光学基础实验

实验1 光的直线传播规律

实验目的：

1.验证光的直线传播规律

2.了解照相机的基本原理

一、实验仪器制作过程及成品描述

1、用纸卷两个略有大小的圆筒，使之刚好能够互相套入。

2、使其内表面为黑色，以保证不透光和没有内表面反射。

3、将大的圆筒一端用黑色的纸板封闭，并用针戳一个小孔，在小的圆筒一端贴一张薄的白纸作为观察屏。

4、移动屏与孔的距离，观察小孔成像的变化，并使能观察到一个倒立的像。

二、实验原理

由光的直线传播原理可知：当使用一个极小的孔（0.5mm）时，远处传来的光将被限制成为一束极细的光线。由物体上不同部位发出的光线通过小孔后，只能到达屏幕的对应位置，形成了对应于物的像。

三、实验步骤及现象

步骤：在光具座上面依次放上光源（点亮的蜡烛）、制作好的小孔成像系统、物屏，使焰心、小孔和屏幕中心大致在一条直线上，接着，在其他条件不变的情况下，依次改变入射光的强度、通光孔径（即小孔）的大小、成像装置与物体之间的距离、物屏和小孔之间的距离，并观察所成的像的变化的情况。

现象：以下两个因素会对像的大小造成影响：

1、孔径的大小。孔径越大，像越大，反之亦然。

2、相机与物体之间的距离。距离越长，像越小，反之亦然。

四、自问自答

1．小孔与观察屏的距离与像的大小关系。

答：蜡烛距小孔越近或毛玻璃屏距小孔越远，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”的问题吗，为什么？

答：当小孔足够小时，理论上是没有景深问题的。因为光是直线传播，不需要对焦，其成像最远景深为无限远，无论多近或者多远都能成像清晰。但事实上孔径都是有一定大小的，故景深问题仍然存在。

3．仔细观察所成的像，边缘和中间有几个不同点？解释之。

答：中间更亮，更稳定；边缘则不然。由于孔径小，故光线通过小孔时有可能发生衍射现象，导致像的边缘变得模糊。

4. 什么是明视距离？在观察器中，筒长250mm是按明视距离确定的，如果改变内筒筒长，是否可以？请说明理由。

答：明视距离就是在合适的照明条件下，眼睛最方便、最习惯的工作距离。最适合正常人眼观察近处较小物体的距离，约25厘米。不可以改变内筒筒长，否则不适合人眼观察。

实验2 三棱镜的角度与色散测量

实验目的：

1．了解分光仪的构造原理，学会正确使用分光仪

2．掌握棱镜角度测试的原理和方法

3．了解光的折射与棱镜色散现象

一、实验仪器：

分光仪、汞灯、三棱镜

二、实验原理

角度测量原理：①用望远镜依次对准夹棱镜顶角的两个面，使得返回的十字像在分划板上重合，记录下望远镜两个角度读数，望远镜转过的度数与顶角互补。②使待测顶角对向平行光管，望远镜依次观察由两个面反射的狭缝像，记录下望远镜的两个角度读数，望远镜转过的角度为顶角的两倍。

最小偏向角法原理：对于一个给定的三棱镜来说，其顶角α是固定的，故入射光线与出射光线之间的夹角δ将随入射角而变，而且出射角是入射角的函数，故偏向角δ仅随入射角而变。理论上可以证明，δ存在最小值δm，且有对应的公式。故只要测出某波长入射光线的最小偏向角δm及三棱镜的顶角α，即可求出该三棱镜对该波长光的折射率。

三、分光计调整过程及其涉及的光学、机械原理

分光计的基本原理为：让光线

通过狭缝和聚焦透镜形成一束平行光线，经过光学元件的反射或折射后进入望远镜物镜并成像在望远镜的焦平面上，通过目镜进行观察和测量各种光线的偏转角度。

分光计的调节步骤：

1、目测粗调（凭眼睛观察判断）

用眼睛从仪器侧面观察，使望远镜光轴、平行光管光轴和载物台面均大致垂直与仪器主轴；目镜套筒位置合适。

2、调节望远镜能接收平行光，并准确地与仪器中心轴垂直。

先改变目镜与分划板之间的距离，是目镜视场中能清晰看到分划板叉丝准线，然后调节目镜（连同分划板）与物镜的间距，使分划板位于物镜焦面上（利用自准直法使目

镜视场中同时看清分划板准线与“+”字反射像，且使两者无视差），此时望远镜即已能接收和对准平行光了。

在载物台上放置双面反射镜，当反射镜镜面与望远镜光轴垂直时“+”字反射像与叉丝的上交点完全重合。如果任意放置反射镜，反射回来的像始终与叉丝的上交点重合，则说明望远镜的光轴已经垂直于分光计的主轴了。为了调节方便，可以先使反射镜的镜面与载物台下两个螺钉的连线平行。调节时先从望远镜中看到由反射镜反射回来的“+”字像（此时不一定和叉丝的上交点重合），转动载物台180°，再找到由反射镜的另一面反射回来的“+”字像，分析两个像的相对位置。如果同在叉丝的上交点的两侧，则用各半调节法调节，即先调载物台下的前后螺钉，使“+”字与叉丝的上交点之间的距离减小一半，再调节望远镜的水平螺丝，使像重合。然后转动载物台180°进行同样调节，反复几次便可以很快调好。再把反射镜转过90°，重复上面操作，使两个面的反射像仍与叉丝的上交点重合，则说明望远镜的光轴垂直于仪器的中心轴了。

3、调节平行光管产生平行光，并垂直于仪器中心轴。

以已调好的望远镜为基准，调节平行光管。打开光源和狭缝，将望远镜对准狭像，从望远镜中观察，调节平行光管狭缝套筒，使狭缝像最清晰，此时狭缝位于透镜的焦面上，此时即能产生平行光了。接着调节望远镜光轴与平行光管共轴，把狭缝调成水平方向，调节平行光管的倾斜度，使狭缝与准线中心重合，这时平行光管与望远镜共轴，并与中心轴垂直。

四、色散及角度测量过程中的现象及数据

棱镜顶角角度的测量结果如下表所示：

观察偏向角的变化：

由于实验室使用的是汞灯，所以先用眼睛观察时，可以看到几条平行的彩色谱线。慢慢转动载物台，会发现谱线也随之移动。如果顺着偏向角减小的方向缓慢转动载物台，则当转动一定角度时，谱线移至某一位置后将反向移动。谱线移动方向发生逆转时的偏向角就是最小偏向角。接着再用望远镜观察谱线，以便准确找到最小偏向角的位置。

五、自问自答

1．为什么要调整棱镜的棱线与转台轴平行？

答：保证棱镜转动过程中入射面保持不变。因为在实验过程中，需要旋转载物台，如果棱镜的棱线不与载物台轴平行，那么在转动载物台之后，所成的像将会上下移动。2．怎样才能快速调整好棱镜的位置？

答：使棱镜待测角A的一个边与载物台水平调整脚（Z1、Z3）的连线垂直，这样调整Z2时，棱面AB的状态可以保持不变。分光仪的载物台上有刻线标志，可以帮助正确安置棱镜。

3．光的色散是如何引起的，你所测量的材料是正色散还是负色散？

答：对于同一种介质，不同波长的入射光的折射率是不同的，非单色光经过介质发生折射后，不同波长的光将分离，形成色散。

4．你认为这次测量的精度如何？误差大致在什么范围？

答：本次测量的精度较高，误差是“′”数量级。

实验3 望远镜的分解与结合

实验目的：

1．了解双眼仪器的构造原理及主要光学零件组成及功能（目镜、物镜、棱镜）2．学习望远镜的装配调整

3．掌握光学零件的擦拭、清洁方法

一、对实验工具、样品的描述

单筒望远镜（双反射棱镜）、小型“十”字头螺丝刀

二、实验原理：

1、望远镜的机械结构如下图所示：

2、望远镜的轴连接结构如下图所示：

3、光学调整原理

对于双眼望远镜来说，主要的光学偏差有如下几个方面：光轴偏差、像倾斜、视度零位误差、视差及分划板倾斜。

光轴偏差：双眼仪器要求两镜筒的光轴平行。光轴校准是将二次反射直角棱镜绕与它的棱线垂直而与其折射面平行的轴线转动。

像倾斜：将二次反射直角棱镜绕与它的棱线和折射面垂直的轴线转动。单筒中像倾斜角应该小于1度，两镜筒间的相对像倾斜小于20分。

视度零位误差：装配时必须有±6个视度的调节。

视差：分划板框有3个开口槽，利用其涨开的弹力压紧在目镜框内，可以进行前后调整轴向位置。

分划板倾斜：当望远镜目距在63~65mm的使用位置时，两目镜中心连线应该处于水平位置，分划板的垂直线应与远处铅垂线重合。

三、望远镜分解与结合过程的描述

1、望远镜的分解：首先，先徒手把物镜筒和目镜筒从镜座上面旋下来；然后，再借助“十”字头螺丝刀将镜座上面的一个反射棱镜外套上的两个螺丝旋下，再小心翼翼地把反射棱镜取下来。接着，为了将物镜镜片取下，用老师所分发的工具将物镜套筒中盖在物镜镜片上的，起固定作用的小塑料圈旋下来，再把物镜小心地取出来。之后把所有零件分类摆好，拍照。之后戴上手套，进行零件的擦拭工作。

2、望远镜的组合：将擦拭好的望远镜镜片依次放入对应的套筒，再运用分解过程中所用到的工具，按照物镜、反射棱镜、反射棱镜、目镜的顺序依次组装好，同时也进行光轴的调节，使得组装好的望远镜基本上能够正常使用。望远镜的零部件及组装好的望远镜实物如下图所示：

四、普通望远镜与测量望远镜比较及其涉及的光学、机械原理：

普通望远镜一般由凹凸透镜、反射棱镜等组成，利用光学聚焦、折射、反射等光学原理制成。测量望远镜一般利用脉冲来测量距离。

望远镜是一种用于观察远距离物体的目视光学仪器，能把远物很小的张角按一定倍率放大，使之在像空间具有较大的张角，使本来无法用肉眼看清或分辨的物体变清晰可辨。望远镜的前面有一块直径大、焦距长的凸透镜，名叫物镜；后面的一块透镜直径小，焦距短，叫目镜。物镜把来自远处景物的光线，在它的后面汇聚成倒立的缩小了的实像，相当于把远处景物一下子移近到成像的地方。而这景物的倒像又恰好落在目镜的前焦点处，这样对着目镜望去，就好象拿放大镜看东西一样，可以看到一个放大了许多倍的虚

像。这样，很远很远的景物，在望远镜里看来就仿佛近在眼前一样。

望远镜有不同的结构，常见的有三种：折射式、折反射式和反射式。

五、自问自答

1、望远镜有多少需要在外部调节的功能？

答：光轴偏差、像倾斜、视度零位误差、视差及分划板倾斜。

2、望远镜的放大倍数指的是什么？如何计算？

答：望远镜的放大倍数就是指用肉眼观察一个物体的张角与用望远镜在同一个地点观察相同物体的角度放大倍数。放大倍数= 物镜焦距/ 目镜焦距

3、望远镜中的棱镜的作用有几点？

答：①折叠光路，使望远镜可以不用做得那么长；②消除色差：由于透镜存在一定的厚度，而各种不同颜色的光对同一种介质折射率有差异，而导致不同颜色的光经折射后成的像位置有偏差，即产生色差，棱镜可消除色差。③翻转倒像。

4、光学零件的清洁需要那些工具？应该注意些什么？

答：手套、喷头、木签、擦镜纸（或棉球）、酒精（或甲醇）、蒸馏水、

注意事项：在使用酒精、乙醚和甲醇等物质时必须小心，它们都是易燃物，并且有毒。不要重复使用清洁擦镜纸或棉球，重复使用会导致污物附着，损坏光学器件。在清洁光学器件前，应当从手指上，手腕上取下戒指等首饰，仔细吸收以去除皮肤油脂，并且戴上手套。进行清洁工作时的擦拭动作一定要轻柔，避免划伤表面。若仪器表面沾上指印、油渍和水痕，则必须立即清洁表面，否则皮肤上的酸性物质会损伤透镜表面。

5、如何利用两个棱镜获得横像（90度转像）？

答：两个棱镜一个竖着一个横着。

实验4 光具座的使用

实验目的：

1．学习光具座的使用；

2．掌握薄透镜焦距的简单测量方法

一、实验仪器

导轨连光具座、透镜架、望远镜物镜、目镜、1mm和0.1mm分划板、光源

二、实验原理

1、望远镜的原理：

望远镜物镜的像方焦距是比较长的，其作用是使远处物体成一个实像，然后再由目镜将此实像放大，使之成像在明视距离到无穷远的任一位置。实际望远镜是使与光轴夹角很小的入射光束变成与光轴夹角较大的出射光束。由于这两个夹角都非常小，故望远镜的视角放大率为物镜与目镜像方焦距之比。

2、透镜焦距测量原理（位移法）：

若实物和接收实像的屛之间的距离大于成像透镜的焦距的四倍时，则一定可以找到两个成像的透镜位置，一个位置成一倒立放大的实像，另一个位置成一倒立缩小的实像，若求出透镜两个位置之间的距离，则待测成像透镜的焦距可由公式求出。

三、实验步骤及现象

1、先固定接收屛的位置（尽量远离光源），记下该位置的读数。

2、调节实物的位置，使之先较为靠近光源，并记下该位置的读数。

3、缓慢移动待测成像透镜的位置，使之从靠近实物的位置逐渐远离，某一时刻，在接收屛上可观察到一个最清晰的倒立的放大（缩小）的像，记下该位置的读数。

4、继续沿远离实物的方向缓慢移动待测透镜的位置，在另一时刻，在接收屛上可观察到一个最清晰的倒立的缩小（放大）的像，记下该位置的读数。

5、调节实物的位置（两次），使之逐渐远离光源（幅度不宜过大），记下该位置的读数。

6、重复3、4的步骤。

四、实验数据记录

五、自问自答

欲将截面半径为r的一束平行光扩展为截面半径较大（为R）的一束平行光，且传播方向不变，则应该用什么样的设计方案？所有的透镜，其口径和焦距应该有什么样的比例关系？

答：增大透镜的半径，并移动到适当的位置

透镜口径越大，焦距越短，两者成反比例关系。

实验5 望远系统参数测量

实验目的：

1．学习测量显微镜的使用。

2．了解望远系统的入瞳、出瞳及出瞳距的基本概念及测量方法。

3．掌握望远系统放大率的测量方法。

一、实验仪器

望远镜、焦距仪（平行光管、测量显微镜）、游标卡尺

二、实验原理

1、入瞳D入的测量：

对于简单望远镜来说，孔径光阑和入射光瞳就是物镜镜框，其直径D入可用量规或卡尺直接测出。本实验所用透镜入瞳直径为2.54cm。

2、出瞳D出的测量：

出瞳：光学系统的孔径光阑在光学系统像空间所成的像称为系统的“出瞳”。出瞳直径D出代表了出射光束的口径。出瞳的大小用测量显微镜或倍率计进行测量。

1、出瞳距P′的测量：

出瞳的位置（由出瞳距离表示）代表了出瞳的位置。出瞳距的大小用测量显微镜进行测量，并需要读取测量入瞳时的一个数据。

三、实验步骤及现象

1、先将被测望远镜安装在光具座上。

2、调整好测量显微镜、被测望远镜和平行光管同轴。

3、利用测量显微镜，测出被测望远镜的出射光瞳D出。首先将待测望远镜调焦与无穷远处，再将待测望远镜安置在光具座上，接通平行光管电源，作为无穷远光源照亮望远物镜的外框，则在望远镜目镜后面可以看到一个亮斑，即为出瞳D出，用测量显微镜观察此像，沿光具座导轨前后移动测量显微镜，使在分划板上得到没有视差的出瞳的像，用分划板上的刻线读出像的大小，即为出瞳D出。

4、利用测量显微镜，测出被测望远镜的出射光瞳距P′。在用测量显微镜测出D出的

大小时，记下测量显微镜在光具座导轨上的位置A。再从向移动显微镜至能看清望远镜后表面（此时看到目镜后面上有许多灰尘），记下显微镜在导轨上的位置B，则两位之差即为出瞳距P′，则P′=A—B。

实验所得数据如下表所示：

四、自问自答

1．你怎样证明望远镜物镜镜框内径就是入射光瞳D入？

答：因为光会被物镜镜框分开，入射光只能进入物镜，物镜镜框以外的光不能参与光学效应，所以是入射光瞳D入。

2．还有什么方法测量望远系统的放大率。举例说明？

答：望远镜的放大倍数= 物镜焦距/ 目镜焦距。

3．什么是视差？为什么测量出瞳大小时要仔细调整以消除视差？

答：将两个手指头一前一后放在眼前，看清楚前面的就看不清楚后面的、当眼睛左右移动时，手指的左右关系就会发生变化。光学仪器中的视差是指分划板和“十”字叉丝的实像不在同一个平面上，于是对准是出现偏差。同时仔细调节目镜调焦螺旋和物镜调焦螺旋可消除视差。如果不仔细调整仪器以消除视差，则测量结果会有很大偏差。