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新工程光学实行

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新工程光学实行

  闽南理工学院实践教学中心 实验一用自准法测薄凸透镜焦距f 实验二用位移法测薄凸透镜焦距f 实验三目镜焦距fe的测量 实验四自组显微镜 ………………………………………………………………11 实验五自组透射式幻灯机(投影系统) ………………………………………13 实验六测节点位置及透镜组焦距 ………………………………………………15 实验七菲涅尔双棱镜干涉 ………………………………………………………18 实验八偏振光分析 ………………………………………………………………21 光学实验预备知识 返回 返回 光学实验是普通物理实验的一个重要部分。这里先介绍光学实验中经常用到的知识和调节技术。初学者在做实验以前应认真阅读这些内容,并且在实验中遵守有 关规则和灵活运用有关知识。 透镜、棱镜等光学元件,大多数是用光学玻璃制成的。它们的光学表面都是经过仔细的研磨和抛光,有些还镀有一层或多层薄膜。对这些元件或其材料的光学性 能(例如折射率、反射率、透射率等)都有一定的要求,而它们的机械性能和化 学性能可能很差,若使用和维护不当,则会降低光学性能甚至损坏报废。造成损 坏的常见原因有:摔坏、磨损、污损、发霉、腐蚀等。为了安全使用光学元件和 仪器,必须遵守以下规则: 光学表面上如有灰尘,用实验室专备的干燥脱脂棉轻轻拭去或用橡皮球吹掉。 光学表面上若有轻微的污痕或指印,用清洁的镜头纸轻轻拂去,但不要加压擦拭, 更不准用手帕、普通纸片、衣服等擦拭。若表面有较严重的污痕或指印,应由实验室人员用丙酮或酒精清洗。所有镀膜面均 不能接触或擦拭。 调整光学仪器时,要耐心细致,一边观察一边调整,动作要轻、慢,严禁盲目及 光学实验中经常要测量像的位置和大小,经验告诉我们,要测准物体的大小,必须将量度标尺与被测物体紧贴在一起。如果标尺 远离被测物体,读数将随眼睛的位置不同而有所改变,难以测准, 如预备图-2所示。可是在光学实验中被测物往往是一个看得见摸 不着的像,怎样才能确定标尺和待测像是紧贴在一起的呢?利用 “视差”现象可以帮助我们解 决这个问题。为了认识“视差”现象,读者可做一简单实验:双手各伸出一只手指,并使一指在前,一指在后相隔一定距离,且两指平行。用 一只眼睛观察,当左右(或上下)晃动眼睛时(眼睛移动方向应与被观 察手指垂直),就会发现两指间有相对移动,这种现象称为“视差”。 而且还会看到离眼近者,其移动方向与眼睛移动方向相反;离眼远者则 与眼睛移动方向相同。若将两指紧贴在一起,则无上述现象,即无“视 差”。由此可以利用视差现象来判断测像与标尺是否紧贴。若待测像和 标尺间有视差,说明它们没有紧贴在一起,则应该稍稍调节像或标尺位 置,并同时微微晃动眼睛观察,直到它们之间无视差后方可进行测量。 这一调节步骤,我们常称之为“消视差”。在光学实验中,“消视差” 常常是测量前必不可少的操作步骤。 光学实验中经常要用一个或多个透镜成像。为了获得质量好的像,必须使各个透镜的主光轴重合(即共轴)并使物体位于透镜的主光轴附近。此外透镜成像公式 中的物距、像距等都是沿主光轴计算长度的,为了测量准确,必须使透镜的主光 轴与带有刻度的标尺平行。为了达到上述要求的调节我们统称为共轴调节。调节 方法如下: 1、粗调,将光源、物和透镜靠拢,调节它们的取向和高低左右位置,凭眼睛观察,使它们的中心处在一条和标尺平行的直线上,使透镜的主光轴与标尺平行, 并且使物(或物屏)和成像平面(或像屏)与平台垂直。这一步因单凭眼睛判断, 调节效果与实验者的经验有关,故称为粗调。通常应再进行细调(要求不高时可 只进行粗调)。 2、细调,这一步骤要靠其他仪器或成像规律来判断和调节。不同的装置可能有不同的具体调节方法。下面介绍物与单个凸透镜共轴的调节方法。 使物体与单个凸透镜共轴实际上是指将物上的某一点调到主光轴上。要解决这一问题,首先要知道如何判断物上的点是否在透镜的主光轴上。根据凸透镜成像规 律即可判断。如预备图-3所示,当物AB与像屏之间的距离b大于4f时,将凸透镜 沿光轴移到O1或O2位置都能在屏上成像,一次成大像A1B1,一次成小像 A2B2。物点A位于光轴上,则两次 像的A1和A2点都在光轴上而且重合。物点B不在光轴上,则两次像的B1和B2一定都不在光轴上,而且不重合。但是,小像的B2点总是比大 像的B1点更接近光轴。由此可知,若要将B点调到凸透镜光轴上,只需 记住像屏上小像的B2点位置(屏上贴有坐标纸供记录位置时作参照物), 调节透镜(或物)的高低左右,使B1向B2靠拢。这样反复调节几次直 到B1与B2重合,即说明B点已调到透镜的主光轴上了。现正在软件测试很难找作事吗我是培训机构出来。 若要调多个透镜共轴,则应先将物上B点调到一个凸透镜的主光轴上,然后,同样根据轴上物点的像总在轴上的原理,逐个增加待调透镜, 调节它们使之逐个与第一个透镜共轴。 •实验一 用自准法测薄凸透镜 焦距f 返回 返回 当发光点(物)处在凸透镜的焦平面时,它发出的光线通过透镜后将成为一束平行光。若用与主光轴垂直的平面镜将此平行光反 射回去,反射光再次通过透镜后仍会聚于透镜的焦平面上,其会 聚点将在发光点相对于光轴的对称位置上。 3、凸透镜L:f=190mm(f=150mm) 4、二维调整架:SZ-07 二维调整架:SZ-07 7、通用底座:SZ-04 8、二维底座:SZ-02 9、通用底座:SZ-04 10、通用底座: SZ-04 四、仪器实物图及原理图图一 1、把全部元件按图一的顺序摆放在平台上,靠拢,调 至共轴。而后拉开一定 的距离。可调成如图一所示的距离 2、前后移动凸透镜L,使在物屏P上成一清晰的品字形像。 4、再前后微动透镜L,使P屏上的像既清晰又与物同大小。 8、分别把f=150mm和f=190mm的透镜各做一遍,并比较实验值和真实值的差异,并分 析其原因。 被测透镜焦距:f=(fa+fb)/2•实验二 用位移法测薄凸透镜 焦距f 返回 返回 对凸透镜而言,当物和像屏间的距离L大于4倍焦距时,在它们之间移动透镜,则在屏上会出现两次清晰的像,一个为放大的像,一个为缩小的 像。分别记下两次成像时透镜距物的距离O1、O2(e=O1-O2),距屏 的距离O1、O-2根据光线的可逆性原理,这两个位置是“对称”的。 则:L-e=O1 +O2=2O1=2O2 得到透镜的焦距为由此便可算得透镜的焦距,这个方法的优点是,把焦距的测量归结为对于可以精确测定的量L和e的测量,避免了 在测量u和v时,由于估计透镜中心位置不准确所带来的误差。 3、凸透镜L:f=190mm(f=150mm) 4、二维调整架:SZ-07 5、白屏H:SZ-13 6、通用底座:SZ-04 7、二维底座:SZ-02 8、通用底座:SZ-04 9、通用底座:SZ-04 把全部器件按图二的顺序摆放在平台上,靠拢后目测调至共轴,而后再使物屏P和白屏H之间的距离大于4 倍焦距。 沿标尺前后移动L,使品字形物在白屏H上成一清晰的放大像,记下L的位置a1。 再沿标尺向后移动L,使物再在白屏H上成一缩小像,记下L的位置a2。 将P、L、H转180度,重复做前三步,又得到L的两个位置b1、b2。 分别把f=150mm和f=190mm的透镜各做一遍,并比较实验值和真实值的差异并分析其原因。 透镜焦距:f=(fa+fb)/2 •实验三目镜焦距fe的测量 返回 返回 了解、掌握用测量物像放大率来求目镜焦距fe的原理及方法 焦距的测量可以归结为测量焦点到光学系统的某一指定点的距离。 3、二维调整架:SZ-07 5、可变口径二维架:SZ-05 8、三维底座:SZ-01 9、一维底座:SZ-03 10、一维底座:SZ-03 11、通用底座:SZ-04 四、仪器实物图及原理图 在F、Le、L的底座距离很小的情况下,前后移动Le,直至在测微目镜L中看到清晰的1/10mm的刻线,并使之与测微目镜中的 标尺(mm刻线mm刻线的宽度,求出其放大倍率m1,并分别记下L和Le的位置a1、b1。 把测微目镜L向后移动30—40mm,再慢慢向前移动Le,直至在测微目镜L中又看到清晰且与毫米标尺刻线mm mx=(像宽/实宽)20(20为测微目镜的放大倍数) 被测目镜焦距:fe=s/(m2-m1)•实验四 自组显微镜 返回 返回 了解显微镜的基本原理和结构,并掌握其调节、使用和测量它的放大率的一种方法。 物镜Lo的焦距fo很短,将F1放在它前面距离略大于fo的位置,F1经Lo后成一放大实像F’1,然后再用目镜Le作为放大镜观察 这个中间像F’1,F’1应成像在Le的第一焦点Fe之内,经过目镜 后在明视距离处成一放大的虚像F’’1。 3、二维调整架:SZ-07 4、物镜Lo:fo=15mm 5、二维调整架:SZ-07 8、三维底座:SZ-01 9、一维底座:SZ-03 10、一维底座:SZ-03 11、通用底座:SZ-04 四、仪器实物图及原理图 1、把全部器件按图四的顺序摆放在平台上,靠拢后目测调至共轴。 3、沿标尺导轨前后移动F1(F1紧挨毛玻璃装置,使F1置于略大于fo的位置),直至在显微镜系统中看清 显微镜的计算放大率:M=(250)/(f0fe) 其中:=f0-fe ,见图示。 本实验中的fe=250/20(计算方法可参考光学书籍)•实验五 自组透射式幻灯机 返回 返回 幻灯机能将图片的像放映在远处的屏幕上,但由于图片本身并不发光,所以要用强光照亮图片,因此幻灯机的构造总是包括聚光和成像两个主 要部分,在透射式的幻灯机中,图片是透明的。成像部分主要包括物镜L、 幻灯片P和远处的屏幕。为了使这个物镜能在屏上产生高倍放大的实像。 幻灯片P必须放在物镜L的物方焦平面外很近的地方,使物距稍大于L的 物方焦距。 聚光部分主要包括很强的光源(通常采用溴钨灯)和透镜L1L2构成的聚光镜。聚光镜的作用是一方面要在未插入幻灯片时,能使屏幕上有强烈 而均匀的照度, 并且不出现光源本身结构(如灯丝等)的像;一经插入幻灯片后,能够在屏幕上单独出现幻灯图片的清晰的像。另一方面,聚光镜 要有助于增强屏幕上的照度。因此,应使从光源发出并通过聚光 镜的光束能够全部到达像面。为了这一目的,必须使这束光全部 通过物镜L,这可用所谓“中间像”的方法来实现。即聚光器使 光源成实像,成实像后的那些光束继续前进时,不超过透镜L边 缘范围。光源的大小以能够使光束完全充满L的整个面积为限。 聚光镜焦距的长短是无关紧要的。通常将幻灯片放在聚光器前面 靠近L2的地方,而光源则置于聚光器后2倍于聚光器焦距之处。 聚光器焦距等于物镜焦距的一半,这样从光源发出的光束在通过 聚光器前后是对称的,而在物镜平面上光源的像和光源本身的大 小相等。 2、聚光镜L1:f1=50mm 3、二维调整架:SZ-07 6、放映物镜L2:f2=190mm 7、二维调整架:SZ-07 8、白屏H:SZ-13 9、三维底座:SZ-01 10、一维底座:SZ-03 11、二维底座:SZ-02 12、一维底座:SZ-03 13、通用底座:SZ-04 将L2与H的间隔固定在间隔所能达到的最大位置,前后移动P,使其经L2在屏H上成一最清晰的像。 将聚光镜L1紧挨幻灯片P的位置固定,拿去幻灯片P,沿导轨前后移动光源S,使其经聚光镜L1刚好成像于白屏H上。 再把底片P放在原位上,观察像面上的亮度和照度的均匀性。并记录下所有仪器的位置,并算U1、U2、V1、V2的大小。 注:演示其现象时的参考数据为U1=35,V1=35,U2=300,V2=520。和计算焦距时的数据并不相同。 聚光镜的焦距:f1=D1/(M+1)-D1 /(M+1)平方 •实验六 测节点位置及透镜组 焦距 返回 返回 光学仪器中的共轴球面系统、厚透镜、透镜组,常把它作为一个整体来研究。这时可以用三对特殊的点和 三对面来表征系统在成像上的性质。若已知这三对点 和三对面的位置,则可用简单的高斯公式和牛顿公式 来研究其成像规律。共轴球面系统的这三对基点和基 面是:主焦点(F,F)和主焦面,主点(H,H)和 主平面,节点(N,N)和节平面。如附图1, 附图1附图2 实际使用的共轴球面系统——透镜组,多数情况下透镜组两边的介质都是空气,根据几何光 学的理论,当物空间和像空间介质折射率相同 时,透镜组的两个节点分别与两个主点重合, 在这种情况下,主点兼有节点的性质,透镜组 的成像规律只用两对基点(焦点,主点)和基 面(焦面,主面)就完全可以确定了。 根据节点定义,一束平行光从透镜组左方入射,如附图2,光束中的光线经透镜组后的出射方向,一般和入 射方向不平行,但其中有一根特殊的光线,即经过第 一节点N的光线PN,折射后必须通过第二节点N且出 射光线NQ平行于原入射光线PN。 设NQ与透镜组的第二焦平面相交于F点。由焦平面的定义可知,PN方向的平行光束经透镜组会聚于F 若入射的平行光的方向PN与透镜组光轴平行时,F点将与透镜组的主焦点F重合,如附图3 综上所述节点应具有下列性质:当平行光入射透镜组时,如果绕透镜组的第二节点N微微转过一个小角,则平行光经透镜组后的会聚点F在屏 上的位置将不横移,只是变得稍模糊一点儿,这是因为转动透镜组后入 射于节点N的光线并没有改变原来入射的平行光的方向,因而NQ的方 向也不改变,又因为透镜组是绕N点转动,N点不动, 所以N‘Q线也不移动,而像点始终在N’Q线上,故F‘’ 点不会有横向移动,至于NF‘’的长度,当然会随着透 镜组的转动有很小的变化,所以F‘’点前后稍有移动, 屏上的像会稍有模糊一点。反之,如果透镜组绕N‘点 以外的点转动,则F’‘点会有横向移动,利用节点的这 一特性构成了下面的测量方法。使用一个能够转动的 导轨,导轨侧面装有刻度尺,这个装置就是节点架。 把透镜组装在可以旋转的节点架的导轨上,节点架前 是一束平行光,平行光射向透镜组。 接着将透镜组在节点架上前后移动,同时使架做微小的转动。两个动作配合进行,直到能得到清晰的像, 且不发生横移为止。这时转动轴必通过透镜组的像方 节点N,它的位置就被确定了。并且当N与H重合时, 从转动轴到屏的距离为NF,即为透镜组的像方焦距 f’。把透镜组转180度,使光线射出。 利用同样的方法可测出物方节点N的位置。 3、二维调整架:SZ-07 4、物镜Lo:fo=190mm 5、二维调整架:SZ-07 6、透镜组L1、L2:f1=220mm,f2=300mm 7、节点架:SZ-25 10、三维底座:SZ-01 11、一维底座:SZ-03 12、一维底座:SZ-03 13、一维底座:SZ-03 14、通用底座:SZ-04 15、白屏H:SZ-13 调节由F,Lo组成的“平行光管”使其出平行光,可借助于对无穷远调焦的望远镜来实现。 将“平行光管”、待测透镜组、测微目镜,按图七的顺序摆放在平台上,目测调至共轴。 沿节点调节架导轨前后移动透镜组,(同时也要相应地移动测微目镜),直至转动平台时,F处分划板刻线的像无横向移动为止, 此时像方节点N落在节点调节架的转轴上。 用白屏H代替测微目镜,使分划板刻线的像清晰的成于白屏H上,分别记下屏和节点调节架在标尺导轨上的位置a、b,再在节点调 节架的导轨上记下透镜组的中心位置(用一条刻线标记)与调节 架转轴中心(0刻线的位置)的偏移量d。 把节点调节架转180度,使入射方向和出射方向相互颠倒,重复3、4、5步,从而得到另一组数据a’、b’、d’。 2、用1:1的比例画出该透镜组及它的各个节点的相对位置。•实验七 菲涅尔双棱镜干涉 返回 返回 利用光的干涉现象进行光波波长的测量,首先要获得两束相干光,使之重叠形成干涉,干涉条纹的空间分布既跟条纹与相干光源之 间的相对位置有关,又跟光波波长有关,从它们之间的关系式就 能测出光波波长。 本实验利用双棱镜获得两束相干光,如附图5所示,双棱镜是由两块底边相接、折射棱角α小于1度的直角棱镜组成的,从单缝S 发出的单色光的波阵面,经双棱镜折射后形成两束互相重叠的光 束,它们相当于从狭缝S的两个虚像S1 和S2射出的两束 相干光。于是在波束重叠的区域内产生了干涉,在该区域内放置 的屏上可以观测到干涉条纹。 如附图6所示,设S1与S2的间距为d,缝S至观察屏的距离为D,O为观察屏上距S1和S2等距的点,由S1和S2射来的两束光在O 点的光程差为零,故在O点处两光波互相加强形成零级亮条纹, 而在O点两侧,则排列着明暗相间的等距干涉条纹。 故δ/dx/D即δ=xd/D (2)δ=(2k-1)时,即在x=(2k-1)处(k=0、1、2、…),产生暗条纹。 干涉条纹的间距为:x=xk+1-xk=d——两个狭缝中心的间距 2、凸透镜L:f=50mm 3、二维调整架:SZ-07 4、单面可调狭缝:SZ-22 5、二维调整架:SZ-07 7、测微目镜Le(去掉其物镜头的读数显微镜)8、读数显微镜架 SZ-389、三维底座: SZ-01 10、二维底座: SZ-02 11、一维底座: SZ-03 12、一维底座: SZ-03 13、凸透镜L’: f=150mm 14、二维调整架: SZ-07 15、通用底座: SZ-01 1、把全部仪器按照图十的顺序在平台上摆放好(图上数值均为参考数值),并调成共轴系统。钠光灯(可 加圆孔光阑)经透镜L聚焦于狭缝上。调节单缝和双棱 镜的棱脊平行,而且由单缝射出的光对称地照在棱脊 的两侧。 2、用白屏H或直接用眼睛观测到干涉条纹后,再用测微目镜中观测。使相干光束处在目镜视场中心,并调 节单缝和棱脊的平行度,使干涉条纹最清晰。双棱镜 干涉图样,应为等间隔的明暗相间的干涉条纹。 3、用测微目镜测出干涉条纹的间距x,测出单缝到测微目镜叉丝分划板的距离D,再用二次 成像法测出两个虚光源的间距d,由x=xk+1- xk=便可求出光波的波长,并与钠灯的波长实 际值比较,分析误差原因。(二次成像法,在 数据处理中有讲解)。 保持图中狭缝、双棱镜的位置不动,加入一已知焦距f=150的透镜放在双棱镜后,使单缝与测微目镜间的 距离D 4f,移动透镜成像时,可以在两个不同的位置 上,从目镜中看到一大一小两个清晰的缝像(既虚光 源S1、S2的像),测出两个清晰的像间距d1及d2, 根据物象公式,虚光源S1、S2的间距d=(第一成 像)。d=(第二次成像)而s1=,=s2,故 •实验八偏振光分析 返回 返回 光是电磁波,它的电矢量E和磁矢量H相互垂直,且均垂直于光的传播方向c,通常用电矢量E代表代表光的振动方向, 并将电矢量E和光的传播方向c所构成的平面称为光振动面。 在传播过程中,电矢量的振动方向始终在某一确定方向的光 称为平面偏振光 或线(a)。光源发射的光是由大量原子或分子辐射构成的。由于大量原子或分子的热运动和辐射的随机性, 它们所发射的光的振动面,出现在各个方面的几率是相同的。故 这种光源发射的光对外不显现偏振的性质,称为自然光附图15 (b)。在发光过程中,有些光的振动面在某个特定方向上出现 的几率大于其他方向,即在较长时间内电矢量在某一方向上较强, 这种的光称为部分偏振光,如图附图15(c)所示,还有一些光, 其振动面的取向和电矢量的大小随时间作有规律的变化,而电矢 量末端在垂直于传播方向的平面上的轨迹呈椭圆或圆。这种光称 为椭圆偏振光或圆偏振光。 附图15(a)附图15(b) 附图15(c) 将非偏振光变成偏振光的过程称为起偏,起偏的装置称为起偏器。常用的起偏装置主要有: 当入射角达到某一特定值时,反射光成为完全偏振光,其振动面垂直于入射面(见附图16)而角就是布儒斯特角,也称为起偏振角,由布儒斯特定律得 例如,当光由空气射向n=1.54的玻璃板时,=57度45679若入射光以起偏振角射到多层平行玻璃片上,经过多次反射最后透射 出来的光也就接近于线偏振光,其振动面平行于入射面。由多层 玻璃片组成的这种透射起偏振器又称为玻璃片堆。见附图17。 n1 n2 玻璃 聚乙烯醇胶膜内部含有刷状结构的炼状分子。在胶膜被拉伸时,这些炼状分子被拉直并平行排列在拉伸方向上,拉伸过的胶膜只允许振动取向 平行于分子排列方向(此方向称为偏振片的偏振轴)的光通过,利用它 可获得线偏振光,其示意图参看附图18。偏振片是一种常用的“起偏” 元件,用它可获得截面积较大的偏振光束(它就是本实验使用的元件)。 鉴别光的偏振光状态的过程称为检偏,它所用的装置称为检偏器。实际上,起偏器和检偏器是通用的。用于起偏的偏振片称为起偏振器,把 它用于检偏就成为检偏器了。 式中为入射光偏振方向与检偏器偏振轴之间的夹角。显然,当以光线传播方向为轴转动检偏器时,透射光强度I将发生周期性变化。当=0度时, 透射光强度最大;当=90度时,透射光强度最小(消失状态);当0度 新工程光学实验,工程光学,工程光学第三版答案,工程光学课后答案,工程光学答案,工程光学 郁道银,工程光学第二版答案,工程光学第四章答案,工程光学基础教程,工程光学matlab仿真

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