大学物理实验--第3部分 光学
大学物理(第三版)光学第3章
光学平板玻璃
待测平面
b
a
h
ek
e k 1
e
h
a b
e k : k级条纹对应的正常空气膜厚度
由相似三角形关系
h e a b
e k 1 : k+1级条纹对应的正常空气膜厚度
b是条纹间隔 a是条纹弯曲深度 e 表示相邻两条纹对应的空气膜厚度差
h 为纹路深度
对空气膜 e / 2 a h 则 2b
2.光程差
光程差为两束光的光程之差。
L 2 - L1
3.光程差与相位差的关系
光程差每变化一个波长，相位差变化 2 光程差为 ，相位差为 ； 光程差与相位差的关系为：
2
则相位差为： 2
四 、干涉加强减弱条件 两束单色光相干时，光程差满足：
高能级E2 低能级E1 光子
注意
1.原子发光是断续的、随机的，每次发光持 续约10-8秒。产生长度有限的一个波列。 2.各原子发光相互独立，振动方向和初相各不 相同，各波列之间不相干。
两个频率相同的钠光灯不能产生干涉现象， 即使是同一个单色光源的两部分发出的光，也 不能产生干涉。
无干涉现象
1. 普通光源：自发辐射
2 n 2 d cos r
2 k
( k 1 ,2 )
加强
第四节 等厚干涉 劈尖、牛顿环
等厚干涉：在同一干涉条纹下薄膜厚度相 同。
一、劈尖 用单色平行光垂 直照射玻璃劈尖，由 于在同条纹下的薄膜 厚度相同，形成干涉 条纹为平行于劈棱的 一系列等厚干涉条纹。
很小
一束光线经过介质薄膜的反射与折射， 形成的两束光线产生干涉的方法为分振幅 法。如薄膜干涉、等厚干涉等。
大学物理光学实验部分
0I ϕI ϕI )2( λϕπβaSin =大学物理光学实验（部分）单缝衍射一、 实验目的1.观察单缝衍射现象，了解衍射特点；2.测量单缝衍射的相对光强分布。
二、 实验仪器激光器、单缝、检流计、硅光电池等 三、 实验原理照到狭缝上的波前上每一点都起着新波源的作用，从这个波前出发，光线迭加的结果是出现平行于狭缝的明暗相间的条纹。
亮条纹从中心往两侧依次是0级、1级、2级……n 级亮条纹。
暗条纹依次是1级、2级…..n 级。
设光轴上的光强为 屏上与光轴夹角 ϕ 为的一处光强为220sin ββII = （1）1.当)0(0==ϕβ时，0I I =ϕ；称为主极大或零级亮条纹。
2.当)2,1(⋅⋅⋅⋅±±==m m πβ，即am Sin λϕ=时，0=ϕI ，出现暗条纹。
暗条纹在a m λϕ=的方向上。
主极大两侧暗条纹之间的夹角aλϕ2=∆，其余暗条纹间的间距为aλϕ=∆。
3.其他亮条纹的位置：()322/2ββββββββSin Cos Sin Sin d d -=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛ 极大值。
取时，即 ,0I tg Sin Cos βββββ==- 可得：⋅⋅⋅±±±=πππβ47.346.243.1，，即：)3(47.3,46.2,43.1 aa a λλλϕ±±±=亮条纹的光强是极值的0.047，0.017，0.008倍………4.总结： ϕSin-2a λ -1.43a λ -a λ 0aλ1.43aλ2aλ ϕI0 -0.047 00I0 0.047 0四、 实验内容和步骤1.按夫琅和费单缝衍射实验装置设计光路。
即入射到狭缝的光束是平行光，传播到观察点的各子波的光线也是平行光。
2.激光点亮并垂直于狭缝，观察屏放到较远处D>>a.3.观察单缝衍射现象 （1）调节狭缝又宽变窄，再由窄变宽，观察衍射图像的变化，估计出衍射图像刚出现可分辨条纹时的缝宽。
大学物理教案：光学基础理论与现象观察实验
大学物理教案：光学基础理论与现象观察实验引言大学物理是学生们在物理学领域的一门重要课程。
而光学是大学物理中的一个重要分支，研究光的特性和光的行为。
在本教案中，我们将介绍光学的基础理论和一些常见的现象观察实验，帮助学生们更好地理解和学习光学知识。
光学基础理论光的本质光既具有粒子性又具有波动性。
根据爱因斯坦的光量子理论，光可以看作是由一系列能量量子组成的粒子，称为光子。
而根据赫兹和麦克斯韦的电磁理论，光可以看作是一种电磁波，具有振幅、波长和频率等特性。
光的传播光可以以直线传播，直到遇到物体发生折射、反射或散射等现象。
当光从一种介质（如空气）传播到另一种介质（如玻璃）时，会发生折射现象。
而当光遇到光滑的表面时，会发生反射现象。
而当光遇到粗糙的表面时，会发生散射现象。
光的干涉和衍射当两束相干光（具有相同的频率和相位）相遇时，会发生干涉现象。
干涉分为构造性干涉和破坏性干涉，取决于两束光的相位差。
构造性干涉会使光强增强，而破坏性干涉会使光强减弱或完全破坏。
衍射是光通过一个障碍物后发生的现象。
当光通过孔径的大小与波长的量级相当时，会出现衍射现象。
衍射会使光散开并产生一系列亮暗条纹。
光的偏振偏振是指光的振动方向的特性。
自然光是不偏振的，其振动方向在各个方向上均匀分布。
而线偏振光是具有特定振动方向的光，可以通过偏振片实现。
光学实验设计与操作在学习光学理论的同时，进行一些现象观察实验可以帮助学生更好地理解光学知识。
以下是几个常见的光学实验，可供参考。
实验1：光的折射现象材料： - 一个透明的玻璃杯 - 一支笔 - 一杯水操作步骤： 1. 在桌子上放置一个透明的玻璃杯，并将杯子填满水。
2. 将笔直立放在玻璃杯旁边，并观察笔在水中的折射现象。
3. 移动笔的位置，观察折射现象的变化。
实验原理：根据光的折射理论，当光从一种介质传播到另一种介质时，由于介质的光速不同，光会发生折射。
在这个实验中，水和空气是两种不同的介质，当光从空气通过玻璃杯进入水中时，光会发生折射现象。
普通物理实验(光学部分)教案
学会正确地表达和评价实验结果的方法，学会分析误差产生的原因和减小实验误差的途径，既加深了对实验理论的理解，又加强了对测量方法和仪器选择的理解。
五、本学期的教学安排
本学期2007级学生教育教学实习3周（第4-6周）。因此，拟开设8-9个实验（见计划），用2学时总结复习，机动2学时，期中考核和期末考试各占2学时。
四、 JJY 1＇型分光计的构造及调节要求（五步骤）
教学重点与难点：分光计的调节是重点；避免回程误差是难点。
教学过程：
1．讲授新课：
一、GJZ—15型光具座的构造及调节要求（共轴共面等高）
（1）光具座的结构。主体是一个平直有导轨，长1.5m，上面刻有标尺，导轨上还有可移动的滑块支架。
（2）光具座的调节。光学系统应符合或接近理想条件。因此，光具座上调节光学系统，必须满足两个条件：共轴，等高。
三、要求较高的实验素养
很多光学测量是实验者通过调节仪器，对目标的观察和判断后进行读数。因此，实验者的理论基础、操作技能的优劣、判断的准确程度都会使测量数据带有不同的偏离和分散，从而影响测量结果的可靠性。因此，实验者必须不断提高实验素养，排除“假象”和其他因素的干扰，力求客观正确地反映实际情况。
第二节 光学实验的内容
2．调节方法
（1）粗调
（2）细调
a．应用自准直原理调望远镜适合于平行光；
b．用逐次逼近法，调节望远镜光轴与中心转轴垂直（使观察平面与读数平面平行）；
c．将分划板十字线调成水平与垂直；
d．调节载物台，使其法线与旋转主轴重合；
e．平行光管的调节；
平行光管的狭缝必须在物镜的焦面上，平行光管的光轴应与望远镜的光轴重合。调节平行光管的倾度螺钉使水平分划线平分狭缝像，再转动狭缝像与分划板竖线平行。
大学物理光学部分总结
薄膜干涉
光波在薄膜表面反射和透射时产 生的干涉现象，常用于增反膜和 增透膜的设计。
光的衍射现象
单缝衍射
光波通过一个狭窄的缝隙时，会在屏 上产生明暗相间的衍射条纹。
圆孔衍射
光波通过一个圆孔时，会在屏上产生 明亮的中心和逐渐减弱的衍射条纹。
吸收光谱
物质对不同波长的光的吸收程度 不同，形成了物质的吸收光谱。 通过对吸收光谱的分析，可以了 解物质的组成和性质。
吸收系数
物质对光的吸收能力可以用吸收 系数来表示，吸收系数越大，表 示物质对光的吸收能力越强。
光散射
光的散射现象
当光通过物质时，由于物质中微粒的散射作用，光发生散射现象，散射光的强度和方向 与入射光的波长、微粒的大小和形状有关。
3
光的相干性
同频率、同方向、同相位的光波具有相干性。
光的传播
反射定律
光在平滑界面上按特定角度反射 。
折射定律
光在不同介质间传播时，传播方向 发生变化。
光速
光在真空中的速度是一个恒定的值 ，不随光源或观察者的运动而改变 。
光的干涉
干涉现象
两束或多束相干光波在空间某一点叠加，产生明 暗相间的干涉条纹。
光与物质相互作用时，光作为粒子，其能量与物质中的电子相互作 用，引起电子的跃迁和能级变化，从而改变物质的状态。
光的波粒二象性
光既具有波动性又具有粒子性，在光与物质相互作用时，表现出不同 的性质和效果。
光吸收
光的吸收定律
当光通过物质时，物质吸收光能 并转化为热能或其他形式的能量 ，光的强度随传播距离的增加而 逐渐减弱。
光的偏振现象
浙江大学物理光学实验报告 (500字)
课程名称：姓名：系：专业：学号：指导教师：\本科实验报告物理光学实验郭天翱光电信息工程学系信息工程（光电系） 3100101228 蒋凌颖2012年 11月27日实验报告课程名称：__物理光学实验_指导老师：___成绩：__________________ 实验名称：实验类型：_________一、实验目的和要求（必填）二、实验内容和原理（必填）三、主要仪器设备（必填）四、操作方法和实验步骤五、实验数据记录和处理六、实验结果与分析（必填）七、讨论、心得一、实验目的和要求1、掌握迈克耳逊干涉仪的结构、原理、调节方法；2、用迈克耳逊干涉仪观察平板干涉条纹的特征，测定单色光波长；3、观察白光干涉条纹，测量光波的相干长度；二、实验原理2”。
光线“2”射到m2上被反射回来后，透m1 图2 非定域干涉线“1”透过g2射到m1，被m1反射回来后再透过g2射到k上，反射到达e处。
这两条光线是由一条光线分出来的，故它们是相干光。
光线“1”也可看作是从m1在半透明层中的虚像m1ˊ反射来的。
在研究干涉时，m1ˊ与m1是等效的。
调整迈克尔逊干涉仪，使之产生的干涉现象可以等效为m1ˊ与m2之间的空气薄膜产生的薄膜干涉。
用凸透镜会聚的激光束是一个很好的点光源，它向空间发射球面波，从m1和 m2反射后可看成由两个光源s1和s2发出的（见图2），s1(或s2)至屏的距离分别为点光源s从 g1和m1(或m2和g1)反射至屏的光程，s1和s2的距离为m1ˊ和m2之间距离d的二倍，即2d。
虚光源s1和s2发出的球面波在它们相遇的空间处处相干，这种干涉是非定域干涉。
1、等倾干涉（定域干涉）若m2和m1严格垂直，m2’与m1互相平行，虚光板各处的厚度h相同。
这时影响光程差的因素只有入射角，当用会聚或者发散光束照明干涉仪时，具有相同入射角的光经m1和m2反射后在其相遇点有相同的光程差，因而入射角相同的光形成同一级干涉条纹，称为等倾条纹。
等倾条纹呈圆环状，条纹分布内疏外密。
大学物理教学光学部分教案
课程名称：大学物理授课对象：理工科专业学生授课时间： 2课时教学目标：1. 知识目标：使学生掌握光学的基本概念、光学原理，了解光的干涉、衍射、偏振等基本现象，并能够运用光学知识解决实际问题。
2. 能力目标：培养学生运用光学原理分析和解决实际问题的能力，提高学生的实验操作技能和科学思维。
3. 素质目标：通过光学学习，增强学生的科学素养，培养学生的创新意识和团队协作精神。
教学重点：1. 光的干涉现象及其原理。
2. 光的衍射现象及其原理。
3. 光的偏振现象及其原理。
教学难点：1. 光的干涉条件及其应用。
2. 光的衍射规律及其应用。
3. 光的偏振原理及其应用。
教学过程：第一课时一、导入新课1. 回顾光的波动性，引入光学部分的学习。
2. 提出问题：什么是干涉？什么是衍射？什么是偏振？二、讲授新课1. 光的干涉：- 介绍干涉现象的基本概念。
- 讲解光的相干条件。
- 分析双缝干涉实验，得出干涉条纹的间距公式。
- 讨论干涉现象在实际应用中的意义。
2. 光的衍射：- 介绍衍射现象的基本概念。
- 讲解单缝衍射的原理，得出衍射条纹的间距公式。
- 分析衍射光栅的原理和应用。
三、课堂练习1. 通过例题讲解，让学生掌握干涉和衍射的计算方法。
2. 学生独立完成练习题，教师巡视指导。
四、小结1. 总结光的干涉和衍射现象的基本原理。
2. 强调干涉和衍射现象在实际应用中的重要性。
第二课时一、复习上节课内容1. 复习光的干涉和衍射现象。
2. 提问学生，检查学生对知识的掌握情况。
二、讲授新课1. 光的偏振：- 介绍偏振现象的基本概念。
- 讲解光的偏振原理，包括反射、折射和透射等。
- 分析偏振光的产生和检测方法。
2. 应用举例：- 讲解偏振现象在实际应用中的例子，如偏振眼镜、液晶显示等。
三、课堂练习1. 学生独立完成偏振现象的练习题。
2. 教师讲解练习题，解答学生疑问。
四、小结1. 总结光的偏振现象及其应用。
2. 强调偏振现象在实际生活中的重要性。
大学物理光学实验教案
一、实验目的1. 理解光学基本原理，掌握光学实验的基本操作和技能。
2. 通过实验验证光学定律，加深对光学知识的理解和应用。
3. 培养学生的实验操作能力、数据处理能力和分析问题能力。
二、实验内容1. 光的直线传播2. 凸透镜成像规律3. 平面镜成像规律4. 光的反射与折射5. 双缝干涉实验三、实验原理1. 光的直线传播：光在同一均匀介质中沿直线传播。
2. 凸透镜成像规律：物体在凸透镜一侧，通过凸透镜成像在另一侧，成像位置和大小与物体位置和大小有关。
3. 平面镜成像规律：物体在平面镜一侧，通过平面镜成像在另一侧，成像位置和大小与物体位置和大小有关。
4. 光的反射与折射：光线入射到两种介质的分界面上，会发生反射和折射现象。
5. 双缝干涉实验：两束相干光通过双缝后，产生干涉现象，干涉条纹间距与双缝间距、光源波长有关。
四、实验仪器1. 光具座2. 凸透镜3. 平面镜4. 白光光源5. 双缝装置6. 光屏7. 测量工具（如刻度尺、游标卡尺等）五、实验步骤1. 光的直线传播实验（1）将光源、光具座、光屏依次放置好。
（2）调整光源，使其发出的光线垂直照射到光具座上。
（3）观察光线在光具座上的传播情况，验证光的直线传播原理。
2. 凸透镜成像规律实验（1）将凸透镜、光源、光屏依次放置好。
（2）调整光源和光屏，使其与凸透镜的主光轴平行。
（3）观察凸透镜成像情况，记录物体位置、像的位置和大小。
3. 平面镜成像规律实验（1）将平面镜、光源、光屏依次放置好。
（2）调整光源和光屏，使其与平面镜的主光轴平行。
（3）观察平面镜成像情况，记录物体位置、像的位置和大小。
4. 光的反射与折射实验（1）将白光光源、光具座、平面镜、凸透镜依次放置好。
（2）调整光源，使其发出的光线垂直照射到平面镜上。
（3）观察反射光线和折射光线，验证光的反射与折射原理。
5. 双缝干涉实验（1）将双缝装置、光源、光屏依次放置好。
（2）调整光源和光屏，使其与双缝的主光轴平行。
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第三部分光学
测定薄透镜焦距
⑴测凸透镜焦距的几种方法中，哪种方法测得的数据较为准确，哪种方法更为可行
⑵平面镜法测透镜焦距中，前后移动平面镜有何作用对测量结果有何影响
⑶在光源和物之间为什么要加毛玻片它应更靠近物体还是应更靠近光源为什么
⑷在商店欲买焦距为10cm的凸透镜，商店中有若干焦距为10cm、15cm、20cm的凸透镜混杂在一起，你用何方法尽快地挑选出你所需要的透镜
凸透镜成象规律的观察和放大率的测定
⑴当p< f时，凸透镜成虚象，这时却可用肉眼看到象，为什么
⑵用直角坐标系方法讨论凹透镜成象。
衍射实验
:
⑴本实验测细丝的方法，往往因暗纹距离χ较小而造成较大的误差，若用已知直径的细丝在已知距离处所得到的衍射图样照片，作为待测细丝衍射图样的比较版来测量的话，将会大大地减少这种误差并使测量更简单迅速，说明这种测量方法需要测出什么数据才能知道细丝直径为什么
*⑵在光学的许多实验中为了得到平行光都要在光源前加一个透镜，在实验内容3中观察圆孔衍射也要加一个透镜，这个透镜的作用是什么它应该具有什么特点
⑶试讨论当光线不垂直墙面时，或细丝倾斜时对细丝直径测量的影响。
*⑷本实验测细丝直径要求是夫琅禾费衍射，要求细丝至屏为无穷远，现其间距仅为1m多，是否符合夫琅禾费衍射条件
衍射法测微粒直径
⑴试说明本实验中由于利用了一对角度的光强比，给我们提供了哪些实用上的便利如果不用光强比将会产生什么样的困难
⑵根据产生夫琅禾费衍射的条件及本实验的具体要求，在实验中要更注意什么
⑶怎样才能把平行光管的光调为近似的平行光
⑷由于杂散光的影响，有时在实验中，即使挡住平行光管的光，光点检流计的数仍不为零，而且由于杂散光在各个方向影响不同，因而使测量的数据受到很大影响，怎样消除这种影响
分光计调整
、
⑴调节分光计时所使用的双面反射平面镜起了什么作用能否用三棱镜代替平面镜来调望远镜
全息光栅的制作
⑴若只有一个白光灯泡，如何用简易的办法估算一块光栅的常数
⑵用分光计测量你所制光栅的常数，并与公式⑴所得值及上面的估算值作比较，讨论分析误差情况。
棱镜摄谱仪的调节和使用
⑴为什么底片匣要倾斜一个角
⑵为什么要两遍调共轴（不共轴会怎样）
⑶为什么要先拍氦谱（先拍铁谱行不行）
⑷为什么拍完氦谱大遮板不能关闭（结合测谱原理）
⑸你拍摄的底片有哪些不理想的地方你能讲出是什么原因造成的吗
…
发射光谱的定性分析
⑴选待测氦谱的原则之一是其左右相邻的铁谱尽量靠近，为什么
⑵摄谱时，为什么拍完氦谱不能关大遮板摄谱全过程中为什么要近量减少振动
发光强度的测量
⑴为什么要使光度计和灯泡等高不等高可以吗
⑵为什么光线要垂直进入光度计窗口不垂直行不行
投影仪和望远镜的设计与组装
⑴利用望远镜观察时，要求在10km的距离上鉴别100mm的距离，问能使用多大视放大率的望远镜
⑵为何使用视放大率表示目视光学仪器的放大作用
⑶用同一台望远镜观测不同距离的物体时，其视放大率是否会变
￥
迈克尔逊干涉仪
⑴测He-Ne激光波长时，要求n尽可能大，为什么对测得的数据应采用什么方法进行处理
⑵如果把干涉仪中的补偿板B去掉，会影响到哪些测量哪些测量不受影响
红宝石的吸收光谱
⑴吸收系数与吸收率怎样区别
⑵怎样测量有反射面的吸收体的吸收系数
⑶怎样从荧光中除去激发光
干涉法测微小量
牛顿环的中心级次是多少亮斑还是暗斑实验用的牛顿环是亮斑还是暗斑
偏振光的研究
[
⑴两片1/4波长片组合可否做成半波片
⑵在确定起偏角时，找不到全消光的位置，根据实验条件分析原因。
旋光现象的观察和测量
在旋转检偏器观察罗兰片时，视场中会出现两次各部分亮度相同的位置，一次是亮视场，一次为暗视场，这两个位置灵敏度是否一样，应选择哪个位置
光纤的几何参数和数值孔径的测量
⑴如何判断夹在载物台上的光纤端是否歪斜
⑵如果纤心的中心和包层的中心不同心，这样的光纤有什么不好
光纤传输损耗波谱的测量
⑴测量过程中，为什么要保持光纤在实验台上的状态不变
⑵光纤输入端光功率和波长的关系曲线形状与什么因素有关。