉场。在图 3-15-2 中，设由双棱镜 B 所产生的两相干虚光源 S1、 S2 间距为 d，观察屏 P 到 S1S2 平面的距离为 D。若 P 上的 P0 点到 S1 和 S2 的距离相等，则 S1 和 S2 发出的光波到 P0 的光程也相等，因而在 P0点相互加强而形成中央明条纹(零级干涉条纹)。设 S1 和 S2 到屏上任一点 PK 的光程差为 D， PK 与 P0 的距离为 XK，则当 dD 和 XKD 时，可得到(3-15-1)当光程差 D 为波长的整数倍，即 (K=0、1、2、)时，得到明条纹。此时，由（3-15-1）式可知(3-15-2)这样，由（3-15-2）式相邻两明条纹的间距为于是(3-15-3)对暗条纹也可得到同样的结果。（3-15-3）式即为本实验测量光波波长的公式。2实验装置与光路满足的条件