大物光学实验
实验一 薄透镜焦距的测定
实验类型: 验证型 实验类别:专业基础 实验学时: 3 所属课程: 光学 一、实验目的
1、掌握会聚透镜和发散透镜焦距的测量方法。 2、验证透镜成像公式,学会光学系统的共轴调节。 二、实验要求:
1、预习会聚透镜焦距的测量方法。方法1:利用高斯公式求焦距。方法2:利用贝塞尔法求焦距。
2、预习发散透镜焦距的测量方法:辅助透镜成像法求焦距。 三、实验仪器设备
光具座;会聚透镜;发散透镜;光源;像屏;物屏 四、实验方案
1、 光具座上各光学元件的共轴调节
因物距、像距都是沿光轴计算长度的,而长度是靠光具座上的标尺刻度来读数。为准确测量,透镜光轴应与光具座的导轨平行。并且各透镜应调节到共同的光轴上,且光轴与导轨平行。这些步骤称共轴调节,调节方法如下:
① 粗调 把透镜、物、屏等用光具夹夹好后,先将它们靠拢,调节高低适
中。使光源、“1”字中心、透镜中心、光屏中央大致在一条和导轨平行的直线上。并使透镜、屏的平面等互相平行且垂直于导轨。这一步骤靠眼睛观察判断。
② 细调 靠成像规律来判断。若“1”字的中心偏离透镜的光轴,那么在
移动透镜的过程中,像的中心位置会改变,即大像和小像的中心不重合。此时可根据偏移方向判断“1”字中心究竟是偏左还是偏右,偏上还是偏下,然后加以调整。
2、测量薄凸透镜的焦距
注意使D>4f,固定“1”字屏与像屏的位置。反复多次判断成放大像和缩小像时透镜的位置(光具凳红线指示为准,读到0.1mm),记下“1”字屏、凸透镜、像屏的位置, 将数据填表。
3、测量凹透镜的焦距
先用凸透镜成缩小像,记下像的位置。然后放上凹透镜,注意透镜的光轴要共轴。移动凹透镜和像屏,反复多次判断成像的位置,记录数据并填表。
一、实验报告要求
1、实验报告要规范整洁,数据记录真实,数据处理按实验误差理论进行。
测量误差计算公式为:N
(fi)2
i1
n
n(n1)
(n为测量次数)
测量结果表示为:fN 二、思考题
共轴调节的目的是实现哪些要求,不满足这些要求对测量会有什么影响?
实验 二 用牛顿环测量透镜的曲率半径
实验类型:验证 实验类别:专业基础课 实验学时:(3) 所属课程:物理光学
所涉及的课程和知识点:《物理光学》。牛顿环装置是由一块曲率半径较大的平凸玻璃透镜,以其凸面放在一块光学玻璃平板(平晶)上构成的,如图1所示。平凸透镜的凸面与玻璃平板之间的空气层厚度从中心到边缘逐渐增加,若以平行单色光垂直照射到牛顿环上,则经空气层上、下表面反射的二光束存在光程差,它们在平凸透镜的凸面相遇后,将发生干涉。从透镜上看到的干涉花样是以玻璃接触点为中心的一系列明暗相间的圆环,称为牛顿环。由于同一干涉环上各处的
空气层厚度是相同的,因此它属于等厚干涉。
图1装置图
图2牛顿环
由图1可见,如设透镜的曲率半径为R,与接触点O相距为r处空气层的厚度为d,其几何关系式为:
R2Rdr2
2
R22Rdd2r2 由于R>>d,可以略去d2得
r2
(1) d2R
•• 光线应是垂直入射的,计算光程差时还要考虑光波在平玻璃板上反射会有半波损失,从而带来λ/2的附加程差,所以总程差为 ••
2d产生暗环的条件是: ••
2k1
2
(2)
2
(3)
其中k=0,1,2,3,...为干涉暗条纹的级数。综合上述式子可得第k级暗环的半径为:
2•• k
rkR (4)
由(4)式可知,如果单色光源的波长已知,测出第m级的暗环半径rm,即可得出平凸透镜的曲率半径R;反之,如果R已知,测出rm后,就可计算出入射单色光波的波长。但是用此测量关系式往往误差很大,原因在于凸面和平面不可能是理想的点接触;接触压力会引起局部形变,使接触处成为一个圆形平面,干涉环中心为一暗斑。
或者空气间隙层中有了尘埃,附加了光程差,干涉环中心为一亮(或暗)斑,均无法确定环的几何中心。实际测量时,我们可以通过测量距中心较远的两个暗环的半径rm和rn的平方差来计算曲率半径R。因为
•• rm2=mR rn2=nR 两式相减可得
•• rm2rn2Rmn
所以•• Rrmrn (5)
mn
由于测量中很难确定牛顿环中心的确切位置,所以可用测量直径来代替半径的测量。
2
2
DD
R
4mn
2m2n
(6)
•• 由上式可知,只要测出Dm与D(分别为第m与第n条暗环的直径)n的值,就能算出R或。这样就可避免实验中条纹级数难于确定的困难,利用后一计算式还可克服确定条纹中心位置的困难。
一、实验目的
1.进一步熟悉移测显微镜使用,观察牛顿环的条纹特征。 2.利用等厚干涉测量平凸透镜曲率半径。 • 3. 学习用逐差法处理实验数据的方法。 二、实验要求
1. 课前必须认真阅读教材和有关资料,掌握等厚干涉的原理。并到实验室看
一下实验设备,基本了解有关的测量仪器的使用方法,明确哪些物理量是间接测量,哪些是直接测量,用什么方法和测量仪器来测定等。
2. 写出预习报告。内容包括:实验的目的要求、实验内容和原理的或设计的
知识点、实验条件、实验方法、步骤、操作过程或实验设计方案、记录数据的表格。预习报告中最重要的是拟定出主要实验步骤和指明作好实验的关键,不可照抄教材,在预习中要对做好本次实验的几个关键步骤作到心中有数,绝不可应付了事。
3. 写出实验方案。包括安排实验步骤、记录数据的表格、数据处理及问题分
析
三、实验仪器设备及材料 牛顿环仪,移测显微镜,低压钠灯 四、实验方案
1. 调整显微镜的十字叉丝与牛顿环中心大致重合。
2. 转动测微鼓轮,使叉丝的交点移近某暗环,当竖直叉丝与条纹相切时(观察时
要注意视差),从测微鼓轮及主尺上读下其位置x。为了熟练操作和正确读数,在正式读数前应反复练习几次,直到同一个方向每次移到该环时的读数都很接近为止。
3. 在测量各干涉环的直经时,只可沿同一个方向旋转鼓轮,不能进进退退,以
避免测微螺距间隙引起的回程误差。在测量某一条纹的直径时,如果在左侧测的是条纹的外侧位置,而在右侧测的是条纹的内侧位置,此条纹的直径可认为就等于这两个位置之间的距离。因为实验时主要测量间隔为k个干涉环的两个暗环的直经平方差。为了减少读数误差,应将k值取得大一些。如取k=10,则干涉条纹的相对误差就可减小近10倍。只要依次测出从k=3~22的每一暗环的直经,利用逐差法分组求取条纹的直经平方差,则可获得较好的R的实验值。 4. 数据处理
22
DmDn
根据计算式R,对,Dm、Dn分别测量n次,因而可得n个Ri值,
4mn
n
于是有Ri,我们要得到的测量结果是RR。下面将简要介绍一下R
i1
的计算。
22
D2DmDn22
R
1
2410 RR
5.注意事项:
••1.牛顿环仪、透镜和显微镜的光学表面不清洁,要用专门的擦镜纸轻轻揩拭。
••2.测量显微镜的测微鼓轮在每一次测量过程中只能向一个方向旋转,中途不能反转。
••3.当用镜筒对待测物聚焦时,为防止损坏显微镜物镜,正确的调节方法是使镜筒移离待测物(即提升镜筒)。
五、考核形式 :操作
评分标准:预习20分,包含实验原理,实验内容和步骤等内容的预习 实验操作与实验数据的完整与准确30分 数据处理的正确性20分 结果表达10分 分析与讨论20分 六、实验报告
1. 实验名称、实验者姓名、实验日期 2. 实验目的
3. 实验原理和方法。简要叙述,不要照抄教材。 4. 实验仪器(型号、编号、规格)及装置 5. 实验步骤
6. 实验数据和处理,这是报告的核心,要认真计算和处理。
7. 小结。对实验中感到最深刻、最有收获的地方,可以作一小结。包括回答思
考题,提出实验结论或提出自己的看法等。小结全文不要超过200字。原始记录随同实验报告在实验完后的第三天必须交上,由任课教师批改,下次上课时反馈给学生。 七、思考题
1.牛顿环干涉条纹形成在哪一个面上?产生的条件是什么? 2.牛顿环干涉条纹的中心在什么情况下是暗的?什么情况下是亮的
3.分析牛顿环相邻暗(或亮)环之间的距离(靠近中心的与靠近边缘的大小)。 4.为什么说测量显微镜测量的是牛顿环的直经,而不是显微镜内被放大了的直经?若改变显微镜的放大倍率,是否影响测量的结果。 5.如何用等厚干涉原理检验光学平面的表面质量?