WSZ系列光學(xué)平臺參考實(shí)驗講義v1.3

前  言

WSZ型光學(xué)實(shí)驗平臺是根據教育部高教普物光學(xué)實(shí)驗大綱的要求而設計的。平臺系統由光學(xué)實(shí)驗平臺、平臺工作臺、多維調整架、光源、光學(xué)元件組成。教師可以根據實(shí)驗要求，選擇合適的組件安排實(shí)驗，進(jìn)行開(kāi)放式教學(xué)，培養學(xué)生的思維能力及實(shí)驗技巧，提高教學(xué)質(zhì)量。

該產(chǎn)品分幾何光學(xué)、物理光學(xué)及近代光學(xué)三大類(lèi)，共26個(gè)實(shí)驗項目。其中幾何光學(xué)實(shí)驗8個(gè)，物理光學(xué)實(shí)驗11個(gè)，近代光學(xué)實(shí)驗7個(gè)。其中有9個(gè)是演示實(shí)驗，其他均為測量實(shí)驗。加*的二十七和二十八實(shí)驗為選做實(shí)驗。對于書(shū)中所列的數據和透鏡焦距的大小要靈活使用，無(wú)須嚴格按照書(shū)中的數值處理實(shí)驗。儀器采用開(kāi)放式教學(xué)，老師可以根據實(shí)驗要求選用合適的通用組件安排多種實(shí)驗。

由于時(shí)間倉促，水平有限，參考講義中難免有各種缺陷，參考講義僅供各位老師參考。

請各位老師多提寶貴意見(jiàn)，謝謝！

單 位：天津拓普儀器有限公司

地 址：天津市南開(kāi)區凌賓路凌奧創(chuàng )意產(chǎn)業(yè)園區1號樓3層

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目   錄

光學(xué)實(shí)驗預備知識

實(shí)驗一     用自準法測薄凸透鏡焦距f ………………………………………………6

實(shí)驗二     用位移法測薄凸透鏡焦距f ………………………………………………8

實(shí)驗三     目鏡焦距fe的測量 ………………………………………………………10

實(shí)驗四     自組顯微鏡 ………………………………………………………………12

實(shí)驗五     自組望遠鏡 ………………………………………………………………14

實(shí)驗六     自組透射式幻燈機（投影系統） ………………………………………16

實(shí)驗七     測節點(diǎn)位置及透鏡組焦距 ………………………………………………18

實(shí)驗八     自組加雙保羅棱鏡的正像望遠鏡 ………………………………………21

實(shí)驗九     楊氏雙縫干涉 ……………………………………………………………23

實(shí)驗十     菲涅爾雙棱鏡干涉 ………………………………………………………26

實(shí)驗十一   菲涅爾雙面反射鏡干涉 …………………………………………………29

實(shí)驗十二   勞埃德鏡干涉 ……………………………………………………………32

實(shí)驗十三   牛頓環(huán)裝置 ………………………………………………………………34

實(shí)驗十四   夫郎和費單縫衍射 ………………………………………………………37

實(shí)驗十五   夫郎和費圓孔衍射 ………………………………………………………40

實(shí)驗十六   菲涅爾單縫衍射 …………………………………………………………42

實(shí)驗十七   菲涅爾圓孔衍射 …………………………………………………………43

實(shí)驗十八   菲涅爾直邊衍射 …………………………………………………………45

實(shí)驗十九   偏振光分析 ………………………………………………………………47

實(shí)驗二十   棱鏡攝譜儀 ………………………………………………………………53

實(shí)驗二十一 光柵單色儀 ………………………………………………………………55

實(shí)驗二十二 全息照相 …………………………………………………………………58

實(shí)驗二十三 制作全息光柵 ……………………………………………………………63

實(shí)驗二十四 阿貝成像原理和空間濾波 ………………………………………………66

實(shí)驗二十五 θ調制和顏色合成 ………………………………………………………70

實(shí)驗二十六 測量空氣折射率 …………………………………………………………72

*實(shí)驗二十七 等傾干涉  ………………………………………………………………76

*實(shí)驗二十八 法布里—珀羅干涉  ……………………………………………………80

參考文獻

光學(xué)實(shí)驗預備知識

光學(xué)實(shí)驗是普通物理實(shí)驗的一個(gè)重要部分。這里先介紹光學(xué)實(shí)驗中經(jīng)常用到的知識和調節技術(shù)。初學(xué)者在做實(shí)驗以前應認真閱讀這些內容，并且在實(shí)驗中遵守有關(guān)規則和靈活運用有關(guān)知識。

一、光學(xué)元件和儀器的維護

透鏡、棱鏡等光學(xué)元件，大多數是用光學(xué)玻璃制成的。它們的光學(xué)表面都是經(jīng)過(guò)仔細的研磨和拋光，有些還鍍有一層或多層薄膜。對這些元件或其材料的光學(xué)性能（例如折射率、反射率、透射率等）都有一定的要求，而它們的機械性能和化學(xué)性能可能很差，若使用和維護不當，則會(huì )降低光學(xué)性能甚至損壞報廢。造成損壞的常見(jiàn)原因有：摔壞、磨損、污損、發(fā)霉、腐蝕等。為了安全使用光學(xué)元件和儀器，必須遵守以下規則：

• 必須在了解儀器的操作和使用方法后方可使用。
• 輕拿輕放，勿使儀器或光學(xué)元件受到?jīng)_擊或震動(dòng)，特別要防止摔落。不使用的光

學(xué)元件應隨時(shí)裝入盒內并放入平臺的箱子內，放入干燥器中保存。

• 切忌用手接觸元件的光學(xué)表面。如必需用手拿光學(xué)元件時(shí)，只能接觸其磨沙面，

如透鏡的邊緣、棱鏡的上下底面等（如預備圖-1）。

• 光學(xué)表面上如有灰塵，用實(shí)驗室專(zhuān)備的干燥脫脂棉輕輕拭去或用橡皮球吹掉。
• 光學(xué)表面上若有輕微的污痕或指印，用清潔的鏡頭紙輕輕拂去，但不要加壓擦拭，

更不準用手帕、普通紙片、衣服等擦拭。若表面有較嚴重的污痕或指印，應由實(shí)驗室人員用丙酮或酒精清洗。所有鍍膜面均不能接觸或擦拭。

• 防止唾液或其溶液濺落在光學(xué)表面上。
• 調整光學(xué)儀器時(shí)，要耐心細致，一邊觀(guān)察一邊調整，動(dòng)作要輕、慢，嚴禁盲目及

粗魯操作。

• 儀器用畢后應放回箱內或加罩，防止灰塵沾污。

二、消視差

光學(xué)實(shí)驗中經(jīng)常要測量像的位置和大小，經(jīng)驗告訴我們，要測準物體的大小，必須將量度標尺與被測物體緊貼在一起。如果標尺遠離被測物體，讀數將隨眼睛的位置不同而有所改變，難以測準，如預備圖-2所示?？墒窃诠鈱W(xué)實(shí)驗中被測物往往是一個(gè)看得見(jiàn)摸不著(zhù)的像，怎樣才能確定標尺和待測像是緊貼在一起的呢？利用“視差”現象可以幫助我們解

決這個(gè)問(wèn)題。為了認識“視差”現象，讀者可做一簡(jiǎn)單實(shí)驗：雙手各伸出一只手指，并使一指在前，一指在后相隔一定距離，且兩指平行。用一只眼睛觀(guān)察，當左右（或上下）晃動(dòng)眼睛時(shí)（眼睛移動(dòng)方向應與被觀(guān)察手指垂直），就會(huì )發(fā)現兩指間有相對移動(dòng)，這種現象稱(chēng)為“視差”。而且還會(huì )看到離眼近者，其移動(dòng)方向與眼睛移動(dòng)方向相反；離眼遠者則與眼睛移動(dòng)方向相同。若將兩指緊貼在一起，則無(wú)上述現象，即無(wú)“視差”。由此可以利用視差現象來(lái)判斷測像與標尺是否緊貼。若待測像和標尺間有視差，說(shuō)明它們沒(méi)有緊貼在一起，則應該稍稍調節像或標尺位置，并同時(shí)微微晃動(dòng)眼睛觀(guān)察，直到它們之間無(wú)視差后方可進(jìn)行測量。這一調節步驟，我們常稱(chēng)之為“消視差”。在光學(xué)實(shí)驗中，“消視差”常常是測量前*的操作步驟。

三、共軸調節

光學(xué)實(shí)驗中經(jīng)常要用一個(gè)或多個(gè)透鏡成像。為了獲得質(zhì)量好的像，必須使各個(gè)透鏡的主光軸重合（即共軸）并使物體位于透鏡的主光軸附近。此外透鏡成像公式中的物距、像距等都是沿主光軸計算長(cháng)度的，為了測量準確，必須使透鏡的主光軸與帶有刻度的標尺平行。為了達到上述要求的調節我們統稱(chēng)為共軸調節。調節方法如下：

1、粗調，將光源、物和透鏡靠攏，調節它們的取向和高低左右位置，憑眼睛觀(guān)察，使它們的中心處在一條和標尺平行的直線(xiàn)上，使透鏡的主光軸與標尺平行，并且使物（或物屏）和成像平面（或像屏）與平臺垂直。這一步因單憑眼睛判斷，調節效果與實(shí)驗者的經(jīng)驗有關(guān)，故稱(chēng)為粗調。通常應再進(jìn)行細調（要求不高時(shí)可只進(jìn)行粗調）。

2、細調，這一步驟要靠其他儀器或成像規律來(lái)判斷和調節。不同的裝置可能有不同的具體調節方法。下面介紹物與單個(gè)凸透鏡共軸的調節方法。

使物體與單個(gè)凸透鏡共軸實(shí)際上是指將物上的某一點(diǎn)調到主光軸上。要解決這一問(wèn)題，首先要知道如何判斷物上的點(diǎn)是否在透鏡的主光軸上。根據凸透鏡成像規律即可判斷。如預備圖-3所示，當物AB與像屏之間的距離b大于4f時(shí)，將凸透鏡沿光軸移到O1或O2位置都能在屏上成像，一次成大像A1B1，一次成小像A2B2。物點(diǎn)A位于光軸上，則兩次

像的A1和A2點(diǎn)都在光軸上而且重合。物點(diǎn)B不在光軸上，則兩次像的B1和B2一定都不在光軸上，而且不重合。但是，小像的B2點(diǎn)總是比大像的B1點(diǎn)更接近光軸。由此可知，若要將B點(diǎn)調到凸透鏡光軸上，只需記住像屏上小像的B2點(diǎn)位置（屏上貼有坐標紙供記錄位置時(shí)作參照物），調節透鏡（或物）的高低左右，使B1向B2靠攏。這樣反復調節幾次直到B1與B2重合，即說(shuō)明B點(diǎn)已調到透鏡的主光軸上了。

若要調多個(gè)透鏡共軸，則應先將物上B點(diǎn)調到一個(gè)凸透鏡的主光軸上，然后，同樣根據軸上物點(diǎn)的像總在軸上的原理，逐個(gè)增加待調透鏡，調節它們使之逐個(gè)與*個(gè)透鏡共軸。