WSZ系列光學平臺參考實驗講義v1.3

前  言

WSZ型光學實驗平臺是根據教育部高教普物光學實驗大綱的要求而設計的。平臺系統由光學實驗平臺、平臺工作臺、多維調整架、光源、光學元件組成。教師可以根據實驗要求，選擇合適的組件安排實驗，進行開放式教學，培養學生的思維能力及實驗技巧，提高教學質量。

該產品分幾何光學、物理光學及近代光學三大類，共26個實驗項目。其中幾何光學實驗8個，物理光學實驗11個，近代光學實驗7個。其中有9個是演示實驗，其他均為測量實驗。加*的二十七和二十八實驗為選做實驗。對于書中所列的數據和透鏡焦距的大小要靈活使用，無須嚴格按照書中的數值處理實驗。儀器采用開放式教學，老師可以根據實驗要求選用合適的通用組件安排多種實驗。

由于時間倉促，水平有限，參考講義中難免有各種缺陷，參考講義僅供各位老師參考。

請各位老師多提寶貴意見，謝謝！

單 位：天津拓普儀器有限公司

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目   錄

光學實驗預備知識

實驗一     用自準法測薄凸透鏡焦距f ………………………………………………6

實驗二     用位移法測薄凸透鏡焦距f ………………………………………………8

實驗三     目鏡焦距fe的測量 ………………………………………………………10

實驗四     自組顯微鏡 ………………………………………………………………12

實驗五     自組望遠鏡 ………………………………………………………………14

實驗六     自組透射式幻燈機（投影系統） ………………………………………16

實驗七     測節點位置及透鏡組焦距 ………………………………………………18

實驗八     自組加雙保羅棱鏡的正像望遠鏡 ………………………………………21

實驗九     楊氏雙縫干涉 ……………………………………………………………23

實驗十     菲涅爾雙棱鏡干涉 ………………………………………………………26

實驗十一   菲涅爾雙面反射鏡干涉 …………………………………………………29

實驗十二   勞埃德鏡干涉 ……………………………………………………………32

實驗十三   牛頓環裝置 ………………………………………………………………34

實驗十四   夫郎和費單縫衍射 ………………………………………………………37

實驗十五   夫郎和費圓孔衍射 ………………………………………………………40

實驗十六   菲涅爾單縫衍射 …………………………………………………………42

實驗十七   菲涅爾圓孔衍射 …………………………………………………………43

實驗十八   菲涅爾直邊衍射 …………………………………………………………45

實驗十九   偏振光分析 ………………………………………………………………47

實驗二十   棱鏡攝譜儀 ………………………………………………………………53

實驗二十一 光柵單色儀 ………………………………………………………………55

實驗二十二 全息照相 …………………………………………………………………58

實驗二十三 制作全息光柵 ……………………………………………………………63

實驗二十四 阿貝成像原理和空間濾波 ………………………………………………66

實驗二十五 θ調制和顏色合成 ………………………………………………………70

實驗二十六 測量空氣折射率 …………………………………………………………72

*實驗二十七 等傾干涉  ………………………………………………………………76

*實驗二十八 法布里—珀羅干涉  ……………………………………………………80

參考文獻

光學實驗預備知識

光學實驗是普通物理實驗的一個重要部分。這里先介紹光學實驗中經常用到的知識和調節技術。初學者在做實驗以前應認真閱讀這些內容，并且在實驗中遵守有關規則和靈活運用有關知識。

一、光學元件和儀器的維護

透鏡、棱鏡等光學元件，大多數是用光學玻璃制成的。它們的光學表面都是經過仔細的研磨和拋光，有些還鍍有一層或多層薄膜。對這些元件或其材料的光學性能（例如折射率、反射率、透射率等）都有一定的要求，而它們的機械性能和化學性能可能很差，若使用和維護不當，則會降低光學性能甚至損壞報廢。造成損壞的常見原因有：摔壞、磨損、污損、發霉、腐蝕等。為了安全使用光學元件和儀器，必須遵守以下規則：

• 必須在了解儀器的操作和使用方法后方可使用。
• 輕拿輕放，勿使儀器或光學元件受到沖擊或震動，特別要防止摔落。不使用的光

學元件應隨時裝入盒內并放入平臺的箱子內，放入干燥器中保存。

• 切忌用手接觸元件的光學表面。如必需用手拿光學元件時，只能接觸其磨沙面，

如透鏡的邊緣、棱鏡的上下底面等（如預備圖-1）。

• 光學表面上如有灰塵，用實驗室專備的干燥脫脂棉輕輕拭去或用橡皮球吹掉。
• 光學表面上若有輕微的污痕或指印，用清潔的鏡頭紙輕輕拂去，但不要加壓擦拭，

更不準用手帕、普通紙片、衣服等擦拭。若表面有較嚴重的污痕或指印，應由實驗室人員用丙酮或酒精清洗。所有鍍膜面均不能接觸或擦拭。

• 防止唾液或其溶液濺落在光學表面上。
• 調整光學儀器時，要耐心細致，一邊觀察一邊調整，動作要輕、慢，嚴禁盲目及

粗魯操作。

• 儀器用畢后應放回箱內或加罩，防止灰塵沾污。

二、消視差

光學實驗中經常要測量像的位置和大小，經驗告訴我們，要測準物體的大小，必須將量度標尺與被測物體緊貼在一起。如果標尺遠離被測物體，讀數將隨眼睛的位置不同而有所改變，難以測準，如預備圖-2所示?？墒窃诠鈱W實驗中被測物往往是一個看得見摸不著的像，怎樣才能確定標尺和待測像是緊貼在一起的呢？利用“視差”現象可以幫助我們解

決這個問題。為了認識“視差”現象，讀者可做一簡單實驗：雙手各伸出一只手指，并使一指在前，一指在后相隔一定距離，且兩指平行。用一只眼睛觀察，當左右（或上下）晃動眼睛時（眼睛移動方向應與被觀察手指垂直），就會發現兩指間有相對移動，這種現象稱為“視差”。而且還會看到離眼近者，其移動方向與眼睛移動方向相反；離眼遠者則與眼睛移動方向相同。若將兩指緊貼在一起，則無上述現象，即無“視差”。由此可以利用視差現象來判斷測像與標尺是否緊貼。若待測像和標尺間有視差，說明它們沒有緊貼在一起，則應該稍稍調節像或標尺位置，并同時微微晃動眼睛觀察，直到它們之間無視差后方可進行測量。這一調節步驟，我們常稱之為“消視差”。在光學實驗中，“消視差”常常是測量前*的操作步驟。

三、共軸調節

光學實驗中經常要用一個或多個透鏡成像。為了獲得質量好的像，必須使各個透鏡的主光軸重合（即共軸）并使物體位于透鏡的主光軸附近。此外透鏡成像公式中的物距、像距等都是沿主光軸計算長度的，為了測量準確，必須使透鏡的主光軸與帶有刻度的標尺平行。為了達到上述要求的調節我們統稱為共軸調節。調節方法如下：

1、粗調，將光源、物和透鏡靠攏，調節它們的取向和高低左右位置，憑眼睛觀察，使它們的中心處在一條和標尺平行的直線上，使透鏡的主光軸與標尺平行，并且使物（或物屏）和成像平面（或像屏）與平臺垂直。這一步因單憑眼睛判斷，調節效果與實驗者的經驗有關，故稱為粗調。通常應再進行細調（要求不高時可只進行粗調）。

2、細調，這一步驟要靠其他儀器或成像規律來判斷和調節。不同的裝置可能有不同的具體調節方法。下面介紹物與單個凸透鏡共軸的調節方法。

使物體與單個凸透鏡共軸實際上是指將物上的某一點調到主光軸上。要解決這一問題，首先要知道如何判斷物上的點是否在透鏡的主光軸上。根據凸透鏡成像規律即可判斷。如預備圖-3所示，當物AB與像屏之間的距離b大于4f時，將凸透鏡沿光軸移到O1或O2位置都能在屏上成像，一次成大像A1B1，一次成小像A2B2。物點A位于光軸上，則兩次

像的A1和A2點都在光軸上而且重合。物點B不在光軸上，則兩次像的B1和B2一定都不在光軸上，而且不重合。但是，小像的B2點總是比大像的B1點更接近光軸。由此可知，若要將B點調到凸透鏡光軸上，只需記住像屏上小像的B2點位置（屏上貼有坐標紙供記錄位置時作參照物），調節透鏡（或物）的高低左右，使B1向B2靠攏。這樣反復調節幾次直到B1與B2重合，即說明B點已調到透鏡的主光軸上了。

若要調多個透鏡共軸，則應先將物上B點調到一個凸透鏡的主光軸上，然后，同樣根據軸上物點的像總在軸上的原理，逐個增加待調透鏡，調節它們使之逐個與*個透鏡共軸。