光學基礎(chǔ)實驗教材

1、光學基礎(chǔ)實驗（I） 實驗報告實驗1光的直線傳播規(guī)律實驗?zāi)康模?. 驗證光的直線傳播規(guī)律2. 了解照相機的基本原理一、實驗儀器制作過程及成品描述1、用紙卷兩個略有大小的圓筒，使之剛好能夠互相套入。2、使其內(nèi)表面為黑色，以保證不透光和沒有內(nèi)表面反射。3、將大的圓筒一端用黑色的紙板封閉，并用針戳一個小孔，在小的圓筒一端貼一張薄 的白紙作為觀察屏。4、移動屏與孔的距離，觀察小孔成像的變化，并使能觀察到一個倒立的像。二、實驗原理由光的直線傳播原理可知：當使用一個極小的孔（0.5mm）時，遠處傳來的光將被 限制成為一束極細的光線。山物體上不同部位發(fā)出的光線通過小孔后，只能到達屏幕的 對應(yīng)位置，形成了對應(yīng)于

2、物的像。三、實驗步驟及現(xiàn)象步驟：在光具座上面依次放上光源（點亮的蠟燭）、制作好的小孔成像系統(tǒng)、物屏, 使焰心、小孔和屏幕中心大致在一條直線上，接著，在其他條件不變的惜況下，依次改 變?nèi)肷涔獾膹姸?、通光孔徑（即小孔）的大小、成像裝置與物體之間的距離、物屏和小 孔之間的距離，并觀察所成的像的變化的悄況?，F(xiàn)象：以下兩個因素會對像的大小造成影響：1、孔徑的大小?？讖皆酱螅裨酱?，反之亦然。2、相機與物體之間的距離。距離越長，像越小，反之亦然。四、自問自答1. 小孔與觀察屏的距離與像的大小關(guān)系。答：蠟燭距小孔越近或毛玻璃屏距小孔越遠，得到的像越大，且小孔成像大小都是倒立的。2. 小孔成像有“景深”的問題

3、嗎，為什么？答：當小孔足夠小時，理論上是沒有景深問題的。因為光是直線傳播，不需要對 焦，其成像最遠景深為無限遠，無論多近或者多遠都能成像清晰。但事實上孔徑都是 有一定大小的，故景深問題仍然存在。3. 仔細觀察所成的像，邊緣和中間有兒個不同點？解釋之。答：中間更亮，更穩(wěn)定；邊緣則不然。由于孔徑小，故光線通過小孔時有可能發(fā) 生衍射現(xiàn)象，導致像的邊緣變得模糊。4. 什么是明視距離？在觀察器中，筒長250mm是按明視距離確定的，如果改變內(nèi)筒 筒長，是否可以？請說明理由。答：明視距離就是在合適的照明條件下，眼睛最方便、最習慣的工作距離。最適 合正常人眼觀察近處較小物體的距離，約25厘米。不可以改變內(nèi)筒筒

4、長，否則不適合 人眼觀察。實驗2三棱鏡的角度與色散測量實驗?zāi)康模?. 了解分光儀的構(gòu)造原理，學會正確使用分光儀2. 掌握棱鏡角度測試的原理和方法3. 了解光的折射與棱鏡色散現(xiàn)象一、實驗儀器：分光儀、汞燈、三棱鏡二、實驗原理角度測量原理：用望遠鏡依次對準夾棱鏡頂角的兩個面，使得返回的十字像在分劃板 上重合，記錄下望遠鏡兩個角度讀數(shù)，望遠鏡轉(zhuǎn)過的度數(shù)與頂角互補。使待測頂角對 向平行光管，望遠鏡依次觀察由兩個面反射的狹縫像，記錄下望遠鏡的兩個角度讀數(shù)， 望遠鏡轉(zhuǎn)過的角度為頂角的兩倍。最小偏向角法原理：對于一個給定的三棱鏡來說，其頂角a是固定的，故入射光線與出 射光線之間的夾角將隨入射角而變，而且出射

5、角是入射角的函數(shù)，故偏向角各僅隨入 射角而變。理論上可以證明，各存在最小值且有對應(yīng)的公式。故只要測出某波長 入射光線的最小偏向角及三棱鏡的頂角a ,即可求出該三棱鏡對該波長光的折射率。三、分光計調(diào)整過程及其涉及的光學、機械原理分光計的基本原理為：讓光線通過狹縫和聚焦透鏡形成一束平行光線，經(jīng)過光學元件的反射或折射后進入望遠鏡物鏡 并成像在望遠鏡的焦平面上，通過!J鏡進行觀察和測量各種光線的偏轉(zhuǎn)角度。分光計的調(diào)節(jié)步驟：1、U測粗調(diào)（憑眼晴觀察判斷）用眼晴從儀器側(cè)面觀察，使望遠鏡光軸、平行光管光軸和載物臺面均大致垂直與儀 器主軸；LI鏡套筒位置合適。2、調(diào)節(jié)望遠鏡能接收平行光，并準確地與儀器中心軸垂

6、直。先改變L1鏡與分劃板之間的距離，是LI鏡視場中能清晰看到分劃板義絲準線，然后 調(diào)節(jié)LI鏡（連同分劃板）與物鏡的間距，使分劃板位于物鏡焦面上（利用自準直法使LI 鏡視場中同時看清分劃板準線與“+”字反射像，且使兩者無視差），此時望遠鏡即已能 接收和對準平行光了。在載物臺上放置雙面反射鏡，當反射鏡鏡面與望遠鏡光軸垂直時“+”字反射像與 義絲的上交點完全重合。如果任意放置反射鏡，反射回來的像始終與叉絲的上交點重合， 則說明望遠鏡的光軸已經(jīng)垂直于分光訃的主軸了。為了調(diào)節(jié)方便，可以先使反射鏡的鏡 面與載物臺下兩個螺釘?shù)倪B線平行。調(diào)節(jié)時先從望遠鏡中看到山反射鏡反射回來的“+” 字像（此時不一定和義絲的

7、上交點重合），轉(zhuǎn)動載物臺180 ,再找到由反射鏡的另一 面反射回來的“ + ”字像，分析兩個像的相對位置。如果同在叉絲的上交點的兩側(cè)，則 用各半調(diào)節(jié)法調(diào)節(jié)，即先調(diào)載物臺下的前后螺釘，使“ + ”字與義絲的上交點之間的距 離減小一半，再調(diào)節(jié)望遠鏡的水平螺絲，使像重合。然后轉(zhuǎn)動載物臺180進行同樣調(diào) 節(jié)，反復兒次便可以很快調(diào)好。再把反射鏡轉(zhuǎn)過90 ,重復上面操作，使兩個面的反 射像仍與叉絲的上交點重合，則說明望遠鏡的光軸垂直于儀器的中心軸了。3、調(diào)節(jié)平行光管產(chǎn)生平行光，并垂直于儀器中心軸。以已調(diào)好的望遠鏡為基準，調(diào)節(jié)平行光管。打開光源和狹縫，將望遠鏡對準狹像， 從望遠鏡中觀察，調(diào)節(jié)平行光管狹縫套筒

8、，使狹縫像最清晰，此時狹縫位于透鏡的焦面 上，此時即能產(chǎn)生平行光了。接著調(diào)節(jié)望遠鏡光軸與平行光管共軸，把狹縫調(diào)成水平方 向，調(diào)節(jié)平行光管的傾斜度，使狹縫與準線中心重合，這時平行光管與望遠鏡共軸，并 與中心軸垂直。四、色散及角度測量過程中的現(xiàn)象及數(shù)據(jù)棱鏡頂角角度的測量結(jié)果如下表所示:頂角測量第一次第二次第三次A 面左盤107 3V107 49106 52，右盤287 33287 51，286 50，平均值197 32197 50196 51zB 面左盤198 21198 4197 lf右盤18 4Z18 4f17 0z平均值108 3108 4io7 r頂角角度90 0289 1089 41z觀

9、察偏向角的變化：由于實驗室使用的是汞燈，所以先用眼睛觀察時，可以看到兒條平行的彩色譜線。 慢慢轉(zhuǎn)動載物臺，會發(fā)現(xiàn)譜線也隨之移動。如果順著偏向角減小的方向緩慢轉(zhuǎn)動載物臺, 則當轉(zhuǎn)動一定角度時，譜線移至某一位置后將反向移動。譜線移動方向發(fā)生逆轉(zhuǎn)時的偏 向角就是最小偏向角。接著再用望遠鏡觀察譜線，以便準確找到最小偏向角的位置。五、自問自答1. 為什么要調(diào)整棱鏡的棱線與轉(zhuǎn)臺軸平行？答：保證棱鏡轉(zhuǎn)動過程中入射面保持不變。因為在實驗過程中，需要旋轉(zhuǎn)載物臺， 如果棱鏡的棱線不與載物臺軸平行，那么在轉(zhuǎn)動載物臺之后，所成的像將會上下移動。2. 怎樣才能快速調(diào)整好棱鏡的位置？答：使棱鏡待測角A的一個邊與載物臺水平

10、調(diào)整腳（Zl、Z3）的連線垂直，這樣 調(diào)整Z2時，棱面AB的狀態(tài)可以保持不變。分光儀的載物臺上有刻線標志，可以幫助 正確安置棱鏡。3. 光的色散是如何引起的，你所測量的材料是正色散還是負色散？答：對于同一種介質(zhì)，不同波長的入射光的折射率是不同的，非單色光經(jīng)過介質(zhì)發(fā) 生折射后，不同波長的光將分離，形成色散。4. 你認為這次測量的精度如何？誤差大致在什么范圍？答：本次測量的精度較高，誤差是“ ”數(shù)量級。光學基礎(chǔ)實驗（I） 實驗報告望遠諛的機械結(jié)構(gòu)21.22.初2425X2728293031圖31望遠鏡的光學系統(tǒng)（右支）實驗3望遠鏡的分解與結(jié)合實驗?zāi)康模?. 了解雙眼儀器的構(gòu)造原理及主要光學零件組成

11、及功能（口鏡、物鏡、棱鏡）2. 學習望遠鏡的裝配調(diào)整3. 掌握光學零件的擦拭、清潔方法一. 對實驗工具.樣品的描述 單筒望遠鏡（雙反射棱鏡）、小型“十”字頭螺絲刀二、實驗原理：1、望遠鏡的機械結(jié)構(gòu)如下圖所示:2. amta3. 目邇4 l jIS注梢 目餃框7 服罩9 痛圈 KB觀度分劃圍 12、35 上羞 I 13 上密封80I 14 備妊 ；1上19 片畫 16-adtw 二17. TW 眼遮光章 丄20 左妙2、望遠鏡的軸連接結(jié)構(gòu)如下圖所示:1. W2 S JjXrwMlXi4目tS3、光學調(diào)整原理對于雙眼望遠鏡來說，主要的光學偏差有如下兒個方面：光軸偏差、像傾斜、視度 零位誤差、視差及

12、分劃板傾斜。光軸偏差：雙眼儀器要求兩鏡筒的光軸平行。光軸校準是將二次反射直角棱鏡繞與 它的棱線垂直而與其折射面平行的軸線轉(zhuǎn)動。像傾斜：將二次反射直角棱鏡繞與它的棱線和折射面垂直的軸線轉(zhuǎn)動。單筒中像傾 斜角應(yīng)該小于1度，兩鏡筒間的相對像傾斜小于20分。視度零位誤差：裝配時必須有6個視度的調(diào)節(jié)。視差：分劃板框有3個開口槽，利用其漲開的彈力壓緊在目鏡框內(nèi)，可以進行前后 調(diào)整軸向位置。分劃板傾斜：當望遠鏡LI距在6365mm的使用位置時，兩U鏡中心連線應(yīng)該處于水 平位置，分劃板的垂直線應(yīng)與遠處鉛垂線重合。三、望遠鏡分解與結(jié)合過程的描述1、望遠鏡的分解：首先，先徒手把物鏡筒和忖鏡筒從鏡座上面旋下來；然后

13、，再借助 “十”字頭螺絲刀將鏡座上面的一個反射棱鏡外套上的兩個螺絲旋下，再小心翼翼地把反射棱鏡取下來。接著，為了將物鏡鏡片取下，用老師所分發(fā)的工具將物鏡套筒中蓋在 物鏡鏡片上的，起固定作用的小塑料圈旋下來，再把物鏡小心地取出來。之后把所有零 件分類擺好，拍照。之后戴上手套，進行零件的擦拭工作。2、望遠鏡的組合：將擦拭好的望遠鏡鏡片依次放入對應(yīng)的套筒，再運用分解過程中所 用到的工具，按照物鏡、反射棱鏡、反射棱鏡、LI鏡的順序依次組裝好，同時也進行光 軸的調(diào)節(jié)，使得組裝好的望遠鏡基本上能夠正常使用。望遠鏡的零部件及組裝好的望遠 鏡實物如下圖所示：四、普通望遠鏡與測量望遠鏡比較及其涉及的光學、機械原

14、理：普通望遠鏡一般山凹凸透鏡、反射棱鏡等組成，利用光學聚焦、折射、反射等光學 原理制成。測量望遠鏡一般利用脈沖來測量距離。望遠鏡是一種用于觀察遠距離物體的忖視光學儀器，能把遠物很小的張角按一定倍 率放大，使之在像空間具有較大的張角，使本來無法用肉眼看清或分辨的物體變清晰可 辨。望遠鏡的前面有一塊直徑大、焦距長的凸透鏡，名叫物鏡；后面的一塊透鏡直徑小, 焦距短，叫LI鏡。物鏡把來自遠處景物的光線，在它的后面匯聚成倒立的縮小了的實像, 相當于把遠處景物一下子移近到成像的地方。而這景物的倒像乂恰好落在LI鏡的前焦點 處，這樣對著口鏡望去，就好象拿放大鏡看東西一樣，可以看到一個放大了許多倍的虛 光學基

15、礎(chǔ)實驗（丨）實驗報告像。這樣，很遠很遠的景物，在望遠鏡里看來就仿佛近在眼前一樣。望遠鏡有不同的結(jié)構(gòu)，常見的有三種：折射式、折反射式和反射式。五、自問自答1、望遠鏡有多少需要在外部調(diào)節(jié)的功能？答：光軸偏差、像傾斜、視度零位誤差、視差及分劃板傾斜。2、望遠鏡的放大倍數(shù)指的是什么？如何計算？答：望遠鏡的放大倍數(shù)就是指用肉眼觀察一個物體的張角與用望遠鏡在同一個地點 觀察相同物體的角度放大倍數(shù)。放大倍數(shù)=物鏡焦距/目鏡焦距3、望遠鏡中的棱鏡的作用有兒點？答：折疊光路，使望遠鏡可以不用做得那么長；消除色差：曲于透鏡存在一定 的厚度，而各種不同顏色的光對同一種介質(zhì)折射率有差異，而導致不同顏色的光經(jīng)折射 后成

16、的像位置有偏差，即產(chǎn)生色差，棱鏡可消除色差。翻轉(zhuǎn)倒像。4、光學零件的清潔需要那些工具？應(yīng)該注意些什么？答：手套、噴頭、木簽、擦鏡紙（或棉球）、酒精（或甲醇）、蒸憎水、注意事項：在使用酒精、乙醯和屮醇等物質(zhì)時必須小心，它們都是易燃物，并且有毒。 不要重復使用清潔擦鏡紙或棉球，重復使用會導致污物附著，損壞光學器件。在清潔光 學器件前，應(yīng)當從手指上，手腕上取下戒指等首飾，仔細吸收以去除皮膚油脂，并且戴 上手套。進行清潔工作時的擦拭動作一定要輕柔，避免劃傷表面。若儀器表面沾上指印、 油漬和水痕，則必須立即清潔表面，否則皮膚上的酸性物質(zhì)會損傷透鏡表面。5、如何利用兩個棱鏡獲得橫像（90度轉(zhuǎn)像）？答：兩個

17、棱鏡一個豎著一個橫著。光學基礎(chǔ)實驗（I） 實驗報告實驗4光具座的使用實驗?zāi)康模?. 學習光具座的使用；2. 掌握薄透鏡焦距的簡單測量方法一、實驗儀器導軌連光具座、透鏡架、望遠鏡物鏡、tl鏡、1mm和0.1mm分劃板、光源二、實驗原理1、望遠鏡的原理：望遠鏡物鏡的像方焦距是比較長的，其作用是使遠處物體成一個實像，然后再山U鏡將 此實像放大，使之成像在明視距離到無窮遠的任一位置。實際望遠鏡是使與光軸夾角很 小的入射光束變成與光軸夾角較大的出射光束。山于這兩個夾角都非常小，故望遠鏡的 視角放大率為物鏡與U鏡像方焦距之比。2、透鏡焦距測量原理（位移法）：若實物和接收實像的屛之間的距離大于成像透鏡的焦距

18、的四倍時，則一定可以找到兩個 成像的透鏡位置，一個位置成一倒立放大的實像，另一個位置成一倒立縮小的實像，若 求出透鏡兩個位置之間的距離，則待測成像透鏡的焦距可山公式求出。三、實驗步驟及現(xiàn)象1、先固定接收屛的位置（盡量遠離光源），記下該位置的讀數(shù)。2、調(diào)節(jié)實物的位置，使之先較為靠近光源，并記下該位置的讀數(shù)。3、緩慢移動待測成像透鏡的位置，使之從幕近實物的位置逐漸遠離，某一時刻，在接 收屛上可觀察到一個最清晰的倒立的放大（縮?。┑南瘢浵略撐恢玫淖x數(shù)。4、繼續(xù)沿遠離實物的方向緩慢移動待測透鏡的位置，在另一時刻，在接收屛上可觀察 到一個最清晰的倒立的縮?。ǚ糯螅┑南?，記下該位置的讀數(shù)。5、調(diào)節(jié)實物的

19、位置（兩次），使之逐漸遠離光源（幅度不宜過大），記下該位置的讀數(shù)。6、重復3、4的步驟。四、實驗數(shù)據(jù)記錄123A638.2mm659.5mm705.9mm位置1246.8mm312.5mm301.5mm位置2612.5mm689.8mm724.5mmd347.7mm377.3mm423.0mmf112.2mm110.9mm113.1mm焦距平均值112.1mm焦距標準差0.169mm五、自問自答欲將截面半徑為r的一束平行光擴展為截面半徑較大（為R）的一束平行光，且 傳播方向不變，則應(yīng)該用什么樣的設(shè)計方案？所有的透鏡，其口徑和焦距應(yīng)該有什么樣 的比例關(guān)系？答：增大透鏡的半徑，并移動到適當?shù)奈恢猛?/p>

20、鏡口徑越大，焦距越短，兩者成反比例關(guān)系。實驗5望遠系統(tǒng)參數(shù)測量實驗?zāi)康模?. 學習測量顯微鏡的使用。2. 了解望遠系統(tǒng)的入瞳、出瞳及出瞳距的基本概念及測量方法。3. 掌握望遠系統(tǒng)放大率的測量方法。一、實驗儀器望遠鏡、焦距儀（平行光管、測量顯微鏡）、游標卡尺二、實驗原理1、入瞳D入的測量：對于簡單望遠鏡來說，孔徑光闌和入射光瞳就是物鏡鏡框，其直徑D入可用量規(guī)或 卡尺直接測出。本實驗所用透鏡入瞳直徑為2.54cm。2、出瞳D出的測量：出瞳：光學系統(tǒng)的孔徑光闌在光學系統(tǒng)像空間所成的像稱為系統(tǒng)的“岀瞳”。出瞳 直徑D出代表了出射光束的口徑。出瞳的大小用測量顯微鏡或倍率計進行測量。1、出瞳距P的測量：出瞳的位置（山出瞳距離表示）代表了出瞳的位置。出瞳距的大小用測量顯微鏡進 行測量，并需要讀取測量入瞳時的一個數(shù)據(jù)。三、實驗步驟及現(xiàn)象1、先將被測望遠鏡安裝在光具座上。2、調(diào)整好測量顯微鏡、被測望遠鏡和平行光管同軸。3、利用測量顯微鏡，測出被測望遠鏡的岀射光瞳D出。首先將待測望遠鏡調(diào)焦與無窮 遠處，再將待測望遠鏡安置在光具座上，接通平行光管電源，作為無窮遠光源照亮望遠 物鏡的外框，則在望遠鏡LI鏡后面可以看到一個亮斑，即為出瞳D出，用測