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实验项目实验一薄透镜焦距的测定实验二透镜组基点的测定实验三分光计调节及棱镜玻璃折射率的测定实验四小型棱镜摄谱仪的使用实验五用双棱镜测定光波长实验六牛顿环实验实验七偏振现象的观察和分析实验八迈克尔逊干涉仪的调节和使用实验九衍射光栅实验十夫琅和费衍射实验一薄透镜焦距的测定透镜是光学仪器中最基本的元件，反映透镜特性的一个主要参量是焦距，它决定了透镜成像的位置和性质(大小、虚实、倒立)。对于薄透镜焦距测量的准确度，主要取决于透镜光心及焦点(像点)定位的准确度。本实验在光具座上采用几种不同方法分别测定凸、凹2种薄透镜的焦距，以便了解透镜成像的规律，掌握光路调节技术，比较各种测量方法的优缺点，为今后正确使用光学仪器打下良好的基础。【实验目的】：1.学会测量透镜焦距的几种方法。2.掌握简单光路的分析和光学元件等高共轴调节的方法。3.进一步熟悉数据记录和处理方法。4.熟悉光学实验的操作规则。5.观察透镜的像差。【实验仪器】：光具座，凸透镜，凹透镜，光源，物屏，平面反射镜，水平尺和滤光片等。【实验原理】：一、凸透镜焦距的测定1.粗略估测法：以太阳光或较远的灯光为光源，用凸透镜将其发出的光线聚成一光点(或像)，此时，s→∞，s′≈f′，即该点(或像)可认为是焦点，而光点到透镜中心(光心)的距离，即为凸透镜的焦距，此法测量的误差约在10％左右。由于这种方法误差较大，大都用在实验前作粗略估计，如挑选透镜等。2.利用物象公式求焦距：在近轴光线的条件下，薄透镜成像的高斯公式为1''sfsf(1)当将薄透镜置于空气中时，则焦距'''ssssff(2)返回目录(2)式中,f′为像方焦距；f为物方焦距；s′为像距；s为物距。式中的各线距均从透镜中心(光心)量起，与光线进行方向一致为正，反之为负，如图1所示。若在实验中分别测出物距s和像距s′，即可用式(2)求出该透镜的焦距f′。但应注意:测得量须添加符号，求得量则根据求得结果中的符号判断其物理意义。3.自准法：如图2所示，在待测透镜L的一侧放置被光源照明的1字形物屏AB，在另一侧放一平面反射镜M，移动透镜(或物屏)，当物屏AB正好位于凸透镜之前的焦平面时，物屏AB上任一点发出的光线经透镜折射后，将变为平行光线，然后被平面反射镜反射回来。再经透镜折射后，仍会聚在它的焦平面上，即原物屏平面上，形成一个与原物大小相等方向相反的倒立实像A′B′。此时物屏到透镜之间的距离，就是待测透镜的焦距，即f＝s(3)由于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聚焦的目的，所以称之为自准法，该法测量误差在1%～5%之间。4.位移法(又称为共轭法、二次成像法或贝塞尔物像交换法)：物像公式法、粗略估测法自准法都因透镜的中心位置不易确定而在测量中引进误差，为避免这一缺点，可取物屏和像屏之间的距离D大于4倍焦距(4f)，且保持不变，沿光轴方向移动透镜，则必能在像屏上观察到二次成像。如图3所示，设物距为s1时，得放大的倒立实像；物距为s2时，得缩小的倒立实像，透镜两次成像之间的位移为d,根据透镜成像公式(2)，将代入式（2）即得DdDf422'(4)可见，只要在光具座上确定物屏、像屏以及透镜二次成像时其滑座边缘所在位置，就可较准确的求出焦距f′。这种方法毋须考虑透镜本身的厚度，测量误差可达到1％。二、凹透镜焦距的测定1.成像法(又称为辅助透镜法)：如图4所示，先使物AB发出的光线经凸透镜L1后形成一大小适中的实像A′B′，然后在L1和A′B′之间放入待测凹透镜L2，就能使虚物A′B′产图4.成像法生一实像A″B″。分别测出L2到A′B′和A″B″之间距离s2、s2′，根据式(2)即可求出L２的像方焦距f2′。2.凹透镜自准法：如图5所示，在光路共轴的条件下，L2在适当位置不动，移动凸透镜L1，使物屏上物AB发出的光经凸透镜L１城缩小的实像A′B′，然后放置并移动凹透镜L2，在物屏上得到一个与物大小相等的倒立实像。由光的可逆性原理可知，由L2射向平面镜M的光线是平行光线，点B′是凹透镜L2的焦点。记录凹透镜L2和实像A′B′的位置，可直接测出f2′。【实验步骤与内容】：1.光具座上各光学元件同轴等高的调节：先利用水平尺将光具座导轨在实验桌上调节成水平，然后进行各光学元件共轴等高的粗调和细调（用位移法的两像中心重合或不同大小的实像中心重合或图3中对应光轴点不动），直到各光学元件的光轴共轴，并与光具座导轨平行为止。2.实验内容：利用除粗略估测法之外的五种方法进行测量。参考原理，自拟测量步骤。测量过程中注意观察透镜的像差。3.数据处理：计算出标准不确定度的A类评定、标准不确定度的B类评定及合成不确定度；给出正确的结果表示。分析比较各种测透镜焦距方法的误差来源，提出对各种方法优缺点的看法。【注意事项】：由于人眼对成像的清晰度分辨能力有限，所以观察到的像在一定范围内都清晰，加之球差的影响，清晰成像位置会偏离高斯像。为使两者接近，减小误差。记录数值时应使用左右逼近的方法。实验二透镜组基点的测定【实验目的】：1．了解测节器可以测定光具组的工作原理。2．加深对光具组基点的理解和认识。3．学会利用测节器及平行光测定光具组的主点及焦距。【实验仪器】：白炽灯，1字光阑，测节器，薄透镜两个（焦距不等）或幻灯片镜头一个，毛玻璃屏，米尺【实验原理】：我们知道，共轴球面系统如厚透镜及光具组都有三对基点。即：一对主点，一对主点和一对焦点。主点是系统中横向放大率β=+1的一对共轭点。节点是角放大率γ=+1的一对共轭点。焦点则是与光轴上无穷远物点共轭的像点。在光具组的物空间与像空间的媒质不同时，其前后焦距不等，主点与节点也不重合。但当光具组处在同一媒质中时，其前后主点与前后节点分别重合，其前后焦距也相等。这时从后节点（即后主点）到后焦点的距离即为光具组的后焦距。这样我们就可以通过测定节点来确定光具组的主点。我们用测节器来确定光具组的节点所依据的原理如下：当平行光束与光具组主轴成某一角度入射时，如图（a），经光具组汇聚后必交于后焦面上某副焦点''F。而当平行光束沿光具组主轴方向入射时必汇聚于后焦点'F（图b）。这两种情况下，在整个光束中，唯有通过前节点N的一条光线PN经过光具组后保持与入射方向平行，即PN//N′F′或PN//'''FN（节点性质决定）。其余光线均改变方向且会交于N′F′（或'''FN）线上。这样，当我们找到光具组的焦点后，再以后节点N′为轴移动光具组，其焦点F′的位置必不改变。这就返回目录图a图b是说，虽然通过改变主轴方位使入射光束与主轴所成的角度发生变化，但入射光方向未改，且总有一条光线（PN）从第一节点N入射，从第二节点'N射出，且沿N′F′进行，其余光线则汇聚于F′点（即光具组转动，光点不动）。据此，如果我们先用毛玻璃找到光具组后焦点F′位置，再以光具组主轴上某点为轴转动光具组（亦即改变入射光束与主轴的夹角），并注意观察毛玻璃屏上亮点的位置变化，同时慢慢改变转轴的位置。这样，在光具组的主轴上总可以找到一点，当以此点为轴转动光具组时，焦点F′的位置不变。这点就是后节点N′。找到了N′，后主点的位置就被确定了，后焦距亦可测出。若已知二薄透镜L1,L2的焦距为f1’，f2’。L1在前L2在后,组成光具组时二者的间隔为d。则此光具组的焦距为dfffff)('2'1'2'1'。其前后主点的位置（从前后薄透镜的镜心算起）的计算公式为：dffdfl)('2'1'1前；dffdfl)('2'1'2后测光具组的主点、焦点和焦距可按以下步骤进行。1、用调整好的平行光管作光源或用十字光栏的白炽灯作光源，用自准成像法调光。2、调整测节器及光路。测节器的形式如图（c）所示，在调光路前后把两个凸透镜装在测节器上的小透镜夹内。调整测节器的高度，使平行光束正好穿过二透镜中心。图c3、测光具组的焦距⑴使二凸透镜保持某一固定距离，用毛玻璃屏找到平行光经光具组聚焦后形成十字光栏像的位置（焦点）。把屏固定。⑵绕转轴摆动测节器，看到屏上的像也随着摆动。再改变测节器与转轴的相对位置（注意：光具组与屏的距离不能变，否则应重调），同时摆动测节器并仔细观察像的位置如何变化。最后总能找到一点，当测节器绕这点摆动时像的位置固定不动。这时转轴在测节器上的位置就是后节点的位置。亦即后主点的位置。在测节器上量出转轴到屏的距离，即光具组的后焦距。【实验步骤与内容】：1、利用平行光测出二透镜L1,L2的焦距f1’，f2’，（f1’f2’），并制表记录。2、使二透镜间距离d=5㎝（f1’）,测出其后焦距，测三次取平均值。3、自己想办法测出在d=5㎝时的前焦距。并结合（1）、（2）中测得的数据，画出光具组在d=5㎝时的L1、L2、H1、H2、F1、F2的相对位置图。4、改变二透镜的距离，使（a）d=0,(b)f1’df2’,(c)f2’df1’+f2’,(d)df1’+f2’。依据以上方法分别测定所列各种情况下的焦距，各测一次。记录焦点虚实与焦距的正负。画出光具组焦距随d变化的曲线图。当在L2的后面得不到实焦点时，可再利用一凸透镜，使光具组的虚焦点在该凸透镜的后面成实像，再用牛顿公式确定虚焦点的位置，并利用测节的方法测出节点的位置（即转动尺杆，观察虚焦点不动），从而确定其焦距。预习思考题1、解释用自准法调平行光的理由，如何调整才能将平行光调准。2、主点（或面）、节点（或面）的含义是什么？它们在什么条件下重合在一起？3、实验中确定节点的依据是什么？如何确定？4、如何调共轴。在实验中调共轴有什么必要性？复习题1、当顺时针摆动尺杆时，屏上的像反时针移动。此时节点在转轴的哪一方？反之又如何？试绘图说明。2、能用共轭法和自准法测光具组的焦距吗？请说明理由。3、根据实验结果，请讨论一下焦点虚实与焦距正负的关系。实验三分光计调节及棱镜玻璃折射率的测定光线在传播过程中，遇到不同介质的分界面时，会发生反射和折射，光线将改变传播的方向，结果在入射光与反射光或折射光之间就存在一定的夹角。通过对某些角度的测量，可以测定折射率、光栅常数、光波波长、色散率等许多物理量。因而精确测量这些角度，在光学实验中显得十分重要。分光计是一种能精确测量上述要求角度的典型光学仪器，经常用来测量材料的折射率、色散率、光波波长和进行光谱观测等。由于该装置比较精密，控制部件较多而且操作复杂，所以使用时必须严格按照一定的规则和程序进行调整，方能获得较高精度的测量结果。分光计的调整思想、方法与技巧，在光学仪器中有一定的代表性，学会对它的调节和使用方法，返回目录有助于掌握操作更为复杂的光学仪器。对于初次使用者来说，往往会遇到一些困难。但只要在实验调整观察中，弄清调整要求，注意观察出现的现象，并努力运用已有的理论知识去分析、指导操作，在反复练习之后才开始正式实验，一般也能掌握分光计的使用方法，并顺利地完成实验任务。【实验目的】：1．了解分光计的结构，掌握调节和使用分光计的方法；2．掌握测定棱镜角的方法；3．用最小偏向角法测定棱镜玻璃的折射率。【实验仪器】：分光计（JJY型1’），双面镜，钠灯，三棱镜。【实验原理】：三棱镜如图1所示，AB和AC是透光的光学表面，又称折射面，其夹角α称为三棱镜的顶角；BC为毛玻璃面，称为三棱镜的底面。图1三棱镜示意图1．反射法测三棱镜顶角α如图2所示，一束平行光入射于三棱镜，经过AB面和AC面反射的光线分别沿T3和T4方位射出，T3和T4方向的夹角记为θ，由几何学关系可知：||21234TT图2反射法测顶角2．最小偏向角法测三棱镜玻璃的折射率假设有一束单色平行光LD入射到棱镜上，经过两次折射后沿ER方向射出，则入射光线LD与出射光线ER间的夹角δ称为偏向角，如图3所示。图3最小偏向角的测定转动三棱镜，改变入射光对光学面AC的入射角，出射光线的方向ER也随之改变，即偏向角δ发生变化。沿偏向角减小的方向继续缓慢转动三棱镜，使偏向角逐渐减小；当转到某个位置时，若再继续沿此方向转动，偏向角又将逐渐增大，此位置时偏向角达到最小值，测出最小偏向角δmin。可以证明棱镜材