哈尔滨工业大学大学物理课堂演示实验备考教案

大学物理演示实验光学激光综合演示仪偏振光演示仪双折射示教模型光侧弹性（人工双折射）穿墙而过（偏振）热学（热机原理都类似，热力学定律）投影加尔顿板手掌低温热气机演示仪、实验室低温差热气机演示仪(热机需要两个热源)能量转换演示仪分子运动演示仪经典置换式热气机演示仪菱形制冷机（热泵）演示仪近代物理黑体辐射演示仪光压风车（黑体辐射）光电效应演示波粒二象性穿墙而过一、演示目的利用人视觉上不可能（小球通过一堵墙）的错觉演示光的偏振性。二、实验原理一个偏振片只允许在一个特定平面内振动的光矢量通过，这个平面称为偏振面，这个偏振方向称为偏振片的透光轴。如果自然光入射到一个理想偏振片上，将变成线偏振光，偏振方向与偏振器的透光轴方向相同。如果这个线偏振光再经过第二个偏振片，且第二个偏振片的透光轴垂直于线偏振光的偏振方向，则没有光可以透过第二个偏振器。在本实验的圆筒中左侧一半和右侧一半各放置一个偏振片且两偏振片的偏振方向相垂直。这样在交界面处光线将不能通过，视觉效果上就好像有一堵墙存在，但实际没有。三、实验装置四、实验现象演示将圆筒一头压下，观察小球的运动过程，小球不受阻碍的穿过黑墙。五、讨论与思考1.如何来判断放置的两偏振片偏振方向是否垂直？2.偏振光有何应用？一、大功率激光综合光学演示仪使用说明书【实验目的】研究演示光的干涉、衍射和偏振现象。（一）、观察光的衍射现象1．观察光通过单缝、单丝、小圆孔、小圆屏的夫琅和费衍射现象。2．观察光通过缝、丝、圆孔、方孔、屏的菲涅尔衍射现象。3．利用光的衍射现象测定单缝宽度。4．观察光通过双缝、双孔、矩形孔及光栅的衍射现象。5．测量光栅的光栅常数6．测量光缝中心距离b及缝宽a。（二）、观察光的偏振现象1．学习产生和检验偏振光的方法。2．验证布儒斯特定律。3．验证马吕斯定律。4．观察双折射现象及人为双折射现象。5．巩固偏振光干涉的知识，研究椭圆偏振光。6．观察旋光现象。（三）、观察光的干涉现象1．双棱镜产生双光干涉的原理及产生的干涉现象和人为双折射现象2．用牛顿环法观察等厚干涉现象。3．产生等厚干涉现象的原理，并用此原理测定透镜的曲率半径。4．观察劈尖产生的干涉现象并比较玻璃片、光学加工过的平行玻璃片、有机玻璃片涤纶膜等产生的现象。【实验器材】图1大功率激光综合光学演示仪本仪器在铝合金箱内，摘去箱盖，即分为三块面板。见仪器结构图1，在I号面板上装有激光器，并通过前端螺丝固定在铝合金箱上，Ⅱ、Ⅲ面板上装有一系列插孔，I、Ⅱ、Ⅲ板均固定在箱上，（箱体板盖与黄色板之间装有所有光学附件），将附件装在面板Ⅱ、Ⅲ的相应位置，即可完成各类实验。光学附件目录1.扩束镜架（扩束镜己装入）1套2.干涉片架（框支杆成一体）1套3.双棱镜框（双棱镜己装入）1套4.普通玻璃片50×261套5.有机玻璃片50×261套6.涤纶膜框（涤纶膜己装入）1套7.经光学加工的平行平面玻璃片框1套8.光学劈尖框（劈尖片己装入调好）1套9.牛顿环装置（一片凹平透镜己装入）1套10.衍射片升降可调架（可水平升降调节）1套11.衍射片、框（双缝、双圆孔、光栅等，详见图2）1套12.衍射片、框（单缝、单丝、小孔屏等，详见图3）1套13.金属片（有各种图样）1套14.起偏器、检偏器、座（ϕ25偏振片）2套15.棱镜转台（与度盘成一体）1套16.三棱镜1件17.指标线架1套18.旋光管支架1套19.旋光管(两支)2支20.晶片架(架内装有云母片，可绕垂直于其表面的轴旋转)1套21.硅光电池架1套22.应力架1套23.有机玻璃块（有ϕ5钢球）1套24.小支座1件25.产品使用说明书1份图2光栅、孔、缝、板正交光栅1：纵横均为50条/㎜光栅2：50条/㎜双孔：Ф=0.2孔距分别为:3(d=0.25)，4(d=0.32)，5(d=0.4)矩孔：6(a=0.12,b=0.2)，7和9缝(a=0.06,d=0.1×9)多缝：8和4缝(a=0.06,d=0.1×4)双缝：9(a=0.06,d=0.10)，10(a=0.08，d=0.20)，11(a=0.08，d=0.16)图3小孔狭缝板单缝1：a=0.12:a=0.23:a=0.3单丝4：a=0.15:a=0.26:a=0.3小孔7:φ=0.28:φ=0.39:φ=0.4小屏10:φ=0.211:φ=0.312:φ=0.4【实验原理】1．夫琅和费衍射与菲涅尔衍射现象按照光源、障碍物和观察屏的远近，光的衍射一般分为两大类：菲涅尔衍射和夫琅禾费衍射。若光源与障碍物、障碍物与观察屏之间的距离（或两者之一）是有限远的，这类衍射称为菲涅尔衍射，其衍射光路入图4所示；若两者之间的距离都是无限远，或相当于无限远，这类衍射称为夫琅禾费衍射，其光路如图5所示。图4菲涅尔衍射图5夫琅禾费衍射夫琅禾费单缝衍射：波长为的单色光照射缝宽为a的单缝，屏幕上衍射条纹强度分布满足关系：220sinsinsinaaII其中为衍射角。屏幕上重点显示条纹随参数和a的改变状况。点光源衍射屏接收屏夫琅禾费单缝衍射条纹光强分布示意图：夫琅禾费矩孔衍射：波长为的单色光照射缝宽为a和b的矩孔，屏幕上衍射条纹强度分布满足关系：222221120sinsinsinsinsinsinbbaaII其中a和b对应的二维衍射角为1和2。夫琅禾费圆孔衍射：波长为的单色光照射半径为a的圆孔，屏幕上衍射条纹强度分布满足关系：210)(2xxJII其中，sin2ax，为衍射角，)(1xJ为一阶贝塞尔函数。夫琅禾费矩孔、圆孔衍射图样示意：2．布儒斯特定律与马吕斯定律布儒斯特定律：入射角满足201niarctgn时，反射光是线偏振光，0i是起偏角，也叫布鲁斯特角。马吕斯定律：起偏：让自然光转换成偏振光的过程；检偏：对经过1P的透射光，以光的传播方向为轴将检偏器2P旋转一周，可以观察到透过2P的光强有两次明暗的变化，这个过程称为检偏。当12//PP时，透过2P的光强最大；当12PP时，透过2P的光强为零，出现消光现象。这表明透过1P的光是线偏振光。0I0I21PP02I21//PP02I0II0I起偏器检偏器θP2P1一般情况下，当2P的偏振化方向与线偏振光的振动方向之间的夹角为时，（如下图）透过2P的光振幅大小为0cosE，以0I表示入射线偏振光的光强，则透过2P后的光强I为：20cosII称为马吕斯定律。3.牛顿环等厚干涉与劈尖干涉牛顿环等厚干涉：在一块平面玻璃上安放上一焦距很大的平凸透镜，使其凸面与平面相接触，在接触点附近就形成一层空气膜。当用一平行的准单色光垂直照射时，在空气膜上表面反射的光束和下表面反射的光束在膜上表面相遇相干，形成以接触点为圆心的明暗相间的环状干涉图样，称为牛顿环，其光路示意图如图。根据光的干涉条件，在空气厚度为e的地方，空气层上下两个表面处反射光的光程差为：,1,2,3...()2/2(21)/2,01,2...()kkekk明纹，暗纹(1)如果已知入射光波长，并测得第k级暗环的半径rk，则可求得透镜的曲率半径R。I0PI224()mnDDRmn劈尖干涉：如用单色光垂直照射，劈尖的上、下两表面所反射的两束光在空气层上表面附近相遇发生干涉，干涉条纹是一系列平行于劈尖棱边的等宽间距的明暗相间的直条纹，明暗条纹的分布仍由(1)决定。【实验操作与现象】仪器放在距屏幕1-10米范围内（视所观察的干涉图样的大小和清晰程度而定）激光器开机稳定后，即可做各种实验，演示薄膜干涉、牛顿环、劈尖现象时，激光器出光端背向屏幕，演示双棱镜等衍射干涉，偏振现象时，出光端要面向屏幕，并适当改变屏幕的距离，直至演示效果最佳。1.演示干涉现象把扩束镜架（附件1#）置于激光管出光端前安装其它附件碰不到扩束镜即可。将双棱镜夹（附件3#）置于扩束镜前的适当位置上。屏幕上即呈现出双棱镜干涉条纹。将干涉片架（附件2#）放在工作面上距透镜约15-20cm处，左右移动扩束各种透镜，使通过透镜的光束正好照在干涉片架的中央，然后将各种透明介质薄片（附件4#5#6#7#8#9#）依次放在干涉片架上，激光就从薄片的前后两表面反射到屏幕上，屏幕上即呈现出各种薄膜干涉条纹。图6演示薄膜干涉左右移动干涉架的位置，可观察光束在薄片上不同位置反射的干涉花样。从干涉花样可大致判断薄片表面的平整程度。在观察平行平面玻璃片的干涉花样时，如稍改变玻璃片的取向，使其垂直于工作面，则干涉花样正好呈现在扩束透镜上，就可以看到一组同心圆，此即为等倾干涉条纹，如圆心与透镜中心重合，表明玻璃片两表面的平行度好，反之，平行度差。把劈尖组（8#）放在干涉片架上使激光束照在玻璃片上，光在玻璃片的四个表面上都要发生反射，这四束反射光相互间都能干涉，因此屏幕上出现好几组干涉条纹，用手轻压此两玻璃片，就可以看到有一组干涉条纹由细而密逐渐变成粗而稀，改变手的力量及压的部位，这组干涉条纹的取向及间距也随之改变，这组干涉条纹就是光从空气劈尖的两表面上反射后在屏幕上相遇而呈现的干涉花样。将牛顿环装置（附件9#）放在干涉片架上，仔细寻找干涉区域，在屏幕上即呈现牛顿环，因为牛顿环中央的明暗情况随透镜放置的位置不同而改变。左右前后移动干涉片架，可使牛顿环中的明暗情况连续变化。将菲涅尔双棱镜夹在衍射片升降可调架（10）上，即可演示双光束干涉，可与衍射片实验同时进行。2.演示光的衍射现象（1）观察夫琅和费衍射图样先将衍射片(附件12#)用擦镜纸擦拭干净,把衍射片架插入仪器面板末端的两脚插座上,把单缝的衍射片放到衍射片架的槽内。旋动衍射片架的旋钮,可使屏幕上依次出现不同尺寸的狭缝,单缝的衍射花样，再将衍射片上下颠倒放置,屏幕上就出现不同尺寸的小圆孔和小圆屏的夫琅和费衍射花样。换用另一块衍射片，用同样的方法可得到双缝、双孔、矩形孔、光栅和正交光栅的夫琅和费衍射花样，在演示光栅的衍射花样时，就可以清楚地看到光通过光栅时的衍射情况。在演示正交光栅，光栅双孔φ=0.2d=0.4矩孔a=0.12b=0.2双缝a=0.2d=0.16单缝a=0.1小孔φ=0.2φ=0.3a=0.4观察这几种的衍射现象时，要适当改变屏到衍射板间的距离，当距离较远时就只能看清一级衍射条纹，有的二级以上勉强能看到。最佳距离均在1-1.5米左右时最为清楚.图7单缝夫琅和费衍射图8双缝的夫琅和费衍射图样(2).观察菲涅尔衍射花样(屏幕可远一些)将扩束镜架放在激光管出光端前,再将金属片(附件13#)放到发散光束光路上适当位置处,上下左右移动金属片,屏幕上即出现单边各种缝、圆孔及各种形状开孔的菲涅尔衍射花样，前后移动金属片，衍射图样也随之发生变化。3.演示光的偏振现象（1）演示起偏振、检偏振和马吕斯定律：把起偏器（附件14#）放到靠近激光管的插座4，此时旋转刻度盘，屏幕上由激光束照射而呈现的亮度不发生变化。把检偏器放到插座3上。旋转度盘，亮度就明显地发生明暗变化。说明光通过起偏器后己成线偏振光，当两个偏振片主平面正交时亮点消失如果将硅光电池（附件21#）插到面板上最后一个插口1处并配以适当的电流表与两偏振片夹角之间的关系。并检验马吕斯定律。（2）演示布儒斯特定律把棱镜台（附件15#）插到工作面上的插孔10内，再把三棱镜（附件16#）放在棱镜台上，使其磨光面对着激光束，旋转棱镜台使棱镜磨光面法线的取向也改变，其在屏幕上形成的亮点也随之移动，同时旋转棱镜台和起偏器，亮点的位置和亮度会不断发生变化，棱镜台和起偏器各旋转到某一特殊位置时，可使亮点的亮度变为零，说明反射光己消失，这时入射光的入射角即为布儒斯特角。根据布儒斯特定律，可以知道这时入射的光线一定是线偏振光（三棱镜的磨光面就是它的检偏器），其振动面必定正好与入射面重合，因入射面与水平面重合所以可以确定入射线偏振光的振动方向为水平方向，起偏器的主平面必定也沿水平方向。（3）演示冰洲石的双折射现象：（冰洲石自备）将一块冰洲石置于工作面中央的圆形插孔10上，并使激光