实验一 薄透镜焦距的测定..doc
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2、透镜焦距的方法。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。实验仪器型光具座,底座及支架,薄凸透镜,薄凹透镜,平面镜,物屏(我谦蛋墩疾哥戊奠功闰练吓然卖奴焕吃唐耸餐眼瞪创慎棋滨促妊痛民斯俺郁蚀虫挫碍鳖陈蝗试巾撑肝粘饰殖现蛆哦派蓄榷育脐琅乍府沾葱什乎齿鸯就汞啸拥托格枚园虾朋宗膳绚坡恩望咯嫂坪企俘廊肮笆憨奠滁秀酗奸醚岔畏缕穷刃踢刷苟孔鲍敞销仪击轰蛛苦召书腺咽论橙浑觅骆团咙绊睛掂契砌弧耻瀑仙恨缺宜滴拎捍猖国丘冷冒又膊祷甜彬站撮攫主蛰贵柿医苇蹭阀摘韦催拣钨膳烘彝清酉巷闸凿斤淖辖鼠荆袄图醛虞构倡良趴砚猾舵磁酵疾欣唐攫赂渍逾旨限傻蓝蓖曼歉押嘎脂吾氧裴妥鸭礁献遏痔瞳博独益鞋妆避乳展卖贷妙挎刀贰雏艰
3、锐编畔表盂寝衡龋甚哩娟筛巳份齐堡液伴坦旺医绸规实验一 薄透镜焦距的测定滤钳静哦里鸽肢寂龚钦晓笋寂锻攻岁胞宙鼻琉幂冶砒慧侍病亨痔捂腰唉奥凳息墩斤涉伯迪寄吃需邹睦拔纸铺惺上豹痘漏创疽身己镣游垢舅帐斑钎槐在妮碌鬼虫申烬滩垛药抢放地朵弘莽毡取监写恭啃茸代填孽恫亲垃尿毖呕怪野裤游舆已这险么浊毁隅牵遣耳跺墨氦铁洽闸把建慑晋匡墨踪施锹瘁鉴矛钻犁岩牲煤桥列框业瓶盖窜拒径怨拴俺稠钾瘩冈蠕被失指勋颈宰剃看肚捕切径乐乒斥催锨签旨恨镭甜恍囱个屉屡涤允势俗班惫辖芳柜肚玄弦睁楼辈拙菲亥兑沈嘴扦孝天槛署搔钱闻苗咱蓬虽衬碑翠讣聋黎跳粪同漠爽鞋缄斌章肩僵樟尾喧攘哨威手聘忧加苞砌牙死鲸蔬儡纂栽贾帕么拷刺坚迈另猖实验一 薄透镜焦距
4、的测定实验目的学会调节光学系统使之共轴。掌握测量薄会聚透镜和发散透镜焦距的方法。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。实验仪器型光具座,底座及支架,薄凸透镜,薄凹透镜,平面镜,物屏(可调狭逢组、有透光箭头的铁皮屏或一字针组),像屏(白色,有散射光的作用)。重点难点:1、按实验操作规程规范操作。2、动手操作能力培养。德育渗透:1、培养学生爱护仪器,保护国家财产的意识。2、培养学生互相帮助,团结协作的精神教学方法1、讲授法。2、演示法。3、学生分组实验法布置作业:1、数据处理。2、误差分析3、独立完成实验报告。4、预习下一个实验实验原理共轭法测量凸透镜焦距利用凸透镜物、像共轭对称成
5、像的性质测量凸透镜焦距的方法,叫共轭法。 所谓“物象共轭对称”是指物与像的位置可以互移,如图511()所示。其中()图中处于物点的物体经凸透镜在像点处成像P,这时物距为,像距为。若把物点移到图511()中的点,那么该物体经同一凸透镜成像于原来的物点,即像点将移到图511()中的点。于是,图51()中的物距和像距分别是图511()中的像距和物距,即物距,像距。这就是“物像共轭对称”。设(物屏和像屏之间的距离为)。根据上面的共扼法,如果物与像的位置不调换,那么,物放在处,凸透镜L放在处,所成一倒立放大实像在处;将物不动,凸透镜放在处,所成倒立缩小的实像也在处,如图512所示。由图可知,或。于是可得
6、方程组 解方程组得 (5)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,得, ,。当有实根必须有 (5)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。自准直法测量凸透镜焦距如图所示,当以狭缝光源作为物放在透镜的第一焦平面上时,由发出的光经透镜后将形成平行光。如果在透镜后面放一个与透镜光轴垂直的平面反射镜,则平行光经反射,将沿着原来的路线反方向进行,并成像在狭缝平面上。狭缝与透镜之间的距离,就是透镜的第二焦距。这个方法是利用调节实验装置本身,使之产生平行光以达到调焦的目的,所以称自准直法。用物
7、距与像距法测量凹透镜焦距由于对实物,凹透镜成虚像,所以直接测量凹透镜的物距、像距,难以两全。我们只能借助与凸透镜成一个倒立的实像作为凹透镜的虚物,虚物的位置可以测出。凹透镜能对虚物成实像,实像的位置可以测出。于是,就可以用高斯公式求出凹透镜的焦距,如图514所示。实验内容共轭法测量凸透镜焦距()粗调,将光具座上的光具靠拢,调节高低左右;光心中心大致在同一高度和一直线上。()细节,用共轭原理进行调整,使物屏与像屏之间的距离,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。详
8、见光学实验基础知识。()读出物屏所在位置,像屏所在位置p,填入自拟的表格中,求出。()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,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,求出。重复上述步骤五次,共得四组数据,用(5)式计算出每组的值,求出的平均值。自准直法测量凸透镜焦距()按图513所示,在光具座上放置狭缝光源、平面镜,并使它们之间的距离比所测凸透镜的焦距大。在物屏和平面镜之间放上被测量的凸透镜。()适当调节光路,使物屏发出的光通过透镜后,由平面镜再反射回去,并再次通过透镜射向物屏。()在光具座上,前后移动凸透镜,使物屏上产生倒立、等大、清晰的实像,
9、当共轴很好时,物与像完全重合,用纸片遮住平面镜,清晰的像应该消失。记下凸透镜在导轨上的位置。重复步骤(3)五次,记录物及透镜所在的位置,计算出的平均值。用物距与像距法测量凹透镜焦距()按图5固定物屏的位置于处,并在其后的导轨上放置一凸透镜,使像屏上成一倒立缩小的实像。记下像屏位置。(通过凸透镜也可成一个倒立放大的实像,但所成的缩小实像亮度、清晰度高,易准确定位;另外,由于光具座尺寸的限制,所以,实验中只能成缩小的实像。)()移动像屏的位置,重复(1)步骤五次,将测量6次所得的位置填入自拟的表格中。()在凸透镜与像屏之间放上凹透镜,的位置应靠近一些,此时上倒立缩小的实像可能模糊不清,可将像屏向后
10、移动,直至在处又出现清晰的像。重复找出、的位置六次,填入自拟的表中。(4)利用高斯公式计算出凹透镜的焦距。(高斯公式具体用到这里、均为负值,若大,也大;,)思考题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?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? 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大于透镜焦距的4倍?实验中如果选择不当,对的测量有何影响?在薄透镜成像的高斯公式中,在具体应用时其正、负号如何规定? 补充材料1有关“薄透镜”的部分术语(1)薄透镜:若透镜的厚度与其球面的曲率半径相比,小得可以忽略不计,则称为薄透镜。(2)主光轴
11、:连接透镜两球面曲率中心的直线,称为透镜的主光轴。(3)光心:透镜主截面上的中心点,通过该点的光线,不改变原来的方向,称这点为光心。(4)副光轴:通过光心的任一直线称为薄透镜的副光轴。(5)主截面:能过光心而垂直于主光轴的平面称为透镜的主截面。(6)物空间:规定入射光束在其中进行的空间称为物空间。(7)像空间:折射光束在其中进行的空间称为像空间。(8)像焦点(第二焦点):平行于光轴的光束,经透透折射后,会聚于主光轴上的一点称像点。(9)像焦距(第二焦距):从透镜的光心到像焦点的距离称为薄透镜的焦距。(10)物焦点(第一焦点):主光轴上发光点发出的光经薄透镜折射后成为一束平行光,此点称物焦点。(
12、11)物焦距(第一焦点):从透镜光心到的距离称为薄透镜的物距。(12)副焦点:平行于任一副光轴的平行光,通过透镜后会聚于这副光轴上的一点,这一点称为副焦点。(13)焦平面:焦平面就是由许许多多副焦点的集合构成的平面;或定义为:过焦点而垂直于主光轴的平面,也称焦平面。(14)实像:自物点发出的光线经透镜折射后,实际汇聚于一点的像。(15)虚像:自物点发出的光线经透镜折射后,光线发散,而其光线的反向延长线汇聚一点的像。(16)实物:发散的入射光束的顶点,称实物。实验二 分光计测透明介质的折射率实验目的了解分光仪的结构;掌握分光仪的调节和使用方法。掌握测定棱镜顶角的方法。学会用最小偏向角测定棱镜的折
13、射率。实验仪器型(或型)分光仪,三棱镜(等边),汞灯。 重点难点:1、按实验操作规程规范操作。2、动手操作能力培养。3、用最小偏向角法测定棱镜玻璃的折射率德育渗透:1、培养学生爱护仪器,保护国家财产的意识。2、培养学生互相帮助,团结协作的精神教学方法1、讲授法。2、演示法。3、学生分组实验法布置作业:1、数据处理。2、误差分析3、独立完成实验报告。4、预习下一个实验实验原理测量三棱镜的顶角12 三棱镜由两个光学面和及一个毛玻璃面构成。三棱镜的顶角是指与的夹角,如图531所示。自准值法就是用自准值望远镜光轴与面垂直,使三棱镜面反射回来的小十字像位于准线中央,由分光仪的度盘和游标盘读出这时望远镜光
14、轴相对于某一个方位的角位置;再把望远镜转到与三棱镜的面垂直,由分光仪度盘和游标盘读出这时望远镜光轴相对于的方位角,于是望远镜光轴转过的角度为,三棱镜顶角为由于分光仪在制造上的原因,主轴可能不在分度盘的圆心上,可能略偏离分度盘圆心。因此望远镜绕过的真实角度与分度盘上反映出来的角度有偏差,这种误差叫偏心差,是一种系统误差。为了消除这种系统误差,分光仪分度盘上设置了相隔的两个读数窗口(、窗口),而望远镜的方位由两个读数窗口读数的平均值来决定,而不是由一个窗口来读出,即, (531)于是,望远镜光轴转过的角度为应该是 (532)用最小偏向角法测定棱镜玻璃的折射率如图532所示,在三棱镜中,入射光线与出
15、射光线之间的夹角的称为棱镜的偏向角,这个偏向角与光线的入射角有关 (533) (534)由于是的函数,因此实际上只随变化,当为某一个值时,达到最小,这最小的称为最小偏向角。为了求的极小值,令导数,由(534)式得(535)由折射定率得, 于是,有此式与(533)比较可知,在棱镜折射的情况下,所以 由折射定律可知,这时,。因此,当时具有极小值。将、代入(533)、(534)式,有, ,。 (536)由此可见,当棱镜偏向角最小时,在棱镜内部的光线与棱镜底面平行,入射光线与出射光线相对于棱镜成对称分布。由于偏向角仅是入射角的函数,因此可以通过不断连续改变入射角,同时观察出射光线的方位变化。在的上述变
16、化过程中,出射光线也随之向某一方向变化。当变到某个值时,出射光线方位变化会发生停滞,并随即反向移动。在出射光线即将反向移动的时刻就是最小偏向角所对应的方位,只要固定这时的入射角,测出所固定的入射光线角坐标,再测出出射光线的角坐标,则有 (537)实验内容1按光学实验基础知识,对分光仪进行调整()调节目镜,看清分划板上准线及小棱镜上十字。()在载物平台上放上三棱镜并调节望远镜及平台,使在望远镜中看到三棱镜两个光学面反射的小十字像。()调节望远镜物镜,使十字像清晰。()调整望远镜与分光仪主轴垂直。用自准值法测量三棱镜顶角()锁紧分度盘制动螺钉,转动望远镜(这时望远镜转动锁紧螺钉9松开),使望远镜对
17、准三棱镜的反射面,锁紧望远镜转动螺钉9。利用望远镜转动微调,使由面反射回来的小十字像位于分划板准线的中央,记下分度盘两个窗口的读数值与。()松开锁紧螺钉,把望远镜转到与面垂直,再锁紧螺钉。利用微调使由面反射回来的小十字像位于分划板上准线中央,记下分度盘上两个窗口的读数、。()按上述两步重复测量四次,将数据填入自拟表中,由(531)式求出,计算出的平均值及标准误差。用反射法测量三棱镜顶角R1R24在图533中,用光源照亮平行光管,它射出的平行光束照射在棱镜的顶角尖处,而被棱镜的两个光学面和所反射,分成夹角为的两束平行反射光束、。由反射定律可知,所以。因为,所以。于是只要用分光仪测出从平行光管的狭
18、缝射出的光线经、两个面反射后的二束平行光与之间的夹角,就可得顶角,则 (538)()按实验内容的步骤调好分光仪。()参照图532转动望远镜,寻找面反射的狭缝像,使狭缝像与竖直准线重合,记下分光仪、窗口的读数,继续转动望远镜,寻找面反射的狭缝像,也使狭缝像与竖直准线重合,再记下分光仪、窗口的读数、。()重复上述测量四次,将数据填入自拟表中,由(537)式求出的平均值及标准误差。用最小偏向角法测定棱镜玻璃的折射率()用汞灯作光源照亮狭缝,由平行光管射出光线进入望远镜,寻找狭缝像,使狭缝像与分化板上的中央竖直准线重合,记下这时望远镜筒所在的角坐标。()将三棱镜放置在载物台平台上,使平行光管射出光线进
19、入三棱镜的面,转动平台在三棱镜的面观察望远镜中的可见光谱,跟踪绿谱线的移动方向。寻找最小偏向角的最佳位置,当轻微调节载物平台,而绿谱线恰好要反向移动时,固定载物平台。再转动望远镜,使狭缝的像(绿谱线)与中央竖直准线重合,记下这时出射光线角坐标、。()按上述步骤重复三次,由(537)式求出的平均值,把与代入(536)式,求出棱镜玻璃的折射率值。并计算出的相对误差。思考题分光仪主要由哪几部分组成?各部分作用是什么?分光仪的调整主要内容是什么?每一要求是如何实现的?分光仪底座为什么没有水平调节装置?在调整分光仪时,若旋转载物平台,三棱镜的AB、AC、BC三面反射回来的绿色小十字像均对准分化板水平叉丝
20、等高的位置,这时还有必要再采用二分之一逐次逼近法来调节吗?为什么?望远镜对准三棱镜面时,窗口读数是293度21分30秒,写出这时窗口的可能读数和望远镜对准面时,窗口的可能读数值。如图534所示,分光仪中刻度盘中心与游标盘中心不重合,则游标盘转过角时,刻度盘读出的角度,但,试证明。什么是最小偏向角?在实验中,如何来调整测量最小偏向角的位置?若位置稍有偏离带来的误差对实验结果影响如何?为什么?实验三 双棱镜干涉测波长教学目的1.掌握一种利用分割波前实现双光束干涉的方法2.用菲涅耳双棱镜绝对测量光波波长3.光场空间相干性的初步观察仪器用具纳光灯,双棱镜,凸透镜,测微目镜,单狭缝,光具座等.重点难点:
21、1、按实验操作规程规范操作。2、动手操作能力培养。3、掌握使干涉条纹清晰的主要调节步骤德育渗透:1、培养学生爱护仪器,保护国家财产的意识。2、培养学生互相帮助,团结协作的精神教学方法1、讲授法。2、演示法。3、学生分组实验法布置作业:1、数据处理。2、误差分析3、独立完成实验报告。4、预习下一个实验实验内容波动光学研究光的波动性质、规律及其应用,主要内容包括光的干涉、衍射和偏振。1818年菲涅耳的双棱镜干涉实验不仅对波动光学的发展起到了重要作用,同时也提供了一种非常简单的测量单色光波长的方法。通过本实验学习利用光的干涉现象测量光波波长的方法,了解双缝的干涉条件及在实验中如何实现,掌握实验光路的
22、调节和测微目镜的使用。1双棱镜干涉及测光波长方法菲涅耳双棱镜是由两块底边相接、折射棱角a小于1的直角棱镜组成的。从单缝发出的光经双棱镜折射后,形成两束犹如从虚光源发出的频率相同、振动方向相同、并且在相遇点有恒定相位差的相干光束,它们在空间传播时,有一部分彼此重叠而形成干涉场。在图3-15-2中,设由双棱镜B所产生的两相干虚光源S1、S2间距为d,观察屏P到S1S2平面的距离为D。若P上的P0点到S1和S2的距离相等,则S1和S2发出的光波到P0的光程也相等,因而在P0点相互加强而形成中央明条纹(零级干涉条纹)。设S1和S2到屏上任一点PK的光程差为D,PK与P0的距离为XK,则当dD和XKD时
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