WSZ-710A715A方形光具座實驗裝置使用說明書070117

1、 天津拓普WSZ-710A/715A 方形光具座實驗裝置使用說明書V 1.0天津市拓普儀器有限公司目錄一、用途與適用范圍2二、儀器特點2三、儀器成套性2四、安裝說明2五、參考實驗講義3實驗一 用自準法測薄凸透鏡焦距f (測量實驗)3實驗二 牛頓環(huán)裝置 (測量實驗)4實驗三 測節(jié)點位置及透鏡組焦距 (測量實驗)6實驗四 自組望遠鏡 (測量實驗)10實驗五 自組透射式幻燈機 (測量實驗)11實驗六 目鏡焦距fe的測量 (測量實驗)13實驗七 阿貝成像原理和空間濾波 （測量實驗）15實驗八 菲涅爾雙棱鏡干涉 (測量實驗)18實驗九 用位移法測薄凸透鏡焦距f (測量實驗)21實驗十 夫朗和費單縫衍射

2、(測量實驗)23實驗十一 夫朗和費圓孔衍射 (測量實驗)26實驗十二 菲涅爾單縫衍射 （演示實驗）27實驗十三 菲涅爾圓孔衍射（演示實驗）29實驗十四 菲涅爾直邊衍射 （演示實驗）30實驗十五 偏振光分析 (測量實驗)32實驗十六 楊氏雙縫干涉 (測量實驗)38實驗十七 調(diào)制和顏色合成 （演示實驗）41六、技術(shù)服務幫助43一、用途與適用范圍WSZ-710A/715A系列光具座是我公司專門為高等院校物理和光學實驗室提供的實驗基礎(chǔ)設(shè)備，能與本公司生產(chǎn)的多種調(diào)整架及光學器件配合使用。廣泛應用于各種光學實驗和測量中?？砷_設(shè)各種透鏡及透鏡組數(shù)據(jù)的測量試驗；干涉、衍射的觀察和測量實驗；偏振光、信息光學等實

3、驗。二、儀器特點我公司生產(chǎn)的WSZ-710A/715A方形光具座實驗裝置導軌（見圖1）采用方形截面鑄鐵材料，導軌長度為1000mm（710A）/1500mm（715A）。具有外形美觀、穩(wěn)定性好、使用方便的特點。該裝置可以開設(shè)17項實驗，用戶也可以根據(jù)需要從中任意選擇其中的幾項。可開設(shè)的實驗見目錄。圖1 方形光具座（鑄鐵）三、儀器成套性WSZ-710A/715A方形光具座實驗裝置包括WSZ-710/715型方形光具座一臺，以及各種滑座、調(diào)整架鏡頭等器件，根據(jù)所選實驗的不同配置不同，成套性詳見裝箱單。四、安裝說明1. 打開包裝箱，按裝箱單清點數(shù)量。2. 將導軌置于桌面上，分別調(diào)整底腳使其穩(wěn)固。3.

4、 新光具座開始使用時清除多余防銹用黃油，但應在導軌上保留足夠的黃油以防生銹。4. 將各器件按照講義要求分別放于導軌上，即可開始實驗。5. 長期不使用時，應將其表面涂抹黃油放置在干燥環(huán)境中。五、參考實驗講義實驗一 用自準法測薄凸透鏡焦距f (測量實驗)一、實驗目的 掌握簡單光路的分析和調(diào)整方法了解、掌握自準法測凸透鏡焦距的原理及方法二、實驗原理當發(fā)光點（物）處在凸透鏡的焦平面時，它發(fā)出的光線通過透鏡后將成為一束平行光。若用與主光軸垂直的平面鏡將此平行光反射回去，反射光再次通過透鏡后仍會聚于透鏡的焦平面上，其會聚點將在發(fā)光點相對于光軸的對稱位置上。三、實驗儀器1、帶有毛玻璃的白熾燈光源S2、品字形

5、物象屏P：SZ-143、凸透鏡L： f=190mm(f=150mm)4、二維調(diào)整架： SZ-075、平面反射鏡M6、 二維調(diào)整架： SZ-077、滑座： TH708、滑座： TH70YZ9、滑座： TH7010、 滑座： TH70四、儀器實物圖及原理圖圖一五、實驗步驟1、 把全部元件按圖一的順序擺放在導軌上，靠攏，調(diào)至共軸。而后拉開一定的距離?？烧{(diào)成如圖一所示的距離2、 前后移動凸透鏡L，使在物像屏P上成一清晰的品字形像。3、 調(diào)M的傾角，使P屏上的像與物重合。4、 再前后微動透鏡L，使P屏上的像既清晰又與物同大小。5、 分別記下P屏和透鏡L的位置a1、a2。6、 把P屏和透鏡L都轉(zhuǎn)180度，

6、重復做前四步。7、 再記下P和L的新位置b1、b2。8、 分別把f=150mm和f=190mm的透鏡各做一遍，并比較實驗值和真實值的差異，并分析其原因。9、 老師可選擇更多規(guī)格的透鏡進行實驗。（選做） 六、數(shù)據(jù)處理 被測透鏡焦距：實驗二 牛頓環(huán)裝置 (測量實驗)一、實驗目的觀察等厚干涉現(xiàn)象，用干涉法測量透鏡表面的曲率半徑二、實驗原理一個曲率半徑很大的平凸透鏡，以其凸面朝下，放在一塊平面玻璃板上（如附圖1），二者之間形成一層厚度由零逐漸增大的空氣膜，若對透鏡投射單色光，則空氣膜下緣面與上緣面反射的光就會互相干涉。從透鏡上看到的干涉花樣是以玻璃接觸點為中心的一組中央疏，邊緣密的明暗相間的同心圓環(huán)條

7、紋，這就是牛頓環(huán)。它是等厚干涉，與接觸點等距離的空氣厚度是相同的。附圖1從附圖1來看，設(shè)透鏡的曲率半徑為R，與接觸點O相距為r處的膜厚為d，其中幾何關(guān)系為： 因R>>d，所以可略去，得： 光線應是垂直入射的，計算光程差時還要考慮光波在平面玻璃上反射會有半波損失，從而帶來/2的附加光程差，所以總的光程差為： 產(chǎn)生暗環(huán)的條件是： 其中m干涉條紋的級數(shù)綜合上面的式子可得到第m級暗環(huán)半徑為：從此式可見，只要波長為已知，測量出第m級暗環(huán)半徑rm，即可得出平凸透鏡的曲率半徑值。但是由于兩鏡面接觸點之間難免存在著細微的塵埃，使光程差產(chǎn)生難以確定的變化，中央暗點就可變成亮點或若明若暗。再者，接觸壓

8、力引起玻璃的變形會使接觸點擴大成一個接觸面，以致接近圓心處的干涉條紋也是寬闊而模糊的。這就給M帶來某種程度的不確定性。為了求得比較準確的測量結(jié)果，可以用兩個暗環(huán)半徑rm和rn的平方差來計算曲率半徑。因，兩式相減得所以：因m和n有著相同的不確定程度，利用m-n這一相對性測量恰好消除了由絕對測量的不確定性帶來的誤差。三、實驗儀器1、鈉光燈2、半透半反鏡3、二維調(diào)整架： SZ-074、牛頓環(huán)5、牛頓環(huán)直立架： SZ-346、讀數(shù)顯微鏡架 : SZ-387、讀數(shù)顯微鏡8、滑座： TH70YZ9、滑座： TH7010、滑座： TH70Z四、儀器實物圖及原理圖圖二五、實驗步驟1、 調(diào)節(jié)牛頓環(huán)裝置三個螺釘，

9、使接觸點O大致在中心，螺釘?shù)乃删o程度應合適，太松則接觸點不穩(wěn)定，太緊則將鏡片壓碎。將牛頓環(huán)置于牛頓環(huán)直立架上。2、 把全部器件按圖二的順序擺放在導軌上，靠攏后目測調(diào)至共軸。3、 點亮鈉光燈，使鈉光垂直射到半透半反鏡上，調(diào)節(jié)半透半反鏡的角度和位置。此時顯微鏡上看到明亮的視場，前后移動顯微鏡就可觀察到等厚干涉同心圓環(huán)。六、數(shù)據(jù)處理可用測微目鏡的鼓輪測出=20、15、10、5牛頓環(huán)直徑，用環(huán)差法:m-n=5，再由已知波長=5893Å和公式，可求得牛頓環(huán)透鏡的曲率半徑R（）,（）和R（），三個值求平均就可以得出牛頓環(huán)的曲率半徑的大小。實驗三 測節(jié)點位置及透鏡組焦距 (測量實驗)一、實驗目的了

10、解透鏡組節(jié)點的特性，掌握測透鏡組節(jié)點的方法。二、實驗原理光學儀器中的共軸球面系統(tǒng)、厚透鏡、透鏡組，常把它作為一個整體來研究。這時可以用三對特殊的點和三對面來表征系統(tǒng)在成像上的性質(zhì)。若已知這三對點和三對面的位置，則可用簡單的高斯公式和牛頓公式來研究起成像規(guī)律。共軸球面系統(tǒng)的這三對基點和基面是：主焦點（F，F(xiàn)'）和主焦面，主點（H，H'）和主平面，節(jié)點（N，N'）和節(jié)平面。如附圖1，附圖1附圖2實際使用的共軸球面系統(tǒng)透鏡組，多數(shù)情況下透鏡組兩邊的介質(zhì)都是空氣，根據(jù)幾何光學的理論，當物空間和像空間介質(zhì)折射率相同時，透鏡組的兩個節(jié)點分別與兩個主點重合，在這種情況下，主點兼有節(jié)點

11、的性質(zhì)，透鏡組的成像規(guī)律只用兩對基點（焦點，主點）和基面（焦面，主面）就完全可以確定了。根據(jù)節(jié)點定義，一束平行光從透鏡組左方入射，如附圖2，光束中的光線經(jīng)透鏡組后的出射方向，一般和入射方向不平行，但其中有一根特殊的光線，即經(jīng)過第一節(jié)點N的光線PN，折射后必然通過第二節(jié)點N'且出射光線N'Q平行與原入射光線PN。設(shè)NQ與透鏡組的第二焦平面相交于F''點。由焦平面的定義可知，PN方向的平行光束經(jīng)透鏡組會聚于F''點。若入射的平行光的方向PN與透鏡組光軸平行時，F(xiàn)''點將與透鏡組的主焦點F'重合，如附圖3附圖3綜上所述，節(jié)點應具

12、有下列性質(zhì)：當平行光入射透鏡組時，如果繞透鏡組的第二節(jié)點N'微微轉(zhuǎn)過一個小角，則平行光經(jīng)透鏡組后的會聚點F'在屏上的位置將不橫移，只是變得稍模糊一點兒，這是因為轉(zhuǎn)動透鏡組后入射于節(jié)點N的光線并沒有改變原來入射的平行光的方向，因而NQ的方向也不改變，又因為透鏡組是繞N'點轉(zhuǎn)動，N點不動，所以N'Q線也不移動，而像點始終在N'Q線上，故F''點不會有橫向移動，至于NF''的長度，當然會隨著透鏡組的轉(zhuǎn)動有很小的變化，所以F''點前后稍有移動，屏上的像會稍有模糊一點。反之，如果透鏡組繞N'點以外的點轉(zhuǎn)動，則

13、F''點會有橫向移動，利用節(jié)點的這一特性構(gòu)成了下面的測量方法。使用一個能夠轉(zhuǎn)動的導軌，導軌側(cè)面裝有刻度尺，這個裝置就是節(jié)點架。把透鏡組裝在可以旋轉(zhuǎn)的節(jié)點架導軌的上，節(jié)點架前是一束平行光，平行光射向透鏡組。接著將透鏡組在節(jié)點架上前后移動，同時使架做微小的轉(zhuǎn)動。兩個動作配合進行，直到能得到清晰的像，且不發(fā)生橫移為止。這時轉(zhuǎn)動軸必通過透鏡組的像方節(jié)點N'，它的位置就被確定了。并且當N'與H'重合時，從轉(zhuǎn)動軸到屏的距離為N' F'，即為透鏡組的像方焦距f。把透鏡組轉(zhuǎn)180度，使光線由L2進入，由L1射出。利用同樣的方法可測出物方節(jié)點N的位置。三、

14、實驗儀器1、帶有毛玻璃的白熾燈光源S2、1/10mm分劃板F13、二維調(diào)整架： SZ-074、物鏡Lo： fo=190mm5、二維調(diào)整架： SZ-076、透鏡組L1、L2： f1=220mm，f2=300mm7、節(jié)點架： SZ-258、測微目鏡Le（去掉其物鏡頭的讀數(shù)顯微鏡）9、讀數(shù)顯微鏡架 : SZ-3810、滑座： TH70YZ11、滑座： TH70Z12、滑座： TH70Z13、滑座： TH70Z14、滑座： TH7015、白屏： SZ-13四、儀器實物圖及原理圖圖三五、實驗步驟1、 調(diào)節(jié)由F，Lo組成的“平行光管”使其出平行光，可借助于對無窮遠調(diào)焦的望遠鏡來實現(xiàn)。2、 將“平行光管”、

15、待測透鏡組、測微目鏡，按圖三的順序擺放在導軌上，目測調(diào)至共軸。3、 前后移動測微目鏡，使之能看清F處分劃板刻線的像。4、 沿節(jié)點調(diào)節(jié)架導軌前后移動透鏡組，（同時也要相應地移動測微目鏡），直至轉(zhuǎn)動導軌時，F(xiàn)處分劃板刻線的像無橫向移動為止，此時像方節(jié)點N落在節(jié)點調(diào)節(jié)架的轉(zhuǎn)軸上。5、 用白色屏H代替測微目鏡，使分劃板刻線的像清晰的成于白色屏上，分別記下屏和節(jié)點調(diào)節(jié)架在標尺導軌上的位置a、b，再在節(jié)點調(diào)節(jié)架的導軌上記下透鏡組的中心位置（用一條刻線標記）與調(diào)節(jié)架轉(zhuǎn)軸中心（0刻線的位置）的偏移量d。6、 把節(jié)點調(diào)節(jié)架轉(zhuǎn)180度，使入射方向和出射方向相互顛倒，重復3、4、5步，從而得到另一組數(shù)據(jù)a、b、d。

16、六、數(shù)據(jù)處理1、像方節(jié)點N偏離透鏡組中心的距離為：d 透鏡組的像方焦距：f=a-b 物方節(jié)點N偏離透鏡組中心的距離為：d 透鏡組的物方焦距為：f=a-b2、用1：1的比例畫出該透鏡組及它的各個節(jié)點的相對位置。實驗四 自組望遠鏡 (測量實驗)一、實驗目的了解望遠鏡的基本原理和結(jié)構(gòu)，并掌握其調(diào)節(jié)、使用和測量它的放大率的兩種方法。二、實驗原理最簡單的望遠鏡是由一片長焦距的凸透鏡作為物鏡，用一短焦距的凸透鏡作為目鏡組合而成。遠處的物經(jīng)過物鏡在其后焦面附近成一縮小的倒立實像，物鏡的像方焦平面與目鏡的物方焦平面重合。而目鏡起一放大鏡的作用，把這個倒立的實像再放大成一個正立的像，如圖五所示。三、實驗儀器1、

17、帶有毛玻璃的白熾燈光源S2、毫米尺F L=7mm3、二維調(diào)整架： SZ-074、物鏡Lo： fo=225mm5、二維調(diào)整架： SZ-076、測微目鏡Le：（去掉其物鏡頭的讀數(shù)顯微鏡）7、讀數(shù)顯微鏡架 : SZ-388、滑座： TH709、滑座： TH7010、滑座： TH7011、滑座： TH7012、白屏： SZ-13四、儀器實物圖及原理圖圖四五、實驗步驟1、 把全部器件按圖四的順序擺放在導軌上，靠攏后目測調(diào)至共軸。2、 把F和Le的間距調(diào)至最大，沿導軌前后移動Lo，使一只眼睛通過Le看到清晰的分劃板F上的刻線。3、 再用另一只眼睛直接看毫米尺F上的刻線，讀出直接看到的F上的滿量程28條線對

18、應于通過望遠鏡所看到F上的刻線格數(shù)e。4、 分別讀出F、Lo、Le的位置a、b、d。5、 拿掉Le，換上白屏H找到F通過Lo所成的像，讀出H的位置c。六、數(shù)據(jù)處理又望遠鏡的測量放大率：M=140/e望遠鏡的計算放大率： 其中：U1=b-a，V1=c-b，U2=d-c，AB、A'B'如圖四所示。實驗五 自組透射式幻燈機 (測量實驗)一、實驗目的了解幻燈機的原理和聚光鏡的作用，掌握對透射式投影光路系統(tǒng)的調(diào)節(jié)。二、實驗原理幻燈機能將圖片的像放映在遠處的屏幕上，但由于圖片本身并不發(fā)光，所以要用強光照亮圖片，因此幻燈機的構(gòu)造總是包括聚光和成像兩個主要部分，在透射式的幻燈機中，圖片是透明的

19、。成像部分主要包括物鏡L、幻燈片P和遠處的屏幕。為了使這個物鏡能在屏上產(chǎn)生高倍放大的實像，P必須放在物鏡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強的光源（通常采用溴鎢燈）和透鏡L1L2構(gòu)成的聚光鏡。聚光鏡的作用是一方面要在未插入幻燈片時，能使屏幕上有強烈而均勻的照度，并且不出現(xiàn)光源本身結(jié)構(gòu)（如燈絲等）的像；一經(jīng)插入幻燈片后，能夠在屏幕上單獨出現(xiàn)幻燈圖片的清晰的像。另一方面，聚光鏡要有助于增強屏幕上的照度。因此，應使從光源發(fā)出并通過聚光鏡的光束能夠全部到達像面。為了這一目的，必須使這束光全部通過物鏡L，這可用所謂“中間像”的方法來實現(xiàn)。即聚光器使光源成實像，成實像

20、后的那些光束繼續(xù)前進時，不超過透鏡L邊緣范圍。光源的大小以能夠使光束完全充滿L的整個面積為限。聚光鏡焦距的長短是無關(guān)緊要的。通常將幻燈片放在聚光器前面靠近L2的地方，而光源則置于聚光器后2倍于聚光器焦距之處。聚光器焦距等于物鏡焦距的一半，這樣從光源發(fā)出的光束在通過聚光器前后是對稱的，而在物鏡平面上光源的像和光源本身的大小相等。三、實驗儀器1、帶有毛玻璃的白熾燈光源S2、聚光鏡L1： f1=50mm3、二維調(diào)整架： SZ-074、幻燈底片P5、干板架： SZ-126、放映物鏡L2： f2=190mm7、二維調(diào)整架： SZ-078、白屏H： SZ-139、滑座： TH70YZ10、滑座： TH70

21、Z11、滑座： TH70YZ12、滑座： TH70Z13、滑座： TH70四、儀器實物圖及原理圖（見圖五）圖五五、實驗步驟1、 把全部儀器按圖五的順序擺放在導軌上，靠攏后目測調(diào)至共軸。2、 將L2與H的間隔固定在間隔所能達到的最大位置，前后移動P，使其經(jīng)L2在屏H上成一最清晰的像。3、 將聚光鏡L1緊挨幻燈片P的位置固定，拿去幻燈片P，沿導軌前后移動光源S，使其經(jīng)聚光鏡L1剛好成像于白屏H上。4、 再把底片P放在原位上，觀察像面上的亮度和照度的均勻性。并記錄下所有儀器的位置，并算U1、U2、V1、V2的大小。5、 把聚光鏡L1拿去，再觀察像面上的亮度和照度的均勻性。6、 注：演示其現(xiàn)象時的參考

22、數(shù)據(jù)為U1=35，V1=35，U2=300，V2=520。和計算焦距時的數(shù)據(jù)并不相同。六、數(shù)據(jù)處理放映物鏡的焦距：聚光鏡的焦距：其中：、（）為像的放大率（）實驗六 目鏡焦距fe的測量 (測量實驗)一、實驗目的了解、掌握用測量物像放大率來求目鏡焦距fe的原理及方法二、實驗原理焦距的測量可以歸結(jié)為測量焦點到光學系統(tǒng)的某一指定點的距離。測量焦距時，常用到牛頓公式： 。若物空間和像空間的光學介質(zhì)相同，則。線放大率：。三、實驗儀器1、帶有毛玻璃的白熾燈光源S2、1/10mm分劃板F3、二維調(diào)整架： SZ-074、被測目鏡Le(fe=14mm)5、可變口徑二維架： SZ-056、測微目鏡L(去掉其物鏡頭的

23、讀數(shù)顯微鏡)7、讀數(shù)顯微鏡架 : SZ-388、滑座： TH70YZ9、滑座： TH70Z10、滑座： TH70Z11、滑座： TH70四、儀器實物圖及原理圖圖六五、實驗步驟1、 把全部器件按圖六的順序擺放在導軌上，靠攏后目測調(diào)至共軸。2、 在F、Le、L的底座距離很小的情況下，前后移動Le，直至在測微目鏡L中看到清晰的1/10mm的刻線，并使之與測微目鏡中的標尺（mm刻線）無視差。3、 測出1/10mm刻線的寬度，求出其放大倍率m1，并分別記下L和Le的位置a1、b1。4、 把測微目鏡L向后移動3040mm，再慢慢向前移動Le，直至在測微目鏡L中又看到清晰且與毫米標尺刻線無視差的1/10mm

24、的刻線像。5、 再測出像寬，求出m2，記下L和Le的位置a2、b2。六、數(shù)據(jù)處理mx=像寬/實寬像距改變量：被測目鏡焦距：實驗七 阿貝成像原理和空間濾波 （測量實驗）一、實驗目的了解付里葉光學基本原理的物理意義，加深對光學中的空間頻譜和空間濾波等概念的理解。二、實驗原理1、 傅立葉變換在光學成像系統(tǒng)中的應用。在信息光學中、常用傅立葉變換來表達和處理光的成像過程。設(shè)一個xy平面上的光場的振幅分布為g(x,y)，可以將這樣一個空間分布展開為一系列基元函數(shù)的 線性疊加。即 (1)，為x,y方向的空間頻率，量綱為；是相應于空間頻率為，的基元函數(shù)的權(quán)重，也稱為光場的空間頻率，可由下式求得： (2)g(x

25、,y)和實際上是對同一光場的兩種本質(zhì)上等效的描述。當g(x,y)是一個空間的周期性函數(shù)時，其空間頻率就是不連續(xù)的。例如空間頻率為的一維光柵，其光振幅分布展開成級數(shù)： 相應的空間頻率為f=0，。 2、 阿貝成像原理傅立葉變換在光學成像中的重要性，首先在顯微鏡的研究中顯示出來。E.阿貝在1873年提出了顯微鏡的成像原理，并進行了相應的實驗研究。阿貝認為，在相干光照明下，顯微鏡的成像可分為兩個步驟，第一個步驟是通過物的 衍射光在物鏡后焦面上形成一個初級衍射（頻譜圖）圖。第二個步驟則為物鏡后焦面上的初級衍射圖向前發(fā)出球面波，干涉疊加為位于目鏡焦面上的像，這個像可以通過目鏡觀察到。成像的這兩步驟本質(zhì)上就

26、是兩次傅立葉變換，如果物的振幅分布是g(x,y)，可以證明在物鏡后面焦面，上的光強分布正好是g(x,y)的傅立葉變換。（只要令，為波長，F(xiàn)為物鏡焦距）。所以第一步驟起的作用就是把一個光場的空間分布變成為：空間頻率分布；而第二步驟則是又一次傅氏變換將又還原到空間分布。附圖1顯示了成像的這兩個步驟，為了方便起見，我們假設(shè)物是一個一維光柵，平行光照在光柵上，經(jīng)衍射分解成為向不同方向的很多束平行光（每一束平行光相應于一定的空間頻率）。經(jīng)過物鏡分別聚集在后焦面上形成點陣，然后代表不同空間頻率的光束又從新在像平面上復合而成像。 附圖1但一般說來，像和物不可能完全一樣，這是由于透鏡的孔徑是有限的，總有一部分

27、衍射角度較大的高次成分（高頻信息）不能進入到物鏡而被丟棄了，所以像的信息總是比物的信息要少一些，高頻信息主要是反映物的細節(jié)的，如果高頻信息受到了孔徑的阻擋而不能到達像平面，則無論顯微鏡有多大的放大倍數(shù)，也不可能在像平面上分辨出這些細節(jié)，這是顯微鏡分辨率受到限制的根本原因，特別當物的結(jié)構(gòu)是非常精細（例如很密的光柵），或物鏡孔徑非常小時，有可能只有0級衍射（空間頻率為0）能通過，則在像平面上就完全不能形成圖像。3、 光學空間濾波上面我們看到在顯微鏡中物鏡的孔徑實際上起了一個高頻濾波的作用，這就啟示我們，如果在焦平面上人為的插上一些濾波器（吸收板或移相板）以改變焦平面上光振幅和位相就可以根據(jù)需要改變

28、像平面上的頻譜，這就叫做空間濾波。最簡單的濾波器就是把一些特殊形式的光闌插到焦平面上，使一個或幾個頻率分量能通過，而擋住其他頻率分量，從而使像平面上的圖像只包括一種或幾種頻率分量，對這些現(xiàn)象的觀察能使我們對空間傅立葉變換和空間濾波有更明晰的概念。三、實驗儀器1、He-Ne激光器（632.8nm）2、擴束鏡L1： f1=4.5mm3、二維調(diào)整架： SZ-074、準直鏡L2： f2=190mm5、二維調(diào)整架： SZ-076、一維光柵（25L/mm）7、干板架： SZ-128、傅立葉透鏡L3 f3=150mm9、白屏P： SZ-1310、滑座： TH7011、滑座： TH70YZ12、滑座： TH7

29、0Z13、滑座： TH70YZ14、滑座： TH70Z15、滑座： TH70Z16、滑座： TH7017、頻譜濾波器： SZ-32四、儀器實物圖及原理圖圖七五、實驗步驟及數(shù)據(jù)處理1、 用L1、L2組成擴束系統(tǒng)，使其出射的平行激光光束垂直的照射在其狹縫沿鉛直方向放置的一維光柵上。前后移動變換透鏡L3，使光柵（物）清晰的成像于離物兩米以外的墻壁上。此時光柵位置接近于透鏡的前焦面，故透鏡的后焦面就為其傅氏面，該面上光強的分布即為物的空間頻譜。用白屏H在透鏡的后焦面附近慢慢移動，在透鏡后焦面上可以觀察到水平排列的一些清晰光點。這些光點相應于光柵的級衍射極大值，用米尺大約測出各光點與中央最亮點的距離，由

30、以及透鏡的焦距F，光波波長，試求出這些光點相應的空間頻率。位置（mm）空間頻率（1/mm）一級衍射二級衍射三級衍射2、 在L3后焦面（傅氏面）處放入頻譜濾波器，擋去0級以外的各點，觀察像面上有無光柵條紋。3、 調(diào)節(jié)光欄，使0級和±1級最大值通過，觀察像面上的光柵條紋像，再把光欄拿去，讓更高級次的衍射都能通過，再觀察像面上的光柵條紋像，試看這兩種情況的光柵條紋像的寬度有無變化。選做：4、 把一維光柵換成二維正交光柵，再前后移動變換透鏡L3，使光柵（物）清晰的成像于離物兩米以外的墻壁上。這時在透鏡后焦面上觀察到二維的分立光點陣（即 正交光柵的頻譜）。在傅氏面處加一頻譜濾波器，使通過光軸的

31、一系列光點通過，觀察像平面上一維條紋像的方向。5、 將頻譜濾波器轉(zhuǎn)過90度角，讓包含0級的水平的一排光點通過，觀察像平面上一維條紋像的方向。6、 再將頻譜濾波器轉(zhuǎn)過45度角，觀察像面上條紋像的方向。7、 用網(wǎng)格字替換二維光柵，觀察網(wǎng)格字的像的構(gòu)成。8、 再將一個可變圓孔光欄放在付氏面上，逐步縮小光欄，直到只讓光軸上一個光點通過為止，再觀察網(wǎng)格字的像的構(gòu)成，試與沒濾波之前的字相比較。實驗八 菲涅爾雙棱鏡干涉 (測量實驗)一、實驗目的觀察雙棱鏡干涉現(xiàn)象及測定光波波長二、實驗原理利用光的干涉現(xiàn)象進行光波波長的測量，首先要獲得兩束相干光，使之重疊形成干涉，干涉條紋的空間分布既跟條紋與相干光源之間的相對

32、位置有關(guān)，又跟光波波長有關(guān)，從它們之間的關(guān)系式就能測出光波波長。本實驗利用雙棱鏡獲得兩束相干光，如附圖1所示，雙棱鏡是由兩塊底邊相接、折射棱角小于1度的直角棱鏡組成的，從單縫S發(fā)出的單色光的波陣面，經(jīng)雙棱鏡折射后形成兩束互相重疊的光束，它們相當于從狹縫S的兩個虛像S1和S2射出的兩束相干光。于是在波束重疊的區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生了干涉，在該區(qū)域內(nèi)放置的屏上可以觀測到干涉條紋。附圖1如附圖2所示，設(shè)S1與S2的間距為d，縫S至觀察屏的距離為D，O為觀察屏上距S1和S2等距的點，由S1和S2射來的兩束光在O點的光程差為零，故在O點處兩光波互相加強形成零級亮條紋，而在O點兩側(cè)，則排列著明暗相間的等距干涉條紋。附

33、圖2對于屏上距O 點 為x的P點。當D>>d。D>>x時，有d=x/因為D 故dx/D 即=xd/D根據(jù)相干條件，當光程差滿足：（1）=2k()時，即在x=k處（k=0、1、2、），產(chǎn)生亮條紋。（2）=（2k-1）時，即在x=（2k-1）處（k=0、1、2、），產(chǎn)生暗條紋。因此，兩相鄰亮條紋（或暗條紋）間的距離為 干涉條紋的間距為： x=xk+1-xk=d兩個狹縫中心的間距 單色光波波長 D狹縫屏到觀測屏（測微目鏡焦平面）的距離從實驗中測得D，d以及x，即可由上式算出波長。三、實驗儀器1、鈉光燈（可加圓孔光欄）2、凸透鏡L： f=50mm3、二維調(diào)整架： SZ-074、

34、單面可調(diào)狹縫： SZ-225、二維調(diào)整架： SZ-076、菲涅爾雙棱鏡：7、測微目鏡Le（去掉其物鏡頭的讀數(shù)顯微鏡）8、讀數(shù)顯微鏡架 : SZ-389、滑座： TH70YZ10、滑座： TH70YZ11、滑座： TH70Z12、滑座： TH70Z13、凸透鏡L： f=150mm14、二維調(diào)整架： SZ-0715、滑座： TH7016、滑座： TH70四、儀器實物圖及原理圖（見圖八）圖八五、實驗步驟 1、把全部儀器按照圖八的順序在導軌上擺放好(圖上數(shù)值均為參考數(shù)值)，并調(diào)成共軸系統(tǒng)。鈉光燈（可加圓孔光欄）經(jīng)透鏡L聚焦于狹縫上。調(diào)節(jié)單縫和雙棱鏡的棱脊平行，而且由單縫射出的光對稱地照在棱脊的兩側(cè)。2

35、、 用白屏H或直接用眼睛觀測到干涉條紋后，再從測微目鏡中觀測。使相干光束處在目鏡視場中心，并調(diào)節(jié)單縫和棱脊的平行度，使干涉條紋最清晰。雙棱鏡干涉圖樣，應為等間隔的明暗相間的干涉條紋。3、 用測微目鏡測出干涉條紋的間距x，測出單縫到測微目鏡叉絲分劃板的距離D，再用二次成像法測出兩個虛光源的間距d，由x=xk+1-xk=便可求出光波的波長，并與鈉燈的波長實際值比較，分析誤差原因。（二次成像法，在數(shù)據(jù)處理中有講解）。六、數(shù)據(jù)處理二次成像法：保持圖中狹縫、雙棱鏡的位置不動，加入一已知焦距f=150的透鏡放在雙棱鏡后，使單縫與測微目鏡間的距離D>4f，移動透鏡成像時，可以在兩個不同的位置上，從目鏡

36、中看到一大一小兩個清晰的縫像（既虛光源S1、S2的像），測出兩個清晰的像間距d1及d2，根據(jù)物象公式，虛光源S1、S2的間距d=（第一成像）。d=(第二次成像)而s1=，=s2，故 即 代入公式即可求出波長。 實驗九 用位移法測薄凸透鏡焦距f (測量實驗)一、實驗目的了解、掌握位移法測凸透鏡焦距的原理及方法二、實驗原理對凸透鏡而言，當物和像屏間的距離L大于4倍焦距時，在它們之間移動透鏡，則在屏上會出現(xiàn)兩次清晰的像，一個為放大的像，一個為縮小的像。分別記下兩次成像時透鏡距物的距離O1、O2(e=|O1-O2|)，距屏的距離O1'、O2'，根據(jù)光線的可逆性原理，這兩個位置是“對稱”

37、的。 即O1=O2'，O2=O1'則：Le= O1 O2'O1O2'O1=O2'(Le)/而O1'= LO1L(Le)/(L+e)/2 把結(jié)果帶入透鏡的牛頓公式1/s+1/s'=1/f得到透鏡的焦距為由此便可算得透鏡的焦距，這個方法的優(yōu)點是，把焦距的測量歸結(jié)為對于可以精確測定的量L和e的測量，避免了在測量u和v時，由于估計透鏡中心位置不準確所帶來的誤差。三、實驗儀器4、 帶有毛玻璃的白熾燈光源S2、品字形物像屏P：SZ-143、凸透鏡L： f=190mm(f=150mm)4、二維調(diào)整架： SZ-075、白屏H： SZ-136、滑座： TH

38、707、滑座： TH70YZ8、滑座： TH709、滑座： TH70四、儀器實物圖及原理圖（見圖九）圖九五、實驗步驟1、 把全部器件按圖九的順序擺放在導軌上，靠攏后目測調(diào)至共軸，而后再使物屏P和像屏H之間的距離大于4倍焦距。2、 沿標尺前后移動L，使品字形物在像屏H上成一清晰的放大像，記下L的位置a1。3、 再沿標尺向后移動L，使物再在像屏H上成一縮小像，記下L的位置a2。4、 將P、L、H轉(zhuǎn)180度，重復做前三步，又得到L的兩個位置b1、b2。5、 分別把f=150mm和f=190mm的透鏡各做一遍，并比較實驗值和真實值的差異并分析其原因。6、 老師可選擇更多規(guī)格的透鏡進行實驗。（選做）六、

39、數(shù)據(jù)處理 ， ，透鏡焦距：實驗十 夫朗和費單縫衍射 (測量實驗)一、實驗目的觀察夫朗和費衍射圖樣及演算單縫衍射公式二、實驗原理平行光通過狹縫時產(chǎn)生的衍射條紋定位于無窮遠，稱作夫朗和費單縫衍射。它的衍射圖樣比較簡單，便于用菲涅耳半波帶法計算各級加強和減弱的位置。設(shè)狹縫AB的寬度為（如附圖1，其中把縫寬放大了約百倍），入射光波長為，附圖1O點是縫寬的中點，OP0是AB面的法線方向。AB波陣面上大量子波發(fā)出的平行于該方向的光線經(jīng)透鏡L會聚于P0點，這部分光波因相位相同而得到加強。就AB波陣面均分為AO、BO兩個波陣面而言，若從每個波帶上對應的子波源發(fā)出的子波光線到達P0點時光程差為/2，此處的光波因

40、干涉相消成為暗點，屏幕上出現(xiàn)暗條紋。如此討論，隨著角的增大，單縫波面被分為更多個偶數(shù)波帶時，屏幕上會有另外一些暗條紋出現(xiàn)。若波帶數(shù)為奇數(shù)，則有一些次級子波在屏上別的一些位置相干出現(xiàn)亮條紋。若波帶為非整數(shù)，則有明暗相間的干涉結(jié)果?？傊?，當衍射光滿足： （）時產(chǎn)生暗條紋；當滿足： （）時產(chǎn)生明條紋。在使用普通單色光源的情況下（本實驗使用鈉燈），滿足上述原理要求的實驗裝置一般都需要在衍射狹縫前后各放置一個透鏡。但是一種近似的方法也是可行的，就是使光源和觀測屏距衍射縫都處在“遠區(qū)”位置。用一個長焦距的凸透鏡L使狹縫光源SP1成像于觀測屏S上（如附圖2），其中S與SP1的距離稍大于四倍焦距，透鏡大致在這

41、個距離中間，在僅靠L安放一個衍射狹縫SP2，屏S上即出現(xiàn)夫朗和費衍射條紋。附圖2設(shè)狹縫SP2與觀測屏S的距離為b，第k級亮條紋與衍射圖樣中心的距離為xk則 由于角極小，因而。又因為衍射圖樣中心位置不易準確測定，所以一般是量出兩條同級條紋間的距離2xk。由產(chǎn)生明條紋的公式可知： 由此可見，為了求得入射光波長，須測量，a和b三個量。三、實驗儀器1、鈉光燈2、單面可調(diào)狹縫： SZ-223、凸透鏡L1： f=50mm4、二維調(diào)整架： SZ-075、單面可調(diào)狹縫： SZ-226、凸透鏡L2： f=70mm7、二維調(diào)整架： SZ-078、測微目鏡Le（去掉其物鏡頭的讀數(shù)顯微鏡）9、讀數(shù)顯微鏡架 : SZ-

42、3810、滑座： TH70YZ11、滑座： TH70YZ12、滑座： TH70Z13、滑座： TH70Z14、滑座： TH70Z15、滑座： TH70四、儀器實物圖及原理圖圖十五、實驗步驟1、把鈉燈光通過透鏡聚焦到單縫上成為縫光源。再把所有器件按圖十的順序擺放在導軌上，調(diào)至共軸。其中小孔（=1mm）和測微目鏡之間的距離必須保證滿足遠場條件。（圖中數(shù)據(jù)均為參考數(shù)據(jù)）2、調(diào)節(jié)焦距為70的透鏡直至能在測微目鏡中看到衍射條紋。如果無條紋，可以調(diào)節(jié)小孔的大小，直到找到合適的小孔為止。3、仔細調(diào)節(jié)狹縫的寬度，直到目鏡視場內(nèi)的中央條紋兩側(cè)各有可見度較好的3，4條亮紋。記錄單縫和測微目鏡的位置，計算出兩者間的

43、距離b。4、讀出狹縫寬度a，并且記錄下來。六、數(shù)據(jù)處理為了便于計算波長可以設(shè)，且 2xk為兩條同級條紋間的距離選不同的級次k，求出z值，求平均，再計算 七、注：多孔架的8孔大小分別為：0.10mm，0.15mm，0.20mm，0.30mm，0.50mm，0.60mm，1.0mm，2.0mm。實驗十一 夫朗和費圓孔衍射 (測量實驗)一、實驗目的觀察夫朗和費圓孔衍射圖樣二、實驗原理把實驗十的單縫衍射裝置中的單縫以一小孔代替，應用鈉燈光源，可以在透鏡的焦平面上看到圓孔衍射圖樣，衍射圖樣是一組同心的明暗相間的圓環(huán)，可以證明以第一暗環(huán)為范圍的中央亮斑的光強占整個入射光束光強的84%，這個中央光斑稱為艾里

44、斑。經(jīng)計算可知，艾里斑的半角寬度為：式中D是圓孔的直徑。附圖1若透鏡L2的焦距為f，則艾里斑的線半徑由附圖1可知，為 由于一般很小，故。則 三、實驗儀器1、鈉光燈（加圓孔光欄）2、多孔架（1mm）： SZ-213、凸透鏡L： f=70mm4、二維調(diào)整架： SZ-075、測微目鏡Le（去掉其物鏡頭的讀數(shù)顯微鏡）6、讀數(shù)顯微鏡架 : SZ-387、滑座： TH70YZ8、滑座： TH70YZ9、滑座： TH70Z10、滑座： TH70四、儀器實物圖及原理圖圖十一五、實驗步驟1、把所有器件按圖十一的順序擺放在導軌上，調(diào)至共軸。其中光欄和測微目鏡之間的距離必須保證滿足遠場條件。其中衍射孔的大小為1mm

45、。（圖中數(shù)據(jù)均為參考數(shù)據(jù)）2、調(diào)節(jié)透鏡直至能在測微目鏡中看到其中心為亮斑的衍射條紋。3、記錄下艾里斑的直徑e，和計算值進行比較。六、數(shù)據(jù)處理用測微目鏡測出艾里斑的直徑e，由已知衍射小孔直徑d=1mm，焦距f=70mm，可驗證公式的正確性（其中為孔的半徑），本實驗要求實驗環(huán)境很暗。實驗十二 菲涅爾單縫衍射 （演示實驗）一、實驗目的觀察菲涅爾單縫衍射現(xiàn)象二、實驗原理菲涅爾衍射和夫朗和費衍射是研究衍射現(xiàn)象的兩種方法，前者是不需要用任何儀器就可以直接觀察到衍射現(xiàn)象，在這種情況下，觀察點和光源（或其中之一）與障礙物（或孔）間的距離有限，在計算光程和疊加后的光強等問題時，都難免遇到繁瑣的數(shù)學運算。而后者研

46、究的是觀察點和光源距障礙物都是無限遠（平行光束）時的衍射現(xiàn)象，在這種情況下計算衍射圖樣中的光強分布時，數(shù)學運算就比較簡單。所謂光源無限遠，實際上就是把光源置于第一個透鏡的焦平面上，得到平行光束；所謂觀察點無限遠，實際上就是在第二個透鏡的焦平面上觀察衍射圖樣。請讀者在以下的三個實驗中注意觀察。三、實驗儀器1、HeNe激光器（632.8nm）2、小孔徑擴束鏡L： f=6.2mm3、二維調(diào)整架： SZ-074、單面可調(diào)狹縫: SZ-225、白屏H： SZ-136、滑座： TH707、滑座： TH70Z8、滑座： TH70Z9、滑座： TH70四、儀器實物圖及原理圖圖十二五、實驗步驟把所有器件按圖十二

47、的順序擺放在導軌上，調(diào)至共軸。激光器通過擴束鏡（以不滿足遠場條件）投射到單縫上，如圖十二所示，即可在屏幕上出現(xiàn)衍射條紋，緩慢地連續(xù)地將單縫由窄變寬，同時注意屏幕上的圖樣，即可觀察到與理論分析結(jié)果一致的由夫朗和費單縫衍射圖樣過渡到菲涅爾單縫衍射圖樣。也可不加擴束鏡。（圖中數(shù)據(jù)均為參考數(shù)據(jù)）實驗十三 菲涅爾圓孔衍射（演示實驗）一、實驗目的觀察菲涅爾圓孔衍射現(xiàn)象二、實驗原理附圖1如附圖1所示：S單色光源 P光場中任一點S與P之間有一帶圓孔的光屏M，圓孔中心在SP連線上。這時S對P的作用就只是內(nèi)露出的一部分波面上的那些次波源在P點所產(chǎn)生的光振動的疊加。按照波帶法，分別以P為中心，r+2/，r+為半徑將

48、露出的波面分成若干個波帶，各波帶在P點產(chǎn)生振動的振幅為： 當圓孔露出奇數(shù)個波帶時，P點的光強度是約等于的亮點，而當圓孔露出偶數(shù)個波帶時，P點是光強度接近于零的暗點。1、 圓孔的大小變化時，P點周圍呈現(xiàn)出的明暗相間的圓形條紋，會發(fā)生亮暗交替變化。 2、若將P點處的白屏沿軸向移動時，中心點也會產(chǎn)生亮暗交替變化。 三、實驗儀器1、HeNe激光器（632.8nm）2、小孔徑擴束鏡L： f=6.2mm3、二維調(diào)整架： SZ-074、多孔架（0.5mm）： SZ-215、白屏H： SZ-136、滑座： TH707、滑座： TH70Z8、滑座： TH70Z9、滑座： TH70四、儀器實物圖及原理圖 圖十三五

49、、實驗步驟把所有器件按圖十三的順序擺放在導軌上，調(diào)至共軸。只是將實驗十二中的衍射單縫換成直徑0.5mm的衍射圓孔，將屏幕逐漸遠離圓孔，將看到中心點由亮暗亮的衍射結(jié)果，當距離為400mm時，中心是一個暗點，210mm和600mm時為亮點。（圖中數(shù)據(jù)均為參考數(shù)據(jù)），也可去掉擴束鏡，找到合適的圓孔，觀察艾里斑。實驗十四 菲涅爾直邊衍射 （演示實驗）一、實驗目的觀察菲涅爾直邊衍射現(xiàn)象二、實驗原理如附圖1所示：S發(fā)散光源，（垂直于圖面的相干光源） D直邊屏，（不透明）平行于線光源 P白屏K上的任一點 附圖1對于幾何影界上的P點，直邊屏D將下半部的波面全部遮攔，只有上半部波面對P點發(fā)生作用。所以P點的振幅

50、為不遮攔時的一半，而光強度為不遮攔時的1/4。當P''到P的距離逐漸增大時，P''的光強度將單調(diào)減少。P''足夠遠時，光強度趨于零。三、實驗儀器1、HeNe激光器（632.8nm）2、小孔徑擴束鏡L： f=6.2mm3、二維調(diào)整架： SZ-074、刀片5、干板架： SZ-126、白屏H： SZ-137、滑座： TH708、滑座： TH70Z9、滑座： TH70Z10、滑座： TH70四、儀器實物圖及原理圖（見圖十四）五、實驗步驟 把所有器件按圖十四的順序擺放在導軌上，調(diào)至共軸。再把實驗十二裝置中的單縫換成刀片，即可看到直邊衍射圖樣，當觀察點從幾何陰影邊界向外移動時，衍射光強是以類似于衰減振蕩形式分布的，最后趨于無障礙自由傳播的光強，強度的最大值并不在幾何陰影邊界上，而是在直接照明區(qū)內(nèi)稍微靠外的亮區(qū)內(nèi)，衍射條紋的光強單調(diào)的減少，一直到零。（圖中數(shù)據(jù)均為參考數(shù)據(jù)