基础光学实验实验1透镜焦距测定一，实验目的1.学习并掌握调节光学系统共轴的步骤和方法。2.掌握测量薄会聚透镜焦距的方法。3.验证透镜成像公式，并从感性上了解透镜成像公式的近似性。二，实验仪器设备白光源S、物屏P（SZ-14）、凸透镜L（焦距待测）、二维架（SZ-07）、白屏H（SZ-13）二维平移底座（SZ-02）、三维平移底座（SZ-01）、通用底座（SZ-04）。三。实验要求1.预习教材中的相关内容。2.阅读并熟悉本次实验的内容。3.设计并正确摆放光学仪器组成测量光路。4．测量并记录实验数据。5.实验结束将光学仪器归位。四。实验任务1.共轭法测量凸透镜焦距利用凸透镜物、像共轭对称成像的性质测量凸透镜焦距的方法，叫共轭法。所谓“物像共轭对称”是指物与像的位置可以互移，如图1-1（α）所示。其中（α）图中处于物点S的物体９经凸透镜L在像点P处成像FP，这时物距为u，像距为V。若把物点SoSo10业D移到图1-1（a）中P的点，那么该物体经同一凸透镜L成像于原来的物点，即像点P图1-1 (a)La将移到图1一1（α）中的So点。于是，图1a一1（b）中的物距u和像距v分别是图1So-1(a)中的像距v和物距u，即物距u=V，u'=像距=u。这就是“物像共轭对称”。设图1-1 (b)1
1 基础光学实验 实验 1 透镜焦距测定 一．实验目的 1. 学习并掌握调节光学系统共轴的步骤和方法。 2. 掌握测量薄会聚透镜焦距的方法。 3. 验证透镜成像公式，并从感性上了解透镜成像公式的近似性。 二. 实验仪器设备 白光源 S、物屏 P（SZ-14）、凸透镜 L（焦距待测）、二维架（SZ-07）、白屏 H（SZ-13）、 二维平移底座（SZ-02）、三维平移底座（SZ-01）、通用底座（SZ-04）。 三. 实验要求 1. 预习教材中的相关内容。 2. 阅读并熟悉本次实验的内容。 3. 设计并正确摆放光学仪器组成测量光路。 4. 测量并记录实验数据。 5. 实验结束将光学仪器归位。 四. 实验任务 1. 共轭法测量凸透镜焦距 利用凸透镜物、像共轭对称成像的性质测量凸透镜焦距的方法，叫共轭法。 所谓“物 像共轭对称”是指物与像的位置可以互移，如图 1－1（ a ）所示。其中（ a ）图中处于物 点 0 s 的物体 Q 经凸透镜 L 在像点 p 处成像 P，这时物距为 u ，像距为 v 。若把物点 0 s 移到图 1－1（ a ）中 p 的点，那么该物体经 同一凸透镜 L 成像于原来的物点，即像点 p 将移到图 1—1（ a ）中的 0 s 点。于是，图 1 —１（ b ）中的物距 ' u 和像距 ' v 分别是图 1 —1（ a ）中的像距 v 和物距 u ，即物距 u = v ' ， 像距 v = u ' 。这就是“物像共轭对称”。设 L p P Q S0 o v'= u u'= v 图 1-1（b） L O u v P p F' 图 1-1（a） 0 s Q
v-u=u-=D（物屏和像屏P之间的距离为D)。根据上面的共扼法，如果物与像的位置不调换，那么，物放在s。处，凸透镜L放在X，处，所成一倒立放大实像在P处；将物不动，凸透镜放在X2处，所成倒立缩小的实像也在P处，如图1-2所示。由图可知，u+u=d或v+u=d。于是解方程组得D=v-ud=u+y111u"fiD? - d?D-dD+d(1-1)u=2-24D该式是共轭法测量凸透镜焦距的公式。由于是通过移动透镜两次成像而求得的，所以，这种方法又称二次成像法。另外，从方程组中消去u，得D+D?-4fD111-y?- Dv+Df'=0,2VV-Df当V有实根必须有D2-4f'D≥0:D≥4f(1-2)即物屏与像屏之间的距离大于或最少等于四倍的焦距，物才能通过凸透镜二次成像。1SoC0图1-2实验步骤如下：（1）粗调，将光具靠拢，调节高低左右：使光心和中心大致在同一高度和同一直线上。（2）细调，用共轭原理进行调整，使物屏与像屏之间的距离D≥4f，将凸透镜从物屏向像屏缓慢移动，若所成的大像与小像的中心重合，则等高共轴已调节好，若大像中心2
2 v − u = u'−v'= D （物屏 Q 和像屏 P 之间的距离为 D ）。 根据上面的共扼法，如果物与像的位置不调换，那么，物放在 0 s 处，凸透镜 L 放在 X1 处，所成一倒立放大实像在 p 处；将物不动，凸透镜放在 X2 处，所成倒立缩小的实像也 在 p 处，如图 1－2 所示。由图可知， uud '+ = 或 vu d + = 。于是解方程组得 D vu = − d uv = + 11 1 vu f ' − = 2 D d u − = − , 2 D d v + = , 2 2 ' 4 D d f D − = （１—１） 该式是共轭法测量凸透镜焦距的公式。由于 f ' 是通过移动透镜两次成像而求得的，所 以，这种方法又称二次成像法。 另外，从方程组中消去 u ，得 11 1 vvD f ' − = − ， 2 v Dv Df −+ =' 0， 2 4 ' 2 D D fD v ± − = 。 当 v 有实根必须有 2 D fD − ≥ 4' 0 ； D f ≥ 4 ' （１—２） 即物屏与像屏之间的距离大于或最少等于四倍的焦距，物才能通过凸透镜二次成像。 实验步骤如下： （１）粗调，将光具靠拢，调节高低左右；使光心和中心大致在同一高度和同一直线上。 （２）细调，用共轭原理进行调整，使物屏与像屏之间的距离 D f ≥ 4 ' ，将凸透镜从 物屏向像屏缓慢移动，若所成的大像与小像的中心重合，则等高共轴已调节好，若大像中心 p L d P Q v' D 0 s X1 X2 图 1－2
在小像中心的下方，说明凸透镜位置偏低，应将位置调高：反之，则将透镜调低：左右亦然。（3）读出物屏所在位置so，像屏所在位置p，填入自拟的表格中，求出D=p-s。（4）移动凸透镜，使像屏上呈现清晰的放大的倒立实像，记下此时的位置X，，继续移动凸透镜，使像屏上呈现清晰的缩小的倒立实像，记下此时的位置X2，求出d=[X, -XI。重复上述步骤四次，共得四组数据，用（1一1）式计算出每组的于值，求出f的平均值。五．实验报告1．记录数据并进行数据处理，计算透镜焦距。2.为什么要调节光学系统共轴？调节共轴有那些要求？怎样调节？3.为什么实验中常用白屏作为成像的光屏？可否用黑屏、透明平玻璃、毛玻璃，为什么？4.为什么实物经会聚透镜两次成像时，必须使物体与像屏之间的距离D大于透镜焦距的4倍？实验中如果D选择不当，对'的测量有何影响？实验2菲涅耳双棱镜干涉测波长一。实验目的1.了解菲涅耳双棱镜的结构，掌握菲涅耳双棱镜获得双光束干涉的方法。2.观察双棱镜产生的双光束干涉现象，进一步理解产生干涉的条件。3.学会用双棱镜测定光波波长。二.实验仪器设备钠灯、凸透镜L1（焦距50mm）L2（焦距190mm）、二维架（SZ-07）、可调狭缝（SZ-27）、双棱镜、双棱镜架（SZ-41）、测微目镜架（SZ-36）、测微目镜、二维平移底座（SZ-02）、三维平移底座（SZ-01)、通用底座（SZ-04）。三、实验要求1.预习教材中的相关内容。2.阅读并熟悉本次实验的内容。3.设计并正确摆放光学仪器组成测量光路。4.测量并记录实验数据。5.实验结束将光学仪器归位。四．实验任务m
3 在小像中心的下方，说明凸透镜位置偏低，应将位置调高；反之，则将透镜调低；左右亦然。 （３）读出物屏所在位置 0 s ，像屏所在位置 p ，填入自拟的表格中，求出 D ps = − 0 。 （４）移动凸透镜，使像屏上呈现清晰的放大的倒立实像，记下此时的位置 X1 ，继续 移动凸透镜，使像屏上呈现清晰的缩小的倒立实像，记下此时的位置 X 2 ，求出 X 2 X1 d = − 。 重复上述步骤四次，共得四组数据，用（１—１）式计算出每组的 f ' 值，求出 f ' 的 平均值。 五. 实验报告 1．记录数据并进行数据处理，计算透镜焦距。 2. 为什么要调节光学系统共轴？调节共轴有那些要求？怎样调节？ 3．为什么实验中常用白屏作为成像的光屏？可否用黑屏、透明平玻璃、毛玻璃，为什么？ 4．为什么实物经会聚透镜两次成像时，必须使物体与像屏之间的距离 D 大于透镜焦距 的 4 倍？实验中如果 D 选择不当，对 f '的测量有何影响？ 实验 2 菲涅耳双棱镜干涉测波长 一．实验目的 1. 了解菲涅耳双棱镜的结构，掌握菲涅耳双棱镜获得双光束干涉的方法。 2. 观察双棱镜产生的双光束干涉现象，进一步理解产生干涉的条件。 3.学会用双棱镜测定光波波长。 二. 实验仪器设备 钠灯、凸透镜 L1（焦距 50mm）L2(焦距 190mm)、二维架（SZ-07）、可调狭缝（SZ-27）、 双棱镜、双棱镜架（SZ-41）、测微目镜架（SZ-36）、测微目镜、二维平移底座（SZ-02）、三 维平移底座（SZ-01）、通用底座（SZ-04）。 三. 实验要求 1. 预习教材中的相关内容。 2. 阅读并熟悉本次实验的内容。 3. 设计并正确摆放光学仪器组成测量光路。 4. 测量并记录实验数据。 5. 实验结束将光学仪器归位。 四. 实验任务
如图2一1所示，将一块平玻璃板的上表面加工成两形，两端与棱棱脊脊垂直，楔角较小（一般小于1度）。当单色光源照射在双棱镜表面时，经其折射后形成两束好像由两个光源发出的光，即两列光波的频率相同，传播方向几乎相同，相位差不随时间变化，那么，在两列光波相交的区域内，光强的分布是不均匀的，满足光的相干条件，称这种棱镜为双棱端面楔角镜。图2-1菲涅耳利用图2一2所示的装置，获得了双光束的干涉现象。图中双棱镜AB是一个分割波前的分束器。从单色光源M发出的光波，经透镜Z会聚于狭缝S，使S成为具有较大亮度的线状光源。当狭缝S发出的光波投射到双棱镜AB上时，经折射后，其波前便被分割成两部分，形成沿不同方向传播的两束相干光波。通LF过双棱镜观察这两束光，就好像它们预是由1和S2发出的一样，故在其相互Y交叠区域RP内产生干涉。如果狭缝d的宽度较小，双棱镜的棱脊与光源平行，就能在白屏P上观察到平行与狭图2-2缝的等间距干涉条纹。设d"代表两虚光源Si和S2间的距离，d为虚光源所在的平面（近似地在光源狭缝S的平面内）至观察屏的距离，且d"《d，干涉条纹宽度为，则实验所用光波波长可由下式确定dx1=a(2-1)（2一1）式表明，只要测出d"、d和&x，便可计算出光波波长。通过使用简单的米尺和测微目镜，进行毫米级的长度测量，推算出微米级的光波波长，所以，这是一种光波波长的绝对测量。由于干涉条纹宽度&很小，必须使用测微目镜进行测量。两虚光源间的距离d"，可用已知焦距为子的会聚透镜Z置于双棱镜与测微目镜之间，由透镜的两次成像法求得。只要使测微目镜到狭缝的距离d>4J"，前后移动透镜，就可以在的两个不同位置上从测微目镜中看到两虚光源S1和S2经透镜所的实像Si和S，其中一组为放大的实像，另一组为缩小的实像，如果分别测得二放大像间距1和二缩小像间距α2，则有4
4 如图 2－1 所示，将一块平玻璃板的上表面加工成两楔形，两端与棱 脊垂直，楔角较小（一般小于 1 度）。当单色光源照射在双棱镜表面时， 经其折射后形成两束好像由两个光源发出的光，即两列光波的频率相同， 传播方向几乎相同，相位差不随时间变化，那么，在两列光波相交的区 域内，光强的分布是不均匀的，满足光的相干条件，称这种棱镜为双棱 镜。 菲涅耳利用图 2－2 所示的装置，获得了双光束的干涉现象。图中双 棱镜 是一个分割波前的分束器。从单色光源 发出的光波，经透镜 会聚于狭缝 ， 使 成为具有较大亮度的线状光源。当狭缝 发出的光波投射到双棱镜 上时，经折射 后，其波前便被分割成两部分，形成 沿不同方向传播的两束相干光波。通 过双棱镜观察这两束光，就好像它们 是由 和 发出的一样，故在其相互 交叠区域 内产生干涉。如果狭缝 的宽度较小，双棱镜的棱脊与光源平 行，就能在白屏 P 上观察到平行与狭 缝的等间距干涉条纹。 设 代表两虚光源 和 间的距离， 为虚光源所在的平面（近似地在光源狭缝 的 平面内）至观察屏的距离，且 ，干涉条纹宽度为 ，则实验所用光波波长 可由下 式确定 （2－1） （2—1）式表明，只要测出 、 和 ，便可计算出光波波长。 通过使用简单的米尺和测微目镜，进行毫米级的长度测量，推算出微米级的光波波长， 所以，这是一种光波波长的绝对测量。 由于干涉条纹宽度 很小，必须使用测微目镜进行测量。两虚光源间的距离 ，可用 已知焦距为 的会聚透镜 置于双棱镜与测微目镜之间，由透镜的两次成像法求得。只要 使测微目镜到狭缝的距离 ＞ ，前后移动透镜，就可以在的两个不同位置上从测微目镜 中看到两虚光源 和 经透镜所的实像 和 ，其中一组为放大的实像，另一组为缩小 的实像，如果分别测得二放大像间距 和二缩小像间距 ，则有 图2-1 图 2-2
d'=yaid2(2-2)由（2一2）式可求得两虚光源之间的距离。实验步骤如下：1.调节共轴（1）将单色光源M、会聚透镜Z、狭缝S、双棱镜AB与测微目镜P，按图2-2的顺序放置在光学平台上，用目视粗略地调整它们的中心等高、共轴；双棱镜的底面与系统的光轴垂直，棱脊和狭缝的取向大体平行。（2）点亮光源M，使钠黄光通过透镜L1会聚在狭缝S上，用手执白屏在双棱镜后面观察，经双棱镜折射后的光束，应有较亮的叠加区域βP，且叠加区域能够进入测微目镜，当白屏移动时，叠加区域能逐渐向左、右或上、下偏移。根据观察的到的现象，做出判断，反复调节，直至共轴。2.调节干涉条纹（1）减小狭缝的宽度，一般情况下，可从测微目镜中观察到不太清晰的干涉条纹。（2）绕系统光轴缓慢地向右或向左旋转狭缝，将会出现清晰的干涉条纹。这时棱镜的棱脊与狭缝的取向严格平行。（3）看到清晰的干涉条纹后，将双棱镜或测微目镜前后移动，使干涉条纹的宽度适当，同时在不影响条纹清晰度的情况下，适当地增加缝宽，以保持干涉条纹有足够的亮度。但双棱镜和狭缝的距离不宜过小，因为减小它们的距离，SiS2间距也会减小，对测量d不利。3.测量与数据处理（1）用测微目镜测量干涉条纹的宽度&x为了提高测量精度，可先测出"条(10～20条)干涉条纹的间距，再除以"，即得。测量时，先使目镜叉丝对准某亮纹的中心，然后旋转测微螺旋，使叉丝移过个条纹，读出两次读数。重复上述步骤，求出&x。（2）用米尺量出狭缝到测微目镜叉丝平面的距离α，测量几次，求平均值。（3）用透镜两次成像法测两虚光源的间距d。保持狭缝与双棱镜原来的位置不变，在双棱镜和测微目镜之间放置一已知焦距的会聚透镜Z，移动测微目镜使它到狭缝的距离大于4}"，分别测得两次清晰成像时实像的间距"1、42。各测几次，取其平均值，再计算值。（4）用所得的4x、、d值，求出光源的光波波长。五．实验报告5
5 （2－2） 由（2—2）式可求得两虚光源之间的距离。 实验步骤如下： １．调节共轴 （１）将单色光源 、会聚透镜 、狭缝 、双棱镜 与测微目镜 ，按图 2－2 的顺序放置在光学平台上，用目视粗略地调整它们的中心等高、共轴；双棱镜的底面与系统 的光轴垂直，棱脊和狭缝的取向大体平行。 （２）点亮光源 ，使钠黄光通过透镜 L1 会聚在狭缝 上，用手执白屏在双棱镜后面 观察，经双棱镜折射后的光束，应有较亮的叠加区域 ，且叠加区域能够进入测微目镜， 当白屏移动时，叠加区域能逐渐向左、右或上、下偏移。根据观察的到的现象，做出判断， 反复调节，直至共轴。 ２．调节干涉条纹 （１）减小狭缝的宽度，一般情况下，可从测微目镜中观察到不太清晰的干涉条纹。 （２）绕系统光轴缓慢地向右或向左旋转狭缝，将会出现清晰的干涉条纹。这时棱镜的 棱脊与狭缝的取向严格平行。 （３）看到清晰的干涉条纹后，将双棱镜或测微目镜前后移动，使干涉条纹的宽度适当， 同时在不影响条纹清晰度的情况下，适当地增加缝宽，以保持干涉条纹有足够的亮度。但双 棱镜和狭缝的距离不宜过小，因为减小它们的距离， 间距也会减小，对测量 不利。 ３．测量与数据处理 （１）用测微目镜测量干涉条纹的宽度 为了提高测量精度,可先测出 条(10～20 条)干涉条纹的间距,再除以 ,即得 。测量 时，先使目镜叉丝对准某亮纹的中心，然后旋转测微螺旋，使叉丝移过 个条纹，读出两次 读数。重复上述步骤，求出 。 （２）用米尺量出狭缝到测微目镜叉丝平面的距离 ，测量几次，求平均值。 （３）用透镜两次成像法测两虚光源的间距 。保持狭缝与双棱镜原来的位置不变， 在双棱镜和测微目镜之间放置一已知焦距 的会聚透镜 ，移动测微目镜使它到狭缝的距 离大于 ，分别测得两次清晰成像时实像的间距 、 。各测几次，取其平均值，再计 算 值。 （４）用所得的 、 、 值，求出光源的光波波长 。 五. 实验报告