光學實驗基礎知識

1、光學實驗基礎知識,楊 鵬物理與電子工程學院,主要內容,一、光學實驗的內容二、光學實驗特點三、光學實驗遵循的原則四、光學實驗的觀測方法五、光學實驗基本光路六、光學實驗常用儀器七、實驗數(shù)據(jù)處理,課程背景,光學：物理學經(jīng)典學科，發(fā)展迅速。經(jīng)典光學理論和實驗方法：促進科技進步。新的研究成果和實驗技術：促進光學學科及其他科技領域發(fā)展，如天文、化學、生物、醫(yī)學等。光學實驗技術：觀察基本光學現(xiàn)象，學習和掌握光學實驗的基本知識和基

2、本方法，培養(yǎng)基本的光學實驗技能。光學實驗：儀器精密，調節(jié)復雜，只有在了解儀器結構性能基礎上建立清晰的物理圖像，才能選擇有效而準確的調節(jié)方法，判斷儀器是否處于正常的工作狀態(tài)。理論聯(lián)系實際：在光學實驗過程中，儀器的調節(jié)和檢驗，實驗現(xiàn)象的觀察、分析等都離不開理論的指導。,光學實驗課， 學習的重點是學習和掌握光學實驗的基本知識、基本方法以及培養(yǎng)基本實驗技能，研究一些基本的光學現(xiàn)象，加強對經(jīng)典光學理論的理解，提高對實驗方法和技術的認識。（一

3、）基本物理量的測量方法基本物理量：透鏡的焦距、基點、曲率半徑，介質折射率、溶液濃度、光波波長、光柵常量等。,一、光學實驗的主要內容,測量方法：焦距測量：物距像距法、二次成像法、自準直法、輔助透鏡法折射率測量：最小偏向角法、掠入射法光波波長測量：雙棱鏡干涉法、邁克爾遜干涉法、透射光柵法溶液濃度測量：旋光法偏振光分析、單色儀定標加深理論—掌握方法—觀察現(xiàn)象—分析現(xiàn)象,（二）常用光學儀器的使用 常用儀器:光具座、測微目鏡

4、、望遠鏡、分光計、干涉儀、攝譜儀等。 了解儀器的構造原理及正常使用狀態(tài)，調節(jié)到正常使用狀態(tài)的方法，操作要求，注意事項，并具有較好的操作技能。,（三）學習分析光學實驗中的基本光路 自準直光路、分光光路、助視放大光路、恒偏向光路。（四）繼續(xù)學習分析誤差的方法和提高對實驗數(shù)據(jù)的處理能力 提高對實驗數(shù)據(jù)的處理能力和實驗結果誤差原因的分析水平，正確表達和評價實驗結果，分析誤差產(chǎn)生的原因以及減小實驗

5、誤差。,二、光學實驗的特點,與理論密切結合 頻率極高的電磁波，1014數(shù)量級，光學現(xiàn)象不直觀，只能觀察一定時間內的平均效果?？坷碚摰闹尾拍馨盐兆嶒灛F(xiàn)象。儀器調節(jié)要求高 儀器精密，必須嚴格調節(jié)，才能保證精度。邁克爾遜干涉儀精度可達10-4mm。實驗能力要求高 實驗技能、理論基礎、判斷能力。 另外取得較好的實驗效果，有光學實驗須在低照度環(huán)境下進行， 因此，要小心謹慎， 安全操作，防止事故

6、， 要避免光學元件跌落損壞，儀器讀數(shù)失誤，并注意保護視力。,三、光學實驗遵循的原則,1、必須在熟悉儀器的性能與使用方法之后才能進行使用與操作；2、輕拿輕放，勿使儀器或光學元器件受到?jīng)_擊、碰撞和震動，特別注意不能從手中滑落；3 、不使用時要及時將光學元件放回包裝盒內，長期閑置不用應該將其放入干燥皿中保存；,4、 手拿光學元器件時切忌用手觸摸“工作面”，如果必須拿光學元器件時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”會腐蝕光學面造成永久的損壞；5、 如發(fā)現(xiàn)光學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，絕對不能用嘴去吹；,6 、若發(fā)現(xiàn)光學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，擦試時不能加太大的壓力以免光學表面被劃傷，更不能用普通紙、手帕、毛巾或衣物等進行擦拭；7、 進行光學實驗時盡量避免說話，防止口水、唾液或其它液體濺落到光學面，造成光學面的化學損傷；

8、8 、在對光學儀器或光學系統(tǒng)進行調整時，要耐心細致，邊調整，邊觀察，動作要輕、柔、慢，切忌粗魯與盲目操作；,9、 千萬要注意在做實驗的過程中觀察與分析實驗過程與現(xiàn)象，尤其是出現(xiàn)與預期現(xiàn)象反常的特殊現(xiàn)象，應及時將現(xiàn)象記錄或存儲下來，向指導教師請教或分析；10、 使用完儀器設備后應當及時整理，放回原處或加罩防護，防止灰塵污染。,四、光學實驗的觀測方法,主觀觀察法和客觀測量法 1、眼睛直接觀察的方法，稱為主觀觀察方法 2、用光電探測器來

9、進行客觀測量，常用光電管、光敏電阻和光電池等視差: 人們觀察遠近不同的物體A和物體B 時，常會發(fā)生視覺差異的現(xiàn)象。利用視差進行如下判斷: (1)被觀察的物與像，或像與像是否重合 (2) 如果未重合，那么哪個離觀測者近一些， 這 對于指導儀器的調節(jié)，確定像的位置很有幫助。,五、基本光路,（一）自準直光路 1.,在物體自身的平面上產(chǎn)生物體的實像，所以稱為自準直光路。,2.,3.,物平面與反射鏡平面相對位置影響實

10、像的位置，例如：分光計的調節(jié)就是利用自準直光路實現(xiàn)光軸與主軸的垂直。應用：自準直目鏡。,（二）三棱鏡分光光路,復色光→棱鏡 →單色光 同一棱鏡對不同波長的光具有不同的折射率。（針對鈉光波長589.3nm而言）偏向角：出射光與入射光的夾角。最小偏向角：光路對稱時，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各級譜線

11、分布于零級像兩側。零級像：k=0, θ=0的位置，所有波長的光重疊在一起。,六、基本光學儀器的使用,（一）光具座雙桿式和平直導軌式長度為1-2m，刻有毫米標尺?；瑝K支架。,將各種光學元件（透鏡、面鏡等等）組合成特定的光學系統(tǒng)，運用這些光學系統(tǒng)成像時，要想獲得優(yōu)良的像，必須保持光束的同心結構，即要求該光學系統(tǒng)符合或接近理想光學系統(tǒng)的條件，這樣，物方空間的任一物點，經(jīng)過該系統(tǒng)成像時，在像方空間必有唯一的共軛像點存在，而且符合各種理論

12、計算公式。為此，在光具座上調節(jié)光學系統(tǒng)，必須滿足以下幾點。 1.光具座水平 調節(jié)光具座底角的水平調節(jié)螺釘(借助水平尺)，使光具座水平。 2.共軸 調節(jié)光學系統(tǒng)中各光學元件的光軸,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 因為成像公式中的各段距離,都是指光學系統(tǒng)光軸上的距離,所以要從光具座軌道上的讀數(shù)求出符合實際的距離,必須做到光學系統(tǒng)的光軸和光具

13、座道軌的基線平行——簡稱等高。 調節(jié)光學系統(tǒng)各元件的共軸等高，是光學實驗中的一項基本要求，必須很好掌握，一般的調節(jié)可分粗調和細調兩步進行。,（1） 粗調,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軌。,（2） 細調,二次成像法 成小

14、像時，調節(jié)光屏位置，使P〞與屏中心重合； 成大像時，則調節(jié)透鏡的高低或左右，使P′位于光屏中心。依次反復調節(jié)，便可調好。,（二）分光計,精密測角儀：測量棱鏡角，偏向角分光儀器：借助分光元件可觀察光譜，測量波長。,1.分光計的構造,簡單結構,1，狹縫裝置2，狹縫裝置鎖緊螺絲3，準直管4，制動架5，載物臺6，載物臺調平螺絲7，載物臺鎖緊螺絲8，望遠鏡9，望遠鏡鎖緊螺絲,具體結構,10，阿貝式自準直目鏡11

15、，目鏡視度調節(jié)手輪12，望遠鏡光軸高低調節(jié)螺絲 13，望遠鏡光軸水平調節(jié)螺絲14，支臂15，望遠鏡微調螺絲16，望遠鏡止動螺絲17，轉軸與度盤止動螺絲18，制動架,,α,19，底座 20，轉座21，度盤 22，游標盤23，支柱 24，游標盤微調 螺絲25，游標盤止動螺絲26，準直管光軸水平調節(jié)螺絲27，準直管光軸高低調節(jié)螺絲28，狹縫寬度調節(jié)手輪,2.分光計的調節(jié),測量前應調節(jié)分光計，

16、達到：望遠鏡聚焦到無窮遠，望遠鏡的光軸對準儀器的中心轉軸并與中心轉軸垂直。待測光學元件的表面與中心轉軸平行。 平行光管出射平行光，且光軸與望遠鏡的光軸共軸。,,1) 目視粗調,2) 用自準直法將望遠鏡調焦到無窮遠,載物盤水平、望遠鏡俯仰調節(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。（轉動目鏡調節(jié)鼓輪）望遠鏡沒有聚焦于無窮遠。（松開目鏡筒鎖緊螺釘，前后移動目鏡筒 ）平面反射鏡的鏡面與望遠鏡的光軸

17、不垂直。,用光路圖表示為,（1），若望遠鏡向下偏，由圖：,若偏斜嚴重將得不到像,若偏斜不嚴重，由圖,像點P將會在物S的下方，現(xiàn)象為十字叉絲將向下偏,（2）若望遠鏡上偏：,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) 調節(jié)望遠鏡光軸與中心轉軸垂直,,載物盤水平、望遠鏡俯仰的各半調節(jié),,4) 調節(jié)平行光管,平行光管由狹縫和準直透鏡組成。,,,,3.分光計的測量原理,,,,δ ＝(?α2-α1?

18、+?β2-β1?)/2,平行光管,平行光管,,,讀數(shù)方法,偏心差,測三棱鏡頂角,平行光管出射的平行光射向三棱鏡的兩個光學表面，用望遠鏡分別接收兩表面的反射光，就可計算出兩束光的夾角Φ。由幾何關系可以證明Φ與三棱鏡頂角A的關系為： Φ = 2A,A＝（?α2-α1?+?β2-β1?）/4,平行光管,望遠鏡,(三) 測微目鏡（1）要確定目鏡的準確度及鼓輪轉動讀數(shù)增大的方向，并選取合適的初始點； （2）一次測量中鼓輪只能單向移動，不能中途

19、倒轉；（3）干涉條紋應與豎直雙線 平行無視差；（4）到達刻度線零點后，應立即返回，以免損壞測微目鏡。,（四）測移顯微鏡（1）測量時， 要先調好目鏡和物鏡。（2）測量時應使一根十字叉絲與顯微鏡的目鏡移動方向垂直。（3）為減小回程誤差， 應單方向測量。（4）測量結束后， 應用保護套罩好儀器。,（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——氣體介質——放電發(fā)光。低壓汞燈：小于1個大氣壓工作，在可見光區(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。在可見光區(qū)發(fā)成兩條極強黃色譜線：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：可見光區(qū)輸出

21、波長632.8nm，單色紅光。管端工作電壓2—3kv,直流工作電流3—6mA。,七、實驗數(shù)據(jù)處理,1、直接測量的最佳值（1）算術平均值 （2）標準差 （3）測量值的取舍 格羅布斯判據(jù),2 、間接測量的最佳值: 先平均法3 、最小二乘法直線擬合4 、測量不確定度 (1)標準不確定度的A類評定 (2) 標準不確定度的B類評定 (3)合成標