大学物理实验
适用课程:&大学物理实验（理工）Ⅰ-1(),大学物理实验（医学）(),综合设计与创新物理实验(),探索型物理实验(),物理演示实验-1()【访问量：1083345】
四川大学物理实验教案
【理、工、医、农】
分光计的调节和使用
实验目的及要求
本实验的重点是综合学习光学实验中的多种调节方法：目镜、自准直望远镜、平行光管、多轴校准；
熟练掌握用最小偏向角测三棱镜玻璃折射率的方法；
学习园弧形游标盘的读数方法。
当波长为的单色光经三棱镜两次折射后，如出射角刚好等于入射角时，折射偏向角为最小值。
可以证明：三棱镜材料的折射率，其中为三棱镜的顶角。
实验内容及提要
调节步骤：
目视调整：尽量调节望远镜、平行光管光轴共面，并且与载物台法线、游标盘法线垂直；
目镜调节；
自准直望远镜的校准；
正确放置平面镜在载物台上的位置；
用二维扫描法调整望远镜光轴与载物台法线垂直，观察叉丝反射像与叉丝面上方十字重合；
旋转载物台重复上述过程反复调整；
调节平行光管，注意平行光管只能调整高低俯仰，此时望远镜只能调左右不能再调整高低；
放上三棱镜，改变入射位置，用目视观察直至在出射方向能看到狭缝亮线为止；
用望远镜左右扫描观察到清晰的狭缝像；
慢慢左右改变入射角，同时用望远镜跟踪狭缝像，直至找到最小偏向角拐点为止；
锁定主刻度盘螺钉、游标盘螺钉和望远镜锁紧螺钉，读数；
取下三棱镜，旋转望远镜找到直射光狭缝像，同样方法读数。
实验要点及难点
注意事项：
防止将干扰光误认为狭缝像；
游标盘读数时要注意在转动中是否经过零刻度线，提醒过零刻度线时的角度计算方法。
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大学物理实验教学大纲
学年《大学物理实验》教学大纲
一、课程基本信息
课程编号：]
课程英文名称：Physics experiment of the university
开课部门：实验中心
开课学期：学年
适用专业：全校工科各专业
课程类别：公共基础课
课程属性：必修
实验教程及参考书：
《大学物理实验》郭献章主编科学出版社
二、教学目标
物理实验课是对学生进行科学实验基本训练的一门独立的、必修的基础课程。
本课程应在中学物理实验的基础上，按照循序渐进的原则，对学生进行物理实验知识、物理实验方法和物理实验技能等基础训练，为今后的学习和工作奠定良好的实验基础。
本课程的具体要求是：
1、在教学中要适当地介绍一些物理实验发展史和物理实验在工程技术中的应用知识，使学生了解科学实验的重要性：要注意对学生进行辨证唯物主义世界观和方法论的教育，使学生逐步养成用唯物辩证法指导自己的科学实验活动。
2.使学生逐步掌握物理实验基本知识和基本实验技术。其中包括：
（1）掌握预习、实验操作和撰写实验报告等基本实验程序：
（2） 掌握基本的操作技术，例如，零位校准，水平、铅直调整，回路接线法，光路的共轴调整，视差的消除，逐次逼近调节与测量等：
(3)& 掌握基本的实验方法，例如，比较法，放大法，转换测量法，模拟法，桥路法，补偿法，干涉法等：
(4)&掌握基本仪器的结构原理、性能和使用方法，这些仪器有：游标尺，螺旋测微计，天平，秒表，数字毫秒计，温度计，热电偶，直流电表，滑线式变阻器，电阻箱，检流计，直流电桥，电位差计，万用表，通用示波器，低频信号发生器，直流稳压电源，分光计，读数显微镜，单色仪，光具座，常用光源（钠光灯和激光器）等。
(5)掌握常用物理量的基本测试手段，这些物理量有：长度（及其微小变化），角度，质量，时间，力、温度，热量，电流，电压，电动势，电阻，磁感强度，频率或周期，波长，折射率等；
(6)掌握数据处理基本知识，其中包括：
测量的种类;误差的概念及误差种类;有效数字的读取和运算;了解不确定度的概念和种类;精密度、正确度、准确度和精度;处理实验数据的列表法、作图法、逐差法。
3.培养与提高学生的科学实验能力，其中包括：
引导学生自行阅读实验教材或实验资料，正确理解其原理，培养学生的阅读能力；
引导学生逐步养成独立进行测试，独立排除一般故障，培养学生的实际动手能力；
引导学生注意对实验现象的观察和分析，加深对物理学基本概念和规律的理解，培养学生运用物理理论对实验现象进行分析判断的能力；
引导学生不断提高实验报告的撰写质量，培养学生的归纳能力和撰写能力；
引导学生注意实验方案的确定、实验仪器和方法的选配，提高学生的设计能力和独立工作能力。
4.培养与提高学生的科学实验素养，其中包括：
(1)理论联系实际和实事求是的科学作风；
(2)严肃认真、一丝不苟的工作态度；
(3)积极思维、主动研究问题的探索精神；
(4)遵守纪律、爱护公共财物的优良品质。
课程教学目标与毕业要求的对应关系
课程教学目标
具有扎实的自然科学基础；具有科学研究的基本素养
、掌握基本的实验原理、实验方法、实验手段
以发展社会需要、学生满意的高等教育为出发点?以提高学生的实践能力和创新能力为最终目标?通过课内外结合的实验课程?全方位培养学生的科学思想方法、动手能力、实践能力、创新精神等基本科学素质。
、具有一定的实验能力，如撰写实验报告，基本的数据处理方法、做误差分析等。
具有一定的创新思维和创新实践能力
、逐步养成独立进行测试，独立排除一般故障，培养学生的实际动手能力；
、引导学生注意实验方案的确定、实验仪器和方法的选配，提高学生的设计能力和独立工作能力
三、实验项目与教学安排
实验项目名称
示波器的原理及应用
霍尔效应实验
用双臂电桥测低电阻
铁磁性材料的磁化曲线和磁滞回线
等厚干涉的应用-牛顿环、劈尖
测玻璃三棱镜的折射率
光强的分布
组合式多功能光栅光谱仪原理及应用
波尔共振实验
密立根油滴实验
迈克尔逊干涉仪的应用
超声波传播速度的测量
脉冲核磁共振仪原理及应用
弗兰克-赫兹实验
四、实验教学内容
实验（一）：示波器的使用
1、实验内容
（1）熟悉示波器各旋钮的作用，观察扫描情况；
（2）利用低频信号发生器输出，在荧光屏上调出有一定要求的正弦波形；
（3）测量校准电信号电压峰---峰值的表观大小；
（4）利用李萨如图形测未知频率。
2、实验目的
（1）了解示波器的主要组成部分，掌握各旋钮的作用及调节方法；
（2）掌握扫描与整步的作用原理，加深对振动合成的理解；
（3）掌握用示波器观测信号波形的方法
（4）掌握用李萨如图形测量正弦振动频率的方法，用比较法测量电压。
3、教学要求
（1）预习时要基本了解示波器的工作原理、实验目的与任务，并写出预习报告；
（2）在指导教师的课堂讲解后，掌握示波器的使用方法和本次实验的操作流程；
（3）通过实际动手操作，完成规定的实验内容，规范完整记录实验数据，并分析实验中发生的异常现象；
（4）课后独立完成实验报告，要求数据完整，书写规范，格式正确。
4、主要仪器设备：
&&&& 双踪超低频模拟信号示波器，数字函数信号发生器
实验方式：仪器操作
实验场地与设备：综合实验楼
实验（二）分光计的调整
1、实验内容
（1）了解分光计的构造和使用方法
（2）学习调整分光计
2、实验目的
（1）了解光学基本仪器分光计的构造、使用方法和调节方法
（2）锻炼学生基本的操作能力和调节仪器的能力
3、教学要求
&&& 能了解光学基本仪器的构造、原理，调节方法，测量方法，锻炼学生基本操作能力。
4、主要仪器设备：分光计，钠光灯
实验方式：仪器操作
实验场地与设备：综合实验楼
实验（三）：欧姆定律的应用
1、实验内容
（1）验证欧姆定律；
（2）用伏安法测电阻；
（3）计算绝对误差和相对误差。
仪器与用具：
2、实验目的
（1）验证欧姆定律；
（2）掌握用伏安法测电阻的方法；
（3）学会电压表、电流表、电阻箱和滑线变阻器的正确用法。
3、教学要求
指导学生学会简单电路的原理及连线方法、规则。通过测量，能自己分析解决基本电路问题。
4、主要仪器设备：稳压电源、毫安表、伏特表、单刀单掷开关、单刀
双掷开关、待测电阻。
实验方式：仪器操作
实验场地与设备：综合实验楼
实验（四）：金属杨氏模量的测定
1、实验内容
（1）杨氏模量的概念；可能存在的系统误差；仪器的选配；光杠杆原理；
（2）仪器的调整；用外视法和内视法寻找标尺像；
（3）拉伸法测钢丝的杨氏模量；
（4）逐差法计算测量结果。
2、实验目的
（1）学习用拉伸法测量金属丝的杨氏弹性模量；
（2）掌握用光杠杆法测量微小长度变化的原理及方法；
（3）学会用逐差法处理数据。
3、教学要求
（1）预习时要基本了解金属杨氏弹性模量的物理意义、光杠杆的测量原理及逐差法处理数据的优点和适用条件，知道本实验的目的与任务，并写出预习报告；
（2）在指导教师的课堂讲解后，掌握尺读望远镜使用方法、本次实验的操作流程及数据处理方法；
（3）通过实际动手操作，完成规定的实验内容，规范完整记录实验数据，并分析实验中发生的异常现象和误差形成的环节；
（4）课后独立完成实验报告，要求数据完整，绘图清晰，书写规范，格式正确。
4、主要仪器设备：
&杨氏模量测定仪（包括镜尺系统、砝码）、钢尺、卡尺、千分尺
实验方式：仪器操作
实验场地与设备：综合实验楼
实验（五）：旋光实验
1、实验内容
（1）测定旋光性溶液的旋光率和浓度
2、实验目的
（1）观察线偏振光通过旋光物质后的旋光现象
（2）了解旋光仪的结构原理,学习测定旋光性溶液的旋光率和浓度的方法
3、教学要求
&（1）实验验证基本原理
&（2）及学习旋光曲线测取方法
（3）测未知旋光性溶液的浓度值
4、主要仪器设备：圆盘旋光仪
实验方式：仪器操作
实验场地与设备：综合实验楼
实验（六）：扭摆法测定物体转动惯量
1、实验内容
（1）熟悉扭摆的构造，使用方法，以及转动惯量仪的使用方法；
（2）测定扭摆的仪器常数（弹簧的扭转常数）K；
（3）测定塑料圆柱、金属圆柱、木球等的转动惯量，并与理论值比较求百分误差；
（4）改变滑块在金属细杆上的位置，验证转动惯量平行轴定理。
2、实验目的
（1）加深理解转动惯量的物理意义；
（2）学习仪器的调整和使用；
（3）用扭摆测几种不同形状物体的转动惯量和弹簧的扭转常数；
验证平行轴定理
3、教学要求
1.加深理解转动惯量的物理意义；
2.学习“时间”基本物理量的测量；
3.学习仪器的调整和使用；
4、主要仪器设备：扭摆、转动惯量测试仪
实验方式：仪器操作
实验场地与设备：综合实验楼
实验（七）：霍尔效应实验
1、实验内容
（1）测量霍尔片的霍尔电压和工作电流之间关系,即霍尔效应。
（2）用霍尔元件测量磁场,即测螺线管磁场
（3）测量C型电磁铁气隙部分磁场分布,即磁感应强度和位置关系曲线和磁感应强度和励磁电流关系曲线
2、实验目的
（1）了解霍尔元件的性能，学习用“对称测量法”消除副效应的影响，测量霍尔片的霍尔电压和工作电流关系
（2）学习用霍尔元件测量磁场的原理和基本方法。
（3）测量C型电磁铁气隙部分和通电螺线管内部的磁场分布磁感应强度和位置关系曲线和励磁特性即磁感应强度和励磁电流关系曲线
3、教学要求
学习测霍尔电压及场强的方法，实验验证基本原理、误差处理,绘制相应的特性曲线。
4、主要仪器设备：霍尔效应实验仪;螺线管磁场实验仪
实验方式：仪器操作
实验场地与设备：综合实验楼
实验（八）：用双臂电桥测低电阻
1、实验内容
（1）用双臂电桥测量不同导体的电阻、电阻率和电阻的温度系数。
2、实验目的
（1）了解双臂电桥测低电阻的原理和方法。
3、教学要求
学会用双臂电桥测量低电阻的方法及实验验证基本原理、测出低电阻阻值、电阻率和电阻的温度系数,误差处理等。
4、主要仪器设备：组装式双臂电桥
实验方式：仪器操作
实验场地与设备：综合实验楼
实验（九）：用电位差计测电动势
1、实验内容
(1)用单线式电位差计测电动势；
(2)用箱式电位差计测电动势；
(3)根据补偿原理学习排除实验中的有关故障。
2、实验目的
（1）了解电位差计的补偿原理；
(2)了解电位差计的结构、正确使用方法。
3、教学要求
使学生了解电位差计的结构及使用方法，了解电位差计的补偿原理，会利于电位差计测量电位差，提高学生电路连接的基本技能。
4、主要仪器设备：单线式电位差计，数值电流表、滑线变阻器、标准电池、待测电池、单刀单掷开关、单刀双掷开关、箱式电位差计、直流稳压电压
实验方式：仪器操作
实验场地与设备：综合实验楼
实验（十）：测铁磁材料的磁化曲线和磁滞回线
1、实验内容
（1）对试样进行退磁，消除剩磁
（2）观察磁滞回线；
（3）借助长余辉示波器观察基本磁化曲线；
（4）观察比较样品1和样品2的磁化性能；
（5）测绘B——H曲线；
（6）测定样品1的Bm 、Br 、 Hc、[B H]等参数。
2、实验目的
（1）研究磁性材料的磁滞回线和基本磁化曲线特性；
（2）掌握用示波器观察磁滞回线和基本磁化曲线并进行测绘的方法；
（3）加深对磁性材料的磁滞回线和基本磁化曲线特性的认识。
3、教学要求
（1）预习时要基本了解磁性材料的磁滞回线和基本磁化曲线特性的原理、本实验的目的与任务，并写出预习报告；
（2）在指导教师的课堂讲解后，掌握组合测试仪器及示波器的使用方法和本次实验的操作流程；
（3）通过实际动手操作，完成规定的实验内容，规范完整记录实验数据，并分析实验中发生的异常现象；
（4）课后独立完成实验报告，要求数据完整，绘图清晰，书写规范，格式正确。
4、主要仪器设备：
&&& 示波器、磁滞回线实验组合仪
实验方式：仪器操作
实验场地与设备：综合实验楼
实验（十二）： 等厚干涉的应用——牛顿环、劈尖
1、实验内容
（1）读数显微镜的调整；
（2）测平凸透镜的曲率半径；
（3）测空气劈尖的微小夹角。
2、实验目的
（1）观察、研究等厚干涉现象及其特点；
（2）学会用干涉方法测量平凸透镜的曲率半径和涤纶片的厚度；
（3）学会调节和使用读数显微镜。
3、教学要求
（1）预习时要基本了解等厚干涉的原理、本实验的目的与任务，并写出预习报告；
（2）在指导教师的课堂讲解后，掌握读数显微镜、钠光灯、牛顿环、劈尖的使用方法和本次实验的操作流程；
（3）通过实际动手操作，完成规定的实验内容，规范完整记录实验数据，并分析实验中发生的异常现象；
（4）课后独立完成实验报告，要求数据完整，绘图清晰，书写规范，格式正确。
4、主要仪器设备：
&&& 读数显微镜、钠光灯、牛顿环、劈尖
实验方式：仪器操作
实验场地与设备：综合实验楼
实验（十三）：衍射光栅
1、实验内容
（1）按分光仪调节操作顺序操作，使分光仪达到工作状态；
（2）观察汞灯光源发出的衍射光谱线；
（3）测各单色光波长；
2、实验目的
（1）观察光线通过光栅后的衍射现象；
（2）学会用分光仪测光波波长的方法；
（3）熟悉分光仪的调节和使用。
3、教学要求
熟悉分光计的调节方法和使用方法，学会用分光计精确测量角度，理解衍射现象，并精确测得汞光谱中各单色光的波长。
4、主要仪器设备：分光计、低压汞灯。
实验方式：仪器操作
实验场地与设备：综合实验楼
实验（十四）：测玻璃三棱镜的折射率
1、实验内容
（1）分光计的调整；
（2）测三棱镜顶角；
（3）测三棱镜对于λ=632.8nm钠光的最小偏向角，求其折射率。
2、实验目的
（1）进一步了解分光计的使用方法和调节方法，提高操作技能。
（2）了解光学基本知识，会用分光计精确测量角度
3、教学要求
（1）使学生了解光学实验基本知识；
（2）使学生了解分光计的结构原理及调整方法；弯游标读数方法；
（3）顶角及最小偏向角的精确测定；
4、主要仪器设备：分光计、钠光灯。
实验方式：仪器操作
实验场地与设备：综合实验楼
实验（十五）： 光强的分布
1、实验内容
&& （1）观察单缝、双缝等衍射现象；
（2）测量单缝衍射图象的相对光强分布；
（3）偏振光光强变化的测定。
2、实验目的
（1）观察单缝、双缝等衍射现象,了解其特点;
（2）测量单缝衍射时的相对光强分布；
3、教学要求
（1）观察单缝、双缝等衍射现象,及衍射图形；
（2）学习单缝、双缝等衍射光强分布测取方法,实验验证基本原理、测出其缝
&&&&宽及相对光强分布，绘制相对光强分布曲线。
（3）偏振光光强变化的测定；
4、主要仪器设备：光具座、激光电源及激光器、起偏检偏装置、小孔
&&&&&&&&&狭缝板及光栅板、二维调节架、检流计。
实验方式：仪器操作
实验场地与设备：综合实验楼
实验（十六）： 组合式多功能光栅光谱仪的原理与使用
1、实验内容
&& （1）光栅光谱仪的标定；
（2）组合式多功能光栅光谱仪结构原理及正确使用方法；
（3）练习测试溴钨灯、低压汞灯的谱线，并测量两种滤光片的吸收与透过滤；
（4）仪器的调整；
（5）测量并绘制吸收率与透过度曲线.
2、实验目的
（1）学习光栅光谱仪的分光原理及用途；
（2）学会使用光栅光谱仪进行固体、液体的吸收光谱与透过光谱的测试、制作与分析；
（3）学会用光谱法进行溶液浓度的简单测量。
3、教学要求
（1）预习时要基本了解光栅光谱的形成原理及光栅光谱仪的工作原理，知道本实验的目的与任务，并写出预习报告；
（2）在指导教师的课堂讲解后，掌握光栅光谱仪的使用方法、本次实验的操作流程及数据处理方法；
（3）通过实际动手操作，完成规定的实验内容，规范完整记录实验数据，并分析实验中发生的异常现象和误差形成的环节；
（4）课后独立完成实验报告，要求数据完整，绘图清晰，书写规范，格式正确。
4、主要仪器设备：
组合式多功能光栅光谱仪，滤光片，比色皿
实验方式：仪器操作
实验场地与设备：综合实验楼
实验（十七）：波尔共振实验
1、实验内容
（1）测定摆轮振幅不同时的固有频率
（2）测定阻尼系数
（3）幅频特性与相频特性曲线的测定
2、实验目的
（1）研究受迫振动的幅频特性和相频特性
（2）研究不同阻尼力矩对受迫振动的影响，观察共振现象。
（3）学习用频闪法测定运动物体的某些量。
3、教学要求
&（1）在预习中要明确实验原理
（2）明确仪器的设置及测量方法
（3）学生通过实验，能理解不同阻尼力矩对受迫振动的影响及受迫振动中幅频特性与相频特性
4、主要仪器设备：波尔共振仪
实验方式：仪器操作
实验场地与设备：综合实验楼
实验（十八）：密立根油滴实验
1、实验内容
（1）调整仪器；
（2）练习选择油滴和控制油滴，改变油滴运动方向；
（3）练习测量油滴运动（自由下落）的时间；
（4）用静态平衡法测量油滴；
（5）计算被测油滴带电量q，并用“倒过来验证”的方法求出油滴所带电荷以及基本电荷值e。
2、实验目的
（1）通过对带电油滴在重力场和静电场中运动的测量，验证电荷的不连续性，并测定电子的电荷值e；
（2）通过实验对仪器的调整、油滴的选择、耐心地跟踪和测量以及数据的处理等，培养学生严肃认真和一丝不苟的科学实验方法和态度。
3、教学要求
（1）通过预习了解实验原理
（2）学会调节密立根油滴仪
（3）掌握密立根油滴仪的使用方法，测定基本电荷电量。
（4）通过教学，培养学生耐心细致的科学品质
4、主要仪器设备：密立根油滴仪
实验方式：仪器操作
实验场地与设备：综合实验楼
实验（十九）：迈克尔逊干涉仪的应用
1、实验内容
（1）观察干涉条纹；
（2）非定域干涉条纹的调节；
（3）测量He—Ne激光的波长。
2、实验目的
（1）了解迈克尔逊干涉仪的原理并掌握调节方法；
(2)观察等倾干涉、等厚干涉的条纹，并能区别定域干涉和非定域干涉；
(3)测定He—Ne激光的波长；
3、教学要求
通过学习，进一步了解光的干涉原理，掌握迈克尔逊干涉的原理和仪器的调节方法，测量氦氖激光的波长。
4、主要仪器设备：迈克尔逊干涉仪，氦氖激光器。
实验方式：仪器操作
实验场地与设备：综合实验楼
实验（二十）： 超声波传播速度的测定
1、实验内容
（1）用位相比较法进行测量；
（2）用振幅极值法进行测量；
（3）用逐差法计算测得声波波长λ1（位相比较法）λ2（振幅极值法）；
（4）计算声速V1、V2；
（5）用理论值与实验结果比较求百分误差；
（6）试分析实验中误差来源，并比较两种测量方法的准确程度。
2、实验目的
（1）学习用驻波共振法和相位比较法测量超声波在空气中的传播速度；
（2）了解压电换能器的工作原理及功能；
（3）学会用逐差法处理数据。
3、教学要求
（1）预习时要基本了解驻波共振法和相位比较法的物理意义、换能器在传感器中的地位，知道本实验的目的与任务，并写出预习报告；
（2）在指导教师的课堂讲解后，掌握超声声速测定仪的使用方法、本次实验的操作流程及数据处理方法；
（3）通过实际动手操作，完成规定的实验内容，规范完整记录实验数据，并分析实验中发生的异常现象和误差形成的环节；
（4）课后独立完成实验报告，要求数据完整，绘图清晰，书写规范，格式正确。
4、主要仪器设备：
&超声声速测定仪（含信号源）、示波器
实验方式：仪器操作
实验场地与设备：综合实验楼
实验（二十一）：光电效应测定普朗克常数
1、实验内容
（1）学习并掌握仪器的使用，
（2）学习光电管的结构及原理，测定其基本特性曲线，
（3）测定普朗克常数，
2、实验目的
（1）了解光电效应的基本原理,加深对光量子性的认识
（2）了解光电管的结构和性能,测定其基本特性曲线,为正确使用光电管提供依据
（3）验证爱恩斯坦光电效应方程,测定普朗克常数
3、教学要求
（1）用实验的方法观测光电效应的基本规律，
& （2）验证爱因斯坦光电效应方程，测定普朗克常数，
（3）学习用作图法和线性拟合法处理数据
4、主要仪器设备：智能光电效应(普朗克常数)实验仪
实验方式：仪器操作
实验场地与设备：综合实验楼
实验（二十二）： 脉冲核磁共振仪原理及应用
1、实验内容
（1）用自由感应衰减法测量表观横向弛豫时间，分析磁场均匀度对信号的影响。
（2）用自旋回波法测量不同样品的横向弛豫时间。
（3）用反转恢复法测量不同样品的纵向弛豫时间。
（4）调节磁场均匀度，通过傅里叶变换测量样品的化学位移。
2、实验目的
了解脉冲核磁共振的基本实验装置和基本物理思想，学会用经典矢量模型方法解释脉冲核磁共振中的一些物理现象。
3、教学要求
（1）预习时要基本了解核磁共振的物理意义及核磁共振仪的工作原理，知道本实验的目的与任务，并写出预习报告；
（2）在指导教师的课堂讲解后，掌握脉冲核磁共振仪的使用方法、本次实验的操作流程及数据处理方法；
（3）通过实际动手操作，完成规定的实验内容，规范完整记录实验数据，并分析实验中发生的异常现象和误差形成的环节；
（4）课后独立完成实验报告，要求数据完整，绘图清晰，书写规范，格式正确。
4、主要仪器设备：
脉冲核磁共振仪，待测试样，数据处理与显示电脑
实验方式：仪器操作
实验场地与设备：综合实验楼
实验（二十三）：弗兰克-赫兹实验
1、实验内容
（1）手动测试。定性观察IP-UP变化情况
（2）自动测试。连接计算机，做出完整Ia-Ugk2曲线。
（3）计算第一激发电位，与公认值比较，计算实验误差
2、实验目的
（1）用实验的方法测定汞或氩原子的第一激发电位，从而证明原子分立态的存在
（2）练习使用微机控制的实验数据采集系统。
3、教学要求
通过预习，进一步了解弗兰克赫兹实验测量第一激发电位的原理，了解仪器的工作原理，会使用微机控制系统采集数据，会测定汞或氩原子的第一激发电位。
4、主要仪器设备：弗兰克-赫兹实验仪
实验方式：仪器操作
实验场地与设备：综合实验楼
五、考核方式与成绩评定办法
学生必须按规定时间进行实验，因故不能做实验者，应向指导教师请假，所缺实验要在本课程考试前补齐，否则不能参加本课程的考试。
（1）总成绩的评定
总评成绩由平时成绩和实验考核成绩综合评定，平时成绩(包括第一学期的成绩)占60%，实验考核成绩占40%。按百分制给出总评成绩。
（2）平时实验成绩的评定
&平时成绩由预习、课上测量结果、实验报告完成情况综合评定。
下述情况本次实验成绩为零分：弄虚作假者，态度蛮横不听劝告者，不遵守仪器使用规程致使仪器受到损伤者。
无故不按时交报告者，本次成绩下降20-40分。
平时无故缺做实验，补做实验后成绩下降30分
实验过后签过字的原始数据不能遗失，随报告一同交上，无签字纸的报告原则上不予批阅。
（3）在正常情况下，实验成绩不及格者，如因平时成绩所致，要重修一遍；如因能力考核所致，再给一次考核机会。
课程的评价与持续改进机制：
1、教学大纲
考核周期： 4年，修订周期：4年。
改进措施：课程团队负责人组织团队所有教师讨论后提出改进意见，经教研室主任审核后由教学院长批准。
2、成绩评定考核
考核周期：1学年，评价依据：学生最终成绩综合分析。
改进措施：根据学生最终成绩的分布，进行相应的内容调整和优化，并改进教学方法。
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大学物理实验――光学实验
实 验 教 学 指 导 书光学实验（物理学专业）陶淑芬 二七年三月1目录《光学》实验教学大纲 ................................................................ 1 实验一 实验二 实验三 实验四 实验五 实验六 实验七 实验八 实验九*薄透镜焦距的测定 ............................................................ 3 分光计的调节及棱镜顶角的测量 ................................................ 8 用分光计测定棱镜折射率 ..................................................... 14 用双棱镜测定光波波长 ....................................................... 17 利用牛顿环干涉测量透镜曲率半径 ............................................. 21 迈克尔逊干涉仪的调节和使用 ................................................. 25 用透射光栅测定光波波长 ..................................................... 29 光电效应测定普朗克常量 ..................................................... 33 阿贝折射计测定透明介质的折射率 ............................................. 39 偏振现象的观测与应用 ....................................................... 43 光具组基点的测定 ......................................................... 45 测定单、双缝衍射的光强分布 .............................................. 49 光波波长测量方案和结果的比较 ............................................. 52 细丝直径（或膜厚、空气折射率）的测量与比较 ............................... 53 望远镜、显微镜的组装及放大倍数的测定 ..................................... 54实验十 实验十一 实验十二 实验十三 实验十四 实验十五*****2《光学》实验教学大纲课程代码: 课程名称：光学实验 英文名称：Optics Experiment 总 学 时：39 总 学 分：2 课程类别: 专业必修 适用对象: 物理学专业 先修课程：高等数学、光学 一、教学目的 普通物理实验是高等师范院校物理学专业独立设置的重要专业基础课。是学生接受系统的实验 技能训练，加强理论联系实际的重要途径之一。光学实验是普通物理实验的重要部分，通过本课程 的学习，要求学生初步掌握光学实验的基本内容及其独立进行实验操作的技能。使学生具有初步的 科学实验能力。 二、基本要求 1． 通过实验使学生在光学实验的基本知识、基本方法和基本技能方面得到较为系统的训练。 2． 掌握光具座、分光计、测微目镜、移测显微镜等基本光学仪器的正确使用方法，学会光路共 轴调整、折射率、波长等基本光学量的测量方法。 3.通过实验现象的观测和分析，加深对光学理论及规律的理解。 4.通过实验培养学生理论联系实际、实事求是、严谨治学的科学作风。 三、实验教学内容、要求与学时（以实验项目先后顺序编排） 实验 学时 2 3 3 验证 验证 实验 类型 教学 形式 讲授 指导 指导编号实验题目具体 要 求0 1绪论 薄透镜焦距的测定 分光计的调整及棱 镜顶角的测定1.光学实验的基本内容和特点、教学要求；2. 间接测量的不确定度及其计算方法。 1.学习光学系统共轴调节的方法；2.掌握几种 测量会聚和发散透镜焦距的实验方法。 1.了解分光计的结构，学会正确调整和使用分 光计；2.掌握测量棱镜顶角的方法。213 4分光计测定棱镜折 射率 用双棱镜干涉测量 钠光波长 用牛顿环干涉测量 透镜曲率半径1.熟悉分光计的使用；2.掌握测量最小偏向角 的方法， 测定棱镜对不同波长入射光的折射率。 1.掌握用双棱镜获得双光束干涉条纹的方法； 2.测定钠光的波长。 1.加深对等厚干涉现象的认识； 掌握牛顿环 2. 干涉测量透镜曲率半径的方法。 1.了解迈克耳逊干涉仪的工作原理，掌握调整 和使用的方法；2.观察等厚、等倾干涉条纹； 3.测量激光的波长。 1.加深对光栅衍射基本原理的理解；2.利用透 射光栅衍射测定光的波长、 光栅常数及角色散。 1.用减速电位法测量不同频率入射光的截止电 压，作图计算普朗克常数 h；2.通过实验理解 光的量子性，验证爱因斯坦方程。 1.了解阿贝折射计的工作原理；2.学习使用阿 贝折射计测定固、液体折射率。 1.掌握产生和检验偏振光的方法，加深对光的 偏振现象的认识；2.验证马吕斯定律；*3.学习 使用旋光仪测量糖溶液浓度。 1.成像法确定光具组的基点位置，验证高斯公 式；*2.利用测节器原理，确定透镜组的基点位 置；3.进一步了解光学系统基点的性质。 加深对单、双缝衍射原理的理解，测量单 缝衍射相对光强分布，并作光强分布曲线。 设计二种光波波长测量方案并实施，分析 比较测量方法和结果。3 3验证 综合指导 指导53验证指导6迈克耳逊干涉仪的 调整和使用3验证指导7用透射光栅衍射测 光波波长及角色散 光电效应测定普朗 克常量 *阿贝折射计测定透 明介质的折射率3验证指导83综合指导93验证指导10*偏振现象的观测与 应用3验证指导11*光具组基点的测定3综合指导12*测定单、双缝衍射 的光强分布 *光波波长测量方案 和结果比较3验证指导136设计开放14*细丝直径（或透明 自行设计测量细丝直径（或透明膜厚、空气 膜 厚 、 空 气 折 射 率 折射率等）的实验方案并实施，分析比较测量方 等）的测量与比较 法和结果。 *望远镜、显微镜的 组装及放大倍数的 测定6设计开放15通过组装过程，深入理解望远镜、显微镜 的原理；学会放大倍数的计算方法。6设计开放2实验一[实验目的及要求] 1.学会测量透镜焦距的几种方法。薄透镜焦距的测定2.掌握简单光路的分析和光学元件同轴等高的调节方法。 3.熟悉光学实验的基本操作规程。 [实验原理] 在近轴光线的条件下，薄透镜成像满足高斯公式f' f + =1 s s'当薄透镜置于空气中时，其焦距(1-1)f ' =?f =(1-2)式中,f ′ 为像方焦距； fs's s ? s'(1-2)为物方焦距； s ′ 为像距； s 为物距。式中的各线距离均从透镜中心(光心)量起，与光线行进方向一致为正，反之为负，如图 1 所示。 若在实验中分别测出物距 s 和像距s′ ， 即可用式(1-2)求出该透镜的焦距f ′ 。但应注意:测得量须添加符号，求得量则根据求得结果中的符号判断其 物理意义。图 1-1 薄透镜成像光路图1 凸透镜焦距的测量 1.1 物像公式法 如图 1-1 所示，在待测透镜 L 的一侧放置被光源照明的带网格的 1 字形物屏 p ，在另一侧放置 像屏，移动透镜 L 或像屏，则可以在像屏上得到清晰的实像 p ′ ，量取透镜中心到物屏的距离 s 和透 镜中心到像屏的距离 s ′ ，代入高斯公式（1-2），就可计算出透镜的焦距。计算时应注意添加符号的 问题。 1.2 自准法 如图 1-2 所示，在透镜 L 的一侧放置被光源 照明的 1 字形物屏 AB，在另一侧放一平面反射镜3图 1-2 自准法测凸透镜焦距光路图M，移动透镜 L ，当物屏 AB 正好位于凸透镜的物方焦平面时，物屏 AB 上任一点发出的光线经透镜折 射后，将变为平行光线，然后被平面反射镜反射回来。再经透镜折射后，仍会聚在它的焦平面上， 即在原物屏平面上，形成一个与原物大小相等，方向相反的倒立实像 A′B′。此时像距 s ′ = ∞ ,由高 斯公式知f ′ = ?s(1-3)显然透镜到物屏的距离就是待测透镜的焦距。 由于这个方法是利 用调节实验装置本身使 之产生平行光以达到聚 焦的目的，所以称之为 自准法， 该法简便快捷， 但是测量误差有些大。 1.3 位移法(又称为 贝塞尔法) 物像公式法、自准图 1-3 位移法测焦距光路图法都因透镜的中心位置不易确定而在测量中引进误差，为避免这一缺点，可取物屏与像屏之间的距 离 D f 4 f ′ ，并且固定 D ，则在物屏与像屏之间沿光轴方向移动透镜时，能够在像屏上观察到二次成 像。如图 1-3 所示，设物距为 s1 时，得放大的倒立实像；物距为 s2 时，得缩小的倒立实像，透镜两 次成像之间的位移为 d,有几何关系如下：′ S 1 = ? S 2 = ? (D ? d ) / 2′ S 1 = ? S 2 = (D + d ) / 2代入式（1-2）即得f ′ = D2? d 4D2(1-4)可见，只要在光具座上确定物屏与像屏之间距离 D 以及二次成像时透镜的位移 d ，就可较准确 的求出焦距 f ′ 。这种方法不涉及透镜本身的厚度，测量误差较小 。 2 凹透镜焦距的测量 对于凹透镜，由于它对光线有发散作用。不能对实物成像，我们采用下列方法测凹透镜焦距。 2.1 辅助凸透镜成像法 如图 1-4 所示，先使发光物 AB 经过辅助凸透镜 L１后形成缩小的实像 A′B′，然后在 L１和 A′B ′之间（尽量靠近 A′B′，为什么？）放入待测凹透镜 L２ ，则 A′B′成为 L２的虚物，向后移动像4屏直至在屏上生成放大的实像 A″B″。分别量出 L２到 A′B′和 A″B″之间距离 s２ 、s２′，根据式 (1-2)即可求出 L２的像方焦距f 2′ =′ s2 s2 ′ s2 ? s2(1-5)图 1-4辅助凸透镜成像光路图图 1-5凹透镜自准法光路图2.2 凹透镜自准法 如图 1-5 所示，先使发光物 p 经过辅助凸透镜 L１后生成实像 p ′ ，然后在 L１和 p ′ 之间放入待测 凹透镜 L２ ，则 p ′ 成为 L２的虚物，将像屏换成平面反射镜 M ；移动 L2，改变 L2 和 p ′ 之间的距离， 当 L2 和 p ′ 之间的距离等于凹透镜 L２的焦距时， L２发散的光线为平行光， 经 平行光再经平面镜反射回 来，在物屏上生成一个与物等大的倒立实像。此时像距 s ′ = ∞ ,由高斯公式知f2′ = ?s2即凹透镜 L２到 p ′ 的距离就是待测凹透镜的焦距。 [实验仪器及用品] 光具座，凸透镜，凹透镜，钠光灯，物屏，像屏，平面反射镜 [实验内容与步骤] 一、光具座上各光学元件同轴等高的调节(1-6)开启钠光灯，先将物屏、凸透镜和像屏放置于光具座上，（物屏尽量靠近光源放置！）使它们 尽量靠拢，用眼睛观察，粗调各元件中心大致在与导轨平行的同一条直线上，且使各元件截面垂直 于光具座导轨；然后利用两次成像法进行细调，使物屏与像屏之间的距离 D f 4 f ′ ，固定 D ，则在物 屏与像屏之间沿光轴方向移动透镜时，能够在像屏上观察到二次成像，采用“大像追小像”方法调 节共轴：即先调节像屏标志线与小像中心重合，移动透镜，观察大像并调节透镜高低使大像中心与 小像中心（像屏标志线）重合，再移动透镜观察小像，重复上述调节直到大像和小像中心重合（均5与像屏上同一标志线重合）为止。如果还有其他凸透镜，则放入物屏与像屏之间，移动透镜或像屏， 使再次成像，调节放入凸透镜的高低左右，使所成像中心与标志线重合；如果是凹透镜，则采用图 4 所示光路图，调节凹透镜使所成像中心与标志线重合，直至各光学元件的光心共轴，并与光具座导 轨平行为止。 二、凸透镜焦距的测量 1.自准法测凸透镜焦距 ①按图 1-2 所示放置光学元件，用钠光灯照明物屏。 ②固定物屏，移动凸透镜 L ，直到在物屏上得到一个与物等大倒立的清晰像（绕铅直轴略转动 平面镜 M，物象错开，便于观察判断成像清晰程度；实验中注意区分经凸透镜内表面和平面镜反射后 所成的像，前者不随平面镜转动而移动！），记录物屏的位置读数 x AB 与凸透镜 L 位置读数 xL ，则 凸透镜焦距 f ′ = x AB ? xL 。 ③重复 5 次测量。 2.物距像距法测凸透镜焦距 ①按图 1-1 所示放置各光学元件，物屏尽量靠近光源放置。 ②移动透镜或像屏，直到在像屏上得到清晰的像为止，记录物距 s 与像距 s ′ ，由式(1-2)求出焦 距。 ③改变像屏的位置，重复 5 次测量，求其焦距及其不确定度。 3.位移法测凸透镜焦距 ①按图 1-1 所示放置各光学元件，物屏尽量靠近光源放置。 ②使物屏与像屏之间的距离 D f 4 f ′ ，并固定物屏与像屏位置。 ③移动透镜，使在像屏上生成两次实像，如图 1-3 所示，记录物屏与像屏之间的距离 D 和两次 成像时透镜的位置 XⅠ和 XⅡ，则 d = XⅡ-XⅠ，由式(1-4)可求出 f ′ 。 ③改变屏的位置重复测 5 次，求其焦距及其不确定度。 三、凹透镜焦距的测量 1.辅助凸透镜成像法测凹透镜焦距 ①按图 1-1 所示，移动凸透镜 L１，使像屏上生成清晰、倒立、大小适中的实像 A′B′，保持凸 透镜 L１的位置不变。 ②按图 1-4 所示，将凹透镜 L２放入 L１与像屏之间，向后移动像屏，使屏上重新得到清晰、放大、 倒立的实像 A″B″。 A′B′、 B″的位置， L２至 A′B′的距离为物距 s2 ， ２至 A″ A″ 则 L B″的距离为像距 s2′ ， ③记录 L２、6代入式(1-5)求出 f 2′ 。 ④改变凹透镜位置，重复测 5 次，求其焦距及其不确定度。 2.自准法测凹透镜焦距 ① 按图 1-5 所示，移动凸透镜 L１，使像屏上生成清晰、倒立、大小适中的实像 p ′ ，保持凸透镜 L１的位置不变。 ② 在 L１和 p ′ 之间放入待测凹透镜 L２ ， p ′ 成为 L２的虚物，将像屏换成平面反射镜 M ；移动 L2，改变 L2 和 p ′ 之间的距离，使在物屏上生成一个与物等大的倒立实像（使平面镜稍微转动一个 小角度，物象错开，便于观察判断成像清晰程度）。则此时 L2 至 p ′ 的距离为凹透镜 L２的焦距。 [思考题] 1.高斯公式的前提条件是什么？ 2. 实验过程中对共轴调节有哪些要求?不满足这些要求对测量会产生什么影响? 3.在自准直法测凸透镜焦距时，你观察到的像有什么特征?为什么？ 4.试分析比较各种测凸透镜焦距方法的误差来源，提出对各种方法优缺点的看法。 5.试设计 2 种测量凹透镜焦距的实验方案，并简述原理及测量方法。 [实验注意事项] 1.测量物屏、透镜及像屏位置时，要检查各滑座上的读数准线方向是否一致，通常朝向光源方 向。 2.所有测量的前提是光学元件共轴，特别要注意保持光学元件截面垂直与导轨。 3.由于人眼对成像的清晰度分辨能力有限，所以观察到的像在一定范围内都清晰，为了减小误 差，需要在像模糊→清晰→模糊的过程中反复寻找确定清晰成像位置。 4.记录物距、像距和计算焦距时，注意符号法则的运用。7实验二[实验目的及要求]分光计的调节及棱镜顶角的测量1．了解分光计的结构和各部分的作用，学会分光计的调整和使用方法。 2．学会用自准直法测定棱镜顶角。 [实验原理] 1．分光计的结构和调整原理 分光计（光学测角仪）是用来精确地测量入射光和出射光之间偏转角度的一种仪器。用它可以 测量折射率、色散本领、光波波长、光栅常数等物理量。分光计的结构是其它许多光学仪器（如摄 谱仪、单色仪，分光光度计等）的基础。学习分光计的使用，可以为使用更复杂的光学仪器的调节 打下基础。 分光计的结构复杂、装置精密，调节要求也比较高，对初学者来说会有一定的难度。但是在了 解其基本结构和测量光路条件下，只要严格按调节要求和步骤仔细地调节，也不难调好。。4 3 2 1 5 6 7 8 9 105 20 14 21 22911 12 13 14 15 16～6.3V191817图 2-1 分光计结构图 1-小灯 2-分划板套筒 3-目镜 4-目镜筒制动螺丝 5-望远镜倾斜度调节螺丝 6-望远镜镜筒 7-夹持待测件弹簧 片 8-平行光管 9-平行光管倾斜度调节螺丝 10-狭缝套筒制动螺丝 11-狭缝宽度调节螺丝 12-游标圆盘制动 螺丝 13-游标圆盘微调螺丝 14-放大镜 15-游标圆盘 16-刻度圆盘 17-底座 18-度盘制动螺丝 19-望远镜微调 螺丝 20-载物小平台 21-载物台水平调节螺丝 22-载物台制动螺丝分光计必须满足下述两个要求： （1）入射光和出射光应当是平行光。 （2）入射光线、出射光线与反射面（或折射面）的法线所构成的平面应当与分光计的刻度圆盘 平行。8为此，任何一台分光计必须备有以下四个主 要部件：平行光管、望远镜、载物台、读数装置。 分光计有多种型号，但结构大同小异。如图 2-1 所示是 JJY-1 型分光计的外型和结构图。分光计 的下部是一个三脚底座，其中心有竖直轴，称为 分光计的中心轴，轴上装有可绕轴转动的望远镜 和载物台，在一个底脚的立柱上装有平行光管。 2．分光计主要部件的结构及原理 （1）平行光管 平行光管是提供平行入射光的部件。它是装在柱形圆管一端的一个可伸缩的套筒，套筒末端有 一狭缝，筒的另一端装有消色差的会聚透镜。当狭缝恰位于透镜的焦平面上时，平行光管就射出平 行光束，如图 2-2 所示。狭缝的宽度由狭缝宽度调节螺丝 11 调节。平行光管的水平度可用平行光管 倾斜度调节螺丝 9 调节，以使平行光管的光轴和分光计的中心轴垂直。 （2）阿贝式自准直望远镜 望远镜是用来观察和确定光束的行进方向，它是由物镜、目镜及分划板组成的一个圆管。常用 的目镜有高斯目镜和阿贝目镜 两种，都属于自准目镜，JJY-1 型分光计使用的是阿贝式自准 目镜，所以其望远镜称之为阿 贝式自准直望远镜，结构如图 2-3 所示。 从图中可见，目镜装在 A 筒中，分划板装在 B 筒中，物 镜装在 C 筒中，并处在 C 筒的小十字 （b） 中十字叉丝 透光窗 反射像 A B 小棱镜 C 小电珠 物镜 平面镜 目镜视物 目镜 分划板 物镜平行光管 光 会聚透镜 狭缝 图 2-2 平行光管工作原理（a ） 分划板图 图16-3 望远镜示意图 2-3 望远镜原理图端部。其中分划板上刻划的是“n”形的准线（不同型号准线不相同），下边粘有一块 45°全反射 小棱镜，其表面上涂了不透明薄膜，薄膜上刻了一个空心十字窗口，小电珠光从管侧射入后，调节 目镜前后位置，可在望远镜目镜视场中看到图 2-3(a)中所示的镜象。若在物镜前放一平面镜，前后 调节目镜（连同分划板）与物镜的间距，使分划板位于物镜焦平面上时，小电珠发出的光透过空心 十字窗口经物镜后成平行光入射至平面镜，反射光经物镜后在分划板上形成十字叉丝的反射像。若 平面镜镜面与望远镜光轴垂直，此像将落在“n”准线上部的比较叉丝上，如图 2-3(b)所示。(与物 共轭对称) （3）载物台9源载物台是用来放置待测物件的。台上附有 夹持待测物件的弹簧片 7。 台面下方装有三个水30 180螺丝的中心形成一个正三角形。松开载物台紧 固螺丝 22，载物台可以单独绕分光计中心轴转90 270动或升降。拧紧载物台紧固螺丝 22，它将与游 标盘固定在一起。游标盘可用游标圆盘制动螺 丝 12 固定。5 310 030读数装置是由刻度圆盘 16 和游标圆盘 15 组成，如图 2-4a。刻度圆盘为 360°（720 个刻 度）。所以，最小刻度为半度（30′），小于 半度则利用游标读数。游标上刻有 30 个小格， 游标每一小格对应角度为 1′。 角度游标读数的 方法与游标卡尺的读数方法相似， 例如图 2-4(b) 所示的位置，其读数为： θ=A+B=116°12′110(a)01020120O O（b）A=116 B=12' θ=A+B=116 12'图 2-4 读数装置示意图 图16-4 刻度圆盘与游标圆盘两个游标对称放置，是为了消除刻度盘中心与分光计中心轴线之间的偏心差。测量时，要同时 记下两游标所示的读数。 望远镜、载物台和刻度圆盘的旋转轴线应该与分光计中心轴线相重合，平行光管和望远镜的光 轴线必须在分光计中心轴线上相交，平行光管的狭缝和望远镜中的叉丝应该被它们的光轴线平分。 但在分光计的制造过程中总存在一定的误差，为了消除刻度盘与分光计中心轴线之间的偏心差，在 刻度圆盘同一直径的两端各装有一个游标。测量时，两个游标都应读数，然后算出每个游标两次读 数的差，再取其平均值。这个平均值就可以作为望远镜（或载物台）转过的角度，以消除偏心差。 [实验仪器及用具] JJY-1 型分光计，光源（钠光灯或汞灯），双面平面镜，三棱镜 [实验内容及步骤] 一、调整分光计 精密光学测量都是使用平行光，分光计也是按此设计的。分光计的调整任务为： 1.望远镜能够接收平行光（或调焦到无穷远处），其光轴垂直于分光计的中心轴。 2.平行光管能够发射平行光。其光轴与望远镜光轴等高共面。 3.载物台面垂直于分光计的中心轴。1045（4）读数装置T' T5 220平调节螺丝，用来调整台面的倾斜度。这三个5 1330B（游标） A（度盘）130为此，必须对照分光计的结构图和实物，熟悉分光计各部分的具体结构及其调整和使用方法。 按下列步骤进行调整： （1）粗调（目测判断）。为了便于调节望远镜光轴和平行光管光轴与分光计中心轴严格垂直， 可先用目视法进行粗调，使望远镜、平行光管和载物台面大致垂直于中心轴。具体方法为：凭眼睛 观察，调节望远镜倾斜度调节螺丝 5 与平行光管倾斜度调节螺丝 9。使望远镜与平行光管的主光轴大 致同轴，再调节载物台三个水平调节螺丝 21，使载物台的法线方向大致与望远镜和平行光管的光轴 垂直。目测是细调的前提，也是分光计能否被顺利调好的保 证。 （2）调整望远镜适合观察平行光: ①.点亮望远镜上的照明小灯，调节望远镜的目镜，使 视场中能清晰地看到“n”形叉丝。 ②.将双面平面镜（简称平面镜或双面镜）放在载物台 上（参照图 6 放置），图中 a、b 和 c 是载物台下面的 三个水平调节螺丝。轻缓地转动载物台，从望远镜中能看到双面镜反射回来的“十”字光斑。如果 找不到“十”字光斑，说明粗调没有达到要求，应重新进行粗调。 ③.在找到“十”字反射回来的“十”字光斑后，调节望远镜中的叉丝套筒，即改变叉丝与物镜 间的距离，使在望远镜中能看到清晰的“十”字像（绿色），并使“十”字像与“n”叉丝无视差。 这样，望远镜就可以适合接收平行光了。 （3）调节望远镜主光轴垂直于分光计的中心轴： 望远镜倾斜螺钉与平面镜前载物台底角螺钉“各调一半”，使“十”反射像与“n”叉丝的上 交点重合（比较叉丝）如图 2-6C，此时平面镜法线与望远镜主光轴平行⑥⑦。图 2-5 平面镜、三棱镜的放置a 十字反射像在比较 叉丝下方cbbc十字反射像与比较 叉丝重合 图 2-6 十字反射像的位置调整示意图十字反射像在比较 叉丝上方⑤旋转载物台 180°，望远镜倾斜螺钉与平面镜前载物台底角螺钉各调一半，使“十”反射像与“n”11叉丝的上交点重合。 ⑥重复上述步骤，使旋转载物台 180°前后，“十”反射像均与“n”叉丝的上交点重合，则说明望 远镜的主光轴已垂直于分光计的主轴。 （4）调节平行光管产生平行光并调节平行光管的主光轴垂直于分光计主轴。 用前面已调整好的望远镜来调节平行光管。如果平行光管出射平行光，则狭缝成像在望远物镜 的焦平面上，望远镜中就能清楚地看到狭缝像，并与叉丝无视差；然后再进一步调节平行光管，使 其主光轴垂直于分光计主轴。调整方法如下： ①.开启汞灯， 转动望远镜对准平行光管， 拧松狭缝套筒制动螺丝 10， 调节狭缝和透镜间的距离， ， 使从望远镜中看到清晰的狭缝像，且与“n”叉丝无视差。这时狭缝位于透镜的焦平面上，平行光 管发出平行光。再调狭缝宽度调节螺丝 11 使狭缝像清晰、细锐、明亮。 ②．调节平行光管主光轴与望远镜光轴等高共面。 使狭缝转动 90°，调节平行光管倾斜度调节螺丝 9，使水平狭缝像与“n”叉丝的中心线重合；再 旋转狭缝 90° ，使狭缝像竖直，此时平行光管主光轴与望远镜光轴等高共面。 二、自准直法测三棱镜顶角 把三棱镜放在调整好的分光计上，磨砂面朝向平行光管，两个光学表面夹角朝向观察者，固定 载物台和游标盘，转动望远镜（带动度盘），在垂直 AC 面寻找到十字叉丝反射象，并与比较叉丝重′ ′ 合，得到垂直于 AC 面的位置，记作 v1 , v2 转动望远镜找到与 AB 面的位置，记作 v1 , v2 ，则三棱镜顶角′ ′ A = 180o ? ( v1 ? v1 + v2 ? v2 ) / 2重复上述过程并测量 5 次。 三、数据与结果 数据记录表格 望远镜垂直 AC 面方位 次数 左游标 v1 1 2 3 4 5 右游标 v2 分光计编号 望远镜垂直 AC 面方位 Δ仪=′ 左游标 v1′ 右游标 v2A[思考题]121.分光计有哪些部分组成，各部分的作用如何？ 2.调整分光计的主要步骤是什么？ 3.用自准直法调节望远镜适合观察平行光的主要步骤是什么？当你观察到什么现象时就能判定 望远镜已适合观察平行光？为什么？ 4.借助于平面镜调节望远镜与分光计主轴垂直时，为什么要使载物台旋转 180°？ 5.用分光计测量角度时，为什么要读下左右两窗口的读数，这样做的好处是什么？ 6 望远镜、平行光管、载物台、刻度盘之间相互关系是什么？简述调整要求？ 7. 调整望远镜光轴与光学测角仪中心相垂直中为什么要用各半调法？如何应用各半调法？ 附 录 圆（刻）度盘的偏心差 用圆（刻）度盘测量角度时，为了消除圆度盘的偏心差，必须由相差为 180°的两个游标分别读 数。大家知道，圆度盘是绕仪器主轴转动的，由于仪器制造时不容易做到圆度盘中心准确无误地与 主轴重合，这就不可避免地会产生偏心差。圆度盘上的刻度均匀地刻在圆周上，当圆度盘中心与仪 器主轴重合时，由相差 180°的两个游标读出的转角刻度数值相等。而当圆度盘偏心时，由两个游标 读出的转角刻度数值就不相等了，所以如果只用一个游标读数就会出现系统误差。如图 16-11 所示， 用 AB 的刻度读数，则偏大，用 A′B′的刻度读数又偏小。由平面几何很容易证明。1 B )= D ( AB+A＇＇ CD=C＇ ＇ 2亦即由两个相差 180°的游标上读出的转角刻度数值的平均值就是圆盘真正的转角值， 从而消除了偏 心差。13实验三[实验目的及要求] 1.熟悉分光计的使用； 2.掌握测量最小偏向角的方法，用分光计测定棱镜折射率3.测定棱镜对不同波长入射光的折射率。 [实验原理] 玻璃的折射率可以用很多方法和仪器测定，方法和仪器的选择取决于对测量结果精度的要求。 在分光计上用最小偏向角法测定玻璃的折射率，可以达到较高的精度。但此法需把待测材料磨成一 个三棱镜。如果是测液体的折射率，可用平面平行玻璃板做一个中空的三棱镜，充入待测的液体， 然后用类似的方法进行测量。 一束平行的单色光，入射到三棱镜的 AB 面，经折射后由另一 面 AC 射出，如图 3-1 所示。入射光和 AB 面法线的夹角 i 称为入射 角，出射光和 AC 面法线的夹角 i′称为出射角，入射光和出射光 的夹角δ称为偏向角。理论证明，当入射角 i 等于出射角 i′时， 入射光和出射光之间的夹角最小，称为最小偏向角δ。由图 3-1 可 知： Δ = (i ? r ) + (i ′ ? r ′) 其中 r 和 r ′ 意义见图。 当 i = i ′ 时，由折射定律得 用δ代替△得r = r′B iDAF rJδi E G C R图 16- 5 单色光经三棱镜折射 图 3-1 三棱镜色散示意图δ = 2(i ? r )又因 所以r= A 2（3-1）r + r′ = A ，其中 G 和 A 的意义见图。（3-2）由（3-1）式和（3-2）式得： i = A + δ ，由折射定律得：2n=sin i = sin rsinA+δ 2 A sin 2（3-3）由（3-3）式可知，只要测出三棱镜顶角 A 和最小偏向角 δ ，就可以计算出三棱镜玻璃对该波长14的入射光的折射率。 顶角 A 和最小偏向角 δ 由分光计测定。 [实验仪器及用具] JJY-1 型分光计，光源（汞灯），双面平面镜，三棱镜。 [实验内容及步骤] 一、调整分光计处于正常工作状态 1.望远镜能够接收平行光（或调焦到无穷远处）,且其光轴垂直于分光计的中心轴。 2.平行光管能够发出平行光,且其光轴与望远镜光轴等高共面。 3.载物台面垂直于分光计的中心轴。 二、寻找并测量各级光谱线的最小偏向角 1.在调好分光计的基础上(不要取下三棱镜!),锁紧游标 盘和度盘,转动载物台(连同所载三棱镜)使平行光管发出的 平行光斜入射 AB 光学表面,转动望远镜在 AC 光学面对称位置 寻找色散光谱线（如图 3-2 所示）. 2.确定最小偏向角位置。将载物台(连同所载三棱镜)稍 稍转动，改变入射光对光学面 AB 的入射角 i，出射光方向 ER 随之而变。与此同时偏向角发生变化，这时，从望远镜中看 到的色散光谱线也随之移动（转动望远镜同步跟踪），判断 此时偏向角是增大还是减小， 然后转动载物台(连同所载三棱 镜)使待测光谱线向偏向角减小的方向移动。当载物台(连同 所载三棱镜)转到某个位置时，待测光谱线不再移动。继续使 载物台(连同所载三棱镜)沿原方向转动，待测光谱线反而向 相反方向移动，即偏向角反而增大。这个转折位置就是待测 光谱线最小偏向角位置，。 3.锁紧载物台,转动望远镜，使望远镜视场中的“n”叉丝竖线与待测光谱线重合并读出此时左 此位置就是对应最小偏向角的出射光所在位置。 转动望远镜,使望远镜视 右两游标的角度位置 v1 , v2 ，图16-9 最小偏向角观察图 3-2 最小偏向角位置io平 行 光 管(b) BA Eo E C R Ro望 远 镜望 远 镜′ ′ 场中的 “n” 叉丝竖线与入射光线(白狭缝像)重合并读出此时左右两游标的角度位置 v1 , v2 ;上述两角′ ′ 位置相减就是待测光谱线的最小偏向角的值 δ = ( v1 ? v1 + v2 ? v2 ) / 2 。重复上述步骤(2)和(3),分别测量出经三棱镜色散的汞绿、黄 1、黄 2 的最小偏向角。重复 5 次。 4.计算三棱镜相对汞绿、黄 1、黄 2 的折射率。 三、数据与结果151．数据表格 分光计编号 三棱镜编号 光源 数据记录表 入射光方位 次 数 1 2 3 1 2 3 1 2 3 黄 绿 紫 谱 线 左游标 右游标 左游标 右游标 出射光方位 Δ仪= 顶角 A= 波长λ=′ ′ δmin =(v1 ?v1 + v2 ?v2 )/2nv1v2′ v1′ v216实验四用双棱镜测定光波波长[实验目的及要求] 1.观察双棱镜产生的光的干涉现象,掌握获得双光束干涉的一种方法,进一步理解干涉的条件。 2. 学会用双棱镜测定光波波长。 [实验原理] 如果两列频率相同的光波沿着几乎相同的方向传播 , 并且这两列光波的位相差不随时间而变 化 , 那么在两列光波相交的区域内 , 光强的分布是不均匀的 , 在某些地方表现为加强 , 在另 些地方表现为减弱 ( 甚至可能为零 ), 这种现象称为光的干涉 。 菲涅耳利用下图所示装置 , 获得了光的干涉现象 。图 4-1 双棱镜干涉光路图图 4-1 中由单色光源 M 发出的光束经透镜 L 会聚于狭缝 S, 使 S 成为具有较大亮度的线状光 源 .当由 S 发出的光束投射到双棱镜 AB 上时 , 经 折射后形成两束光 .透过双棱镜观察这两束 光时 , 就好象它们是由虚光源 S1 和 S 2 发出的 .由于这两束光来自同一光源 , 满足相干条件 , 故 在两束光相互交叠区域 p1 p2 内产生干涉 , 可在白屏 P 上观察到平行于狭缝的等间距的干涉条纹 . 为了提高干涉条纹的清 晰度 , 要求狭缝 S 的宽度和两虚光源 S1 和 S 2 间的距离不能太大，为此 ， 实验所用的双棱镜 AB 的折射棱角要小 ( 一般小于 1 ). 设 d ′ 代表两虚光源 S1 和 S 2 间的距离 , d 为虚光源所在的平面 ( 近似地在光源狭缝 S 的平面内 ) 至观察屏 P 的距离 , 且 d ′d , 干涉条纹宽度为 Δx , 则实验所用光波波长 λ 可由下式表示：0λ=d′ Δx d（4-1）式表明，只要测出 d ′ 、 d 和 Δx ， 就可算出光波波长 λ 。 由于干涉条纹宽度 Δx 很小，必须使用测微目镜进行测量 。两虚光源间的距离 d ′ , 可用一已知17焦距为 f ′ , 的会聚透镜 L 置于双棱镜与测微目镜之间 ( 图 4-2), 由透镜两次成象法求得 。只要 使测微目镜到狭缝的距离 d f 4 f ′ , 前后移动透镜 , 就可以在两个不同位置上从测微目镜中看到两 虚光源 S1 和 S 2 经透镜所成的实象 , 其中之一为放大的实象 , 另一为缩小的实象 .如果分别测得放 大象的间距 d1 和缩小象的间距 d 2 , 则根据下式即可求得两虚光源之间的距离 d ′ .d ′ = d1d 2（4-2）图 4-2 两次成像法测量虚光源间距示意图[实验仪器及用具] 单色光源 （钠光灯） 、双棱镜 、可调狭缝 、辅助透镜、测微目镜 、光具座 、白屏 【实验内容及步骤】 一、调整光路共轴 1.目测粗调各光学元件基本共轴 将单色光源 M 、会聚透镜 L 、狭缝 S 、双棱镜 AB 与测微目镜 P, 按图 1 所示次序放置在光 具座上 ,相互靠拢，眼睛平视目测粗调各光学元件中心基本在一条直线上，各光学元件截面垂直于 导轨． 2. 点亮光源 M, 使 M 发出的光经 L 后照亮狭缝 S, 并使双棱镜的底面与光束垂直 .调节光 源或狭缝 , 使狭缝射出的光束能对称地照射在双棱镜钝角棱的两侧 . 3.用两次成像法细调单缝、透镜和光屏中心共轴 ，先移动透镜在光屏上生成缩小像，调光屏上某刻线与小像中 固定单缝与光屏间距（ l f 4 f ′ ） 心重合；再移动透镜在光屏上生成放大像，调透镜高度使大像中心与刻线标记重合，调透镜水平位 移使大像中心与光屏中央竖直刻线重合；重复上述调节直至大、小像中心上下重合、左右重合（ “大 像追小像”。 ） 4.在光屏前放上测微目镜，使经过测微目镜的单缝像中心与系统光轴重合。 二、调整双棱镜产生清晰且充满视场的干涉条纹 1.取下透镜和光屏，调整测微目镜聚焦清楚（看清视场中叉丝和直尺） 2.单缝与双棱镜间距约取 20 M左右，将测微目镜移至双棱镜后面，适当减小缝宽，寻找叠加区18域（亮带） ，适当左右移动双棱镜，使亮带出现在视场中央；调节单缝倾角，使亮带变成清晰的干涉 条纹。 3.逐渐向后移动测微目镜，细调双棱镜左右位移，使干涉条纹逐步、均匀地向两边展开，直至 测微目镜与单缝间距离 d f 4 f ′ ，且视场内充满清晰干涉条纹 15-20 条； 4.固定各元件位置，在双棱镜和测微目镜之间加入透镜，移动透镜能在测微目镜中清晰看到两 次虚光源成像（两条清晰明亮的黄线） 。 三、实验测量 1.移动透镜使在测微目镜中看到虚光源清晰成大像并测量两虚光源像间距 d1 ，移动透镜使在测 重复测量 5 次以上， d ′ = d1d 2 计算 d ′ 。 由 微目镜中看到虚光源清晰成小像并测量两虚光源像间距 d 2 ， 2.取下透镜，用测微目镜测量 10-15 个干涉条纹间距，重复测量 5 次以上，计算 Δx 。 3.从光具座上读取单缝到测微目镜的间距作为 d 。 四、计算钠光波长 λ = Δ x d ′ d 及不确定度 测量记录 次数 n 1 2 3 4 5 平均值d1 （ mm ）d 2 （ mm ）d ′ （ mm ）d （ mm ）Δx （ mm ）λ (mm)\ \ \ \ \u A ( x) uB ( x) uc ( x )[思考题] 1.双棱镜是怎样实现双光束干涉的 ? 干涉条纹有什么特征？ 2.干涉条纹的宽度、数目由哪些因素决定 ? 3.使干涉条纹清晰的主要调节步转是什么 ? 关键步骤何在 ? 4.相干光源的问距是如何测量的? [复习思考题] 1.双棱镜和光源之间为什么要放置一个狭缝 ?\ \192.说明狭缝宽度对干涉条纹的影响 , 并估计本实验中狭缝的最大许可宽度 。 3.试证明公式 d ′ = d1d 2 4.分析本实验中产生误差的原因 。 [实验注意事项] 使用测微目镜进行测量时应注意 : 1.读数鼓轮每旋转一周,叉丝移动的距离等于螺距,由于测微目镜的种类繁多,精度不一,因此使 用时,首先要确定分格的精度 。最常用的测微目镜分格精度为 0.01 毫米 , 读数时还应估读一位 。 2. 在测量时应沿同一方向旋转读数鼓轮 , 依次读取所需数据 , 不要中途反向 。 3. 旋转读数鼓轮时，动作要平稳、缓慢，到达顶端 , 则不能继续旋转 , 否则会损坏螺旋 。20实验五[实验目的及要求]利用牛顿环干涉测量透镜曲率半径1.利用牛顿环干涉测透镜的曲率半径； 2.学习读数显微镜的使用； 3.掌握逐差法处理实验数据方法 。 [实验原理] 牛顿环和劈尖属典型的等厚干涉，它们都是由同一光源发出的两束光，分别经过其装置所形成 的空气薄膜上、下表面反射后，在上表面相遇产生的干涉现象。利用光的干涉现象可以测量微小角 度、微小长度、微小直径及检测一些光学元件的球面度、平整度、光洁度等。 曲率半径很大的平凸透镜的凸面与抛光的平板玻璃相接触时，在凸透镜的凸面与平板玻璃之间 形成空气膜，离接触点等距离的地方，厚度相同，等厚膜的轨迹是以接触点为中心的圆。如图 5-1 所示，当以波长为λ的单色光垂直入射到空气薄膜上时，薄膜上、下两表面反射产生的两束光叠加 产生干涉，光程差为Δ = 2nhk + λ / 2式中 n 为薄膜的折射率， d k 为入射点处的膜的厚度，（5-1）λ / 2为光在下表面反射时的半波损失 。根据干涉条件 当 Δ = 2k ? λ / 2(k = 1, 2,3...) （2）时干涉相长 (k = 1, 2,3...) （3）时干涉相消当 Δ = (2k + 1) ? λ / 2因为膜的折射率一定，所以相干光束间的光程差仅取决于 薄膜的厚度，同一级干涉条纹对应的薄膜厚度相同，所以形成 的干涉条纹为膜的等厚各点的轨迹,即以接触点为中心的明暗 相间的同心圆环,这种干涉叫等厚干涉。 由几何关系有rk2 = R 2 ? ( R ? hk ) 2图 5-1 牛顿环测曲率半径几何关系Q R 》 d k ，上式中 d k2 可略去不计，有21hk =所以第 k 级明纹的半径rk2 2R（5-2）rk′ = (2k ? 1) R ? λ / 2n第 k 级暗纹的半径(k = 1, 2,3...)(5-3)rk = kRλ / n(k = 1, 2,3...)（5-4）以上两式表明，若已知 λ ,测出第 k 级环的半径 rk ,就可利用上式求得曲率半径 R 。 实际上透镜与平玻璃的接触不是理想的点，而且它们之间的接触因有压力而产生畸变，所以圆 心附近的干涉环纹比较模糊和粗阔，难以确切的判定环的级数 k 。因此设暗斑内干涉级数的修正值 为 j ，测量距中心较远的较清晰的环序数分别为 m、n 的两个干涉暗环的半径，则对应干涉级数为2 （m + j）、（n + j） ，则有， rm = m + j）Rλ / n /， rn2 = + j）Rλ / n ， （ （n则有R=rm 2 ? rn 2 d 2 ? dn2 ?n ?n＝ m 4(m ? n) λ ( m ? n) λ( d = 2r 为环的直径)(5-5)利用式(5-5)，测得环序数分别为 m、n 的暗环的直径d m、d n 数值，在空气中 n = 1 就可求得 R 。[实验仪器及用具] 读数显微镜，钠光灯，牛顿环装置 [实验内容与步骤] 一、仪器调节 1.转动鼓轮使显微镜筒在直尺的中间位置， 在白光下观 察牛顿环干涉条纹，调节三颗螺钉，使干涉圆环在装置的几 何中心，且使中央暗斑尽量的小。将牛顿环装置放置在读数 显微镜的载物台上并使其几何中心对准的物镜如图 5-2 所 示。图 5-2 牛顿环干涉光路图 1.读数鼓轮 2.物镜调节螺钉 3.目镜 4.钠光灯 5.平板玻璃 6.物镜 7.反射玻璃片 8.牛顿环装 置 9.载物台 10.支架222．调节钠光灯高度或读数显微镜支架高度，使光源发出的光线经镜筒下方的反射镜垂直入射到 牛顿环装置上；（光源中心与反射镜中心等高！） 3.旋转目镜使视场中十字叉丝清晰，先将镜筒降低至牛顿环上表面附近，在目镜中观察视场并 使镜筒自下而上缓缓上调，直至在目镜中看到聚焦清晰的牛顿环，调整牛顿环装置位置，使显微镜 的十字叉丝交点与牛顿环中心大致重合 ，并使竖直叉丝与环相切。 二、实验测量 1.转动读数显微镜测微鼓轮 ，先使显微镜筒向左移动，从第一个暗环开始记数，顺序数到左第 40 环，再反向转到与 30、29、28、27、26、25、…、20、19、18、17、16、15 环依次相切，记下各 切点位置读数（避免引起回程误差）； 2.再继续转动测微鼓轮（穿过圆心），使叉丝依次与右方 15、16、17、18、19、20、…、25、 26、27、28、29、30 环相切，并记下相应位置读数。 注意在测量过程中，测微鼓轮应沿同一个方向旋转，中途不可反转，以免螺旋回程引起误差。 3.选取 m ? n = 10，即取 m = 30、29、28、27、26、25， n = 20、19、18、17、16、15 用逐差法 计算凸透镜的曲率半径 R 。数据记录:钠光波长 λ = 589.3nm ，空气折射率 n = 123环序数 m 左切点位置（ mm ） 右切点位置（ mm ） 环直径 d m （ mm ）2 d m （ mm2 ）302928272625环序数 n 左切点位置（ mm ） 右切点位置（ mm ） 环直径 d n （ mm ）201918171615d n2 （ mm2 ）2 d m ? d n2 (mm)R=2 d m ? d n2 (mm) 4(m ? n)λuc ( R)(mm)R = R ± uc ( R ) =[思考题] 1.在牛顿环实验中采用哪些措施，可以避免和减少误差? 2.从牛顿环装置透射上来的光形成的干涉圆环与反射光所形成的干涉圆环有何不同? 3.用白光照射时能否看到牛顿环？ 4.劈尖形成的等厚干涉条纹有何特征? 5.怎样利用劈尖干涉测量微小厚度？ 6.怎么利用等厚干涉测量透明液体折射率、光波波长？24实验六迈克尔逊干涉仪的调节和使用[实验目的及要求] 1.了解迈克尔逊干涉仪的干涉原理和调节方法。 2.测量激光的波长。 *3.测量钠双线的波长差。 [实验原理] 1.迈克尔逊干涉仪 迈克尔逊干涉仪是 1883 年美国物理学家迈克 尔逊和莫雷合作，为研究“以太”漂移而设计的 精密光学仪器。在近代物理和近代计量技术中， 如在光谱线精细结构的研究和用光波标定标准米 尺等实验中都有着重要的应用。 图 6-1 是迈克尔逊干涉仪实物图。图 6-2 是 迈克尔逊干涉仪的光路示意图，图中 M 1 和 M 2 是 在相互垂直的两臂上放置的两个平面反射镜，其图 6-1 迈克尔逊干涉仪中 M 1 是固定的； M 2 由精密丝杆控制，可沿臂轴前、后移动，移动的距离由刻度转盘读出。在两臂 轴线相交处，有一与两轴成 45°角的平行平面玻璃板 G1 ，它的第二个平面上镀有半透（半反射）的 银膜，以便将入射光分成振幅接近相等的反射光⑴和透射光⑵，故 G1 又称为分光板。 G2 也是平行平 面玻璃板，与 G1 平行放置，厚度和折射率均与 G1 相同。由于它补偿了光线⑴和⑵因穿越 G1 次数不同 而产生的光程差， 故称为补偿板。 从扩展光源 S 射来的光在 G1 处分成两部分，反射光⑴经 G1 反射后向着 M 2 前进，透射光⑵ 透过 G1 向着 M 1 前进，这两束光分别在 M 2 、M 1 上反射后逆着 各自的入射方向返回，最后都达到 E 处。因为这两束光是相干 光，因而在 E 处的观察者就能够看到干涉条纹。 由 M 1 反射回来的光波在分光板 G1 的第二面上反射时，如同平 面镜反射一样，使 M 1 在 M 2 附近形成 M 1 的虚像 M 1′ ，因而光 在迈克尔逊干涉仪中自 M 2 和 M 1 的反射相当于自 M 2 和 M 1′ 的 反射。由此可见，在迈克尔逊干涉仪中所产生的干涉与空气薄膜所产生的干涉是等效的。图 6-2 迈克尔逊干涉仪光路示意图25当 M 2 和 M 1′ 平行时(此时 M 1 和 M 2 严格互相垂直)， 将观察到环形的等倾干涉条纹。 一般情况下，M 1 和 M 2 形成一空气劈尖，因此将观察到近似平行的干涉条纹(等厚干涉条纹)。 2.激光波长的测定 用波长为λ的激光照明时，迈克尔逊干涉仪所产生的环形等倾干涉圆条纹的位置取决于相干光 束间的光程差，而由 M 2 和 M 1 反射的两列相干光波的光程差为Δ = 2d cos i其中 i 为反射光⑴在平面镜 M 2 上的入射角。产生第 k 级明条纹的条件是(6-1)2d cos ik = k λ(6-2)当 M 2 和 M 1′ 的间距 d 逐渐增大时，对任一级干涉条纹，例如 k 级，必定是以减少 cos ik 的值来满足 式(6-2)的，故该干涉条纹间距向 ik 变大( cos ik 值变小)的方向移动，即向外扩展，反之则向内收缩。 在中心处 i = 0 ，对应第 k 级明纹有2d k = k λ改变 M 2 和 M 1′ 的间距 d，使形成第 k-1 明纹则有2d k ?1 = (k ? 1)λ Δd1 = λ / 2当间距 d 改变λ/2 时，中心就会有一个条纹涌出或陷进。 由于光波长值较小，采用累计方法进行测量，即改变间距为 Δd N ，使涌出或陷进 N 个明纹则有Δd N = Nλ2(6-3)如果精确地测出 M 2 移动的距离 Δd N ，则可由式(6-3)计算出入射光波的波长。 3.测量钠光的双线波长差Δλ 钠光 2 条强谱线的波长分别为 λ1 ＝589.0 nm 和 λ2 ＝589.6 nm，移动 M 2 ，当光程差满足两列光波⑴ 和⑵的光程差恰为 λ1 的整数倍，而同时又为 λ2 的半整数倍，即1 Δ = k1λ1 = (k2 + )λ2 2(6-4)这时 λ1 光波生成亮环的地方，恰好是 λ2 光波生成暗环的地方。如果两列光波的强度相等，则在此处 干涉条纹的视见度应为零(即条纹消失)。那么干涉场中相邻的 2 次视见度为零时，光程差的变化应 为Δ = k λ1 = (k + 1)λ226(k 为一较大整数)(6-5)由此得Δλ = λ1 ? λ2 =λ1λ2ΔL=λ2ΔL(6-6)式中λ为 λ1 、 λ2 的平均波长。 对于视场中心来说，设 M 2 镜在相继 2 次视见度为零时移动距离为 Δd ，则光程差的变化 ΔL 应等于 2 Δd ，所以Δλ =对钠光 λ = 589.3nm ， 如果测出在相继 2 次视见度最 小时， M 2 镜移动的距离 Δd ,就可以由式(6-4 ) 求得钠光 D 双线的波长差。 4.点光源的非定域干涉现象 激光器发出的光，经凸透镜 L 后会聚 S 点。S 点可λ22Δd(6-4)′ 看做一点光源， G1 ( G1 未画)、M 1 、M 2 的反射， 经也等效于沿轴向分布的 2 个虚光源 S1′ 、 2 所产生的 S′ 干涉。 S1′ 、 1′ 发出的球面波在相遇空间处处相干， 因 S 所以观察屏 E 放在不同位置上，则可看到不同形状图 6-3 点光源非定域干涉的干涉条纹，故称为非定域干涉。当 E 垂直于轴线时(见图 6-3)，调整 M 1 和 M 2 的方位也可观察到 等倾、等厚干涉条纹，其干涉条纹的形成和特点与用钠光照明情况相同。 [实验仪器及用具] 迈克尔逊干涉仪，钠灯，针孔屏，毛玻璃屏，He－Ne 激光器。 [实验内容与步骤] 一、观察扩展光源的等倾干涉条纹并测波长 1.点燃激光器，使之与分光板 G1 等高并且位于沿分光板和 M 1 镜的中心线上，转动粗调手轮，使M 1 镜距分光板 G1 的中心与 M 2 镜距分光板 G1 的中心大致相等。2.在观察屏上可看到两组经 M 1 和 M 2 反射的光点，细心调节 M 1 或 M 2 镜后面的 3 个调节螺钉， 使分光板前后表面反射的 2 个主光点重合。 （注意判别！ ） 3.插入扩束镜，将看到明暗相间的干涉圆环，若干涉环过粗或过密，可轻轻转动粗调手轮，使 干涉环大小适中。274.调节 M 1 镜的 2 个拉簧螺丝， 把干涉环中心调到视场中央。 再仔细调节 M 1 或 M 2 镜后面的 3 个 调节螺钉，使干涉环为圆环。这时观察到的干涉条纹才是严格的等倾干涉。 5.测激光波长 λ 。沿某一方向(如顺时针方向)转动微调手轮，使干涉圆环出现正常的涌出或陷 进，选择中心为明纹时记录 M 1 镜的位置（毫米尺读数+读数窗+微调鼓轮读数） 。 6.沿同一方向，均匀转动微调手轮，观察并记录每“涌出”或“陷进”100 个干涉环时， M 1 镜 位置，连续记录 6 次. 7.根据式(6-3)，用逐差法求出激光波长，并与标准值(632.8nm)进行比较。 二、观察等厚干涉和白光干涉条纹 1.在等倾干涉基础上，移动 M 2 镜，使干涉环由细密变粗疏，直到整个视场条纹变成等轴双曲线 形状时，说明 M 2 与 M 1′ 接近重合。细心调节水平式垂直拉簧螺丝，使 M 2 与 M 1′ 有一很小夹角，视场 中便出现等厚干涉条纹，观察和记录条纹的形状、特点. 2.用溴钨灯通过毛玻璃照明，细心缓慢地旋转微动手轮，当 M 2 与 M 1′ 达到“零程”时，在 M 2 与M 1′ 的交线附近就会出现彩色条纹。再极小心地旋转微调手轮找到中央条纹，记录观察到的条纹形状和颜色分布. 三、测定钠光 D 双线的波长差 1.以钠光为光源调出等倾干涉条纹（在 E 处用眼睛聚焦观察）. 2.移动 M 2 镜，使视场中心的视见度最小，记录 M 2 镜的位置；沿原方向继续移动 M 2 镜，使视 场中心的视见度由最小到最大直至又为最小， 记录 M 2 位置， 连续测出 6 个视见度最小时 M 2 镜位置. 3.用逐差法求 Δd 的平均值,计算 D 双线的波长差. [思考题] 1.调节迈克尔逊干涉仪时看到的亮点为什么是两排而不是两个?两排亮点是怎样形成的? 2.实验中毛玻璃起什么作用?为什么观察钠光等倾干涉条纹时要用通过毛玻璃的光束照明? 3. 利用钠光的等倾干涉现象测钠光 D 双线的平均波长和波长差时， 应将等倾条纹调到何种状态， 测量时应注意哪些问题? [实验注意事项] 1.迈克尔逊干涉仪系精密光学仪器，使用时应注意防尘、防震；不能触摸光学元件光学表面； 2.不要对着仪器说话、咳嗽等；测量时动作要轻、要缓，尽量使身体部位离开实验台面，以防 震动。 3.测量中需沿同一方向转动鼓轮,以免产生回程误差.28实验七[实验目的及要求]用透射光栅测定光波波长1. 加深对光栅分光原理的理解 ； 2. 进一步熟悉分光计的使用方法； 3. 用透射光栅测定光栅常量、光波波长和光栅角色散。 [实验原理] 光栅和棱镜一样，是重要的分光光学元件 ，已广泛应用在单色仪、摄谱仪等光学仪器中 .实 际上 , 光栅就是一组数目极多的等宽、等距、平行排列的狭缝。应用透射光工作的称为透射光栅， 应用反射光工作的称为反射光栅。本实验用的是平面透射光栅。图 1 光栅衍射原理图如图 1 所示 , S 为位于透镜 L1 物方焦面上的细长狭缝光源 ,G 为光栅 , 光栅上相邻狭缝的 间距 d 称为光栅常量 .自 L1 射出的平行光垂直地照射在光栅 G 上 .透镜 L2 将与光栅法线成 θ 角的 衍射光会聚于其像方焦面上的 Po 点, 则产生衍射亮条纹的条件为d sin θ = k λ式（1） 称为光栅方程 。式中 θ 是衍射角， λ 是光波波长， k 为光谱级数 ( k 衍射亮条纹实际上是光源狭缝的衍射像,是一条锐细的亮线 .当 k = 0 时 ,(1)= 0, ±1, ±2... ).θ = 0 ,在 θ = 0 的方向上 , 各种波长的亮线重叠在一起，形成明亮的零级像（明纹） 。对于不同的 k 值，不同波长的亮 线出现在不同的方向上形成光谱，此时各波长的亮线称为光谱线。而与 k 的正、负两组值相对应的 两组光谱，则对称地分布在零级像的两侧。因此，若光栅常量 d 为已知，当测定出某谱线的衍射角θ 和光谱级 k , 则可由式 (1) 求出该谱线的波长 λ ；反之，如果波长 λ 是已知的，则可求出光栅29常量 d . 由光栅方程 (1) 对 λ 微分 , 可得光栅的角色散D =dθ k = dλ d cosθ(2)角色散是光栅、棱镜等分光元件的重要参数 , 它表示单位波长间隔内两单色谱线之间的角间 距 。由式 (2) 可知，光栅常量 d 愈小，角色散愈大；此外，光谱的级次愈高，角色散也愈大。而 且光栅衍射时，如果衍射角不大 , 则 cos θ→ 1 ，光谱的角色散几乎与波长无关，即光谱随波长的分布比较均匀，这和棱镜的不均匀色散有明显的不同。*分辨本领是光栅的又一重要参数，它表征光栅分辨光谱细节的能力。设波长为 λ 和 λ + Δλ 的不同光波，经光栅衍射形成两条谱线刚刚能被分开，则光栅分辨本领 R 为R=λ Δλ(3)根据瑞利判据，当一条谱线的强度极大值和另一条谱线的强度第一极小值重合时，则可认为该 两谱线刚能被分辨。由此可以推出R = kN其中 k 为光谱级数,N 是光栅刻线的总数。 [实验仪器及用品] 分光计 、透射光栅 、汞灯 [实验内容与步骤] 一、调整分光计至正常工作状态(4)1.目测粗调：从旁边观察并调节望远镜和平行光管上的高低倾斜调节螺丝，使望远镜和平行光 管光轴大致垂直于中心轴；调节载物台下的三个水平调节螺丝，使载物台面大致呈水平状态． 2.调整望远镜对无穷远聚焦，且其光轴与中心转轴垂直。 （1）用自准法调整望远镜对无穷远聚焦 （a）旋转目镜头，使视场中十字叉丝清晰． （b）开启视场照明小灯，将双面镜放在载物台上（镜面与底脚螺钉 a1 在一条直线上，并垂直于 底脚螺钉 a2a3 的联线） ，轻缓地转动载物台，在望远镜视场中寻找到十字反射像（绿黄色亮斑） ，伸缩目镜筒，使十字反射像（绿黄色亮十字）清晰明亮。此时分划板平面、目镜焦平面、物镜焦平面 重合，平行光进入望远镜将在分划板上清晰成像。 （2）调整望远镜光轴与分光计中心轴相垂直（望远镜光轴水平） （a）观察十字反射像与比较叉丝的垂向距离，调节望远镜垂向螺钉和反射镜面前方的载物台底30脚螺钉（各调一半） ，使十字反射像与比较叉丝重合． （b）将载物台旋转 180°，观察双面反射镜另一反射面的十字反射像与比较叉丝的垂向距离， 调节望远镜垂向螺钉和反射镜面前方的载物台底脚螺钉 （各调一半） 使十字反射像与比较叉丝重合． ， （c）重复步骤（b） ，直至转动载物台 180°前后，经双面镜两表面反射的十字像都与比较叉丝 重合． 3.调整平行光管（准直管）产生平行光，且其光轴与望远镜光轴在同一水平面内。 （1）开启汞灯照亮狭缝，转动望远镜对准准直管，调节狭缝与准直管物镜间距离．使在望远镜 视场中看到清晰的狭缝像。此时平行光管（准直管）产生平行光。 （2）调节平行光管光轴与望远镜光轴在同一水平面内。 调节平行光管（准直管）狭缝宽度，使清晰的狭缝像明亮细锐，然后转动狭缝 90°，调节平行光管 垂向螺钉使水平狭缝像与中心横叉丝重合。再转动狭缝 90°使狭缝像竖直并锁紧。 二、调整平行光管（准直管）产生的平行光垂直入射光栅（缝和平面均与平行光轴垂直） 。 1.转动望远镜使竖直狭缝像与中心叉丝重合，固定望远镜位置； （此时平行光轴与望远镜光轴共 线） 2.光栅片放置在载物台上(与双面镜放置位置一致)，转动载物台，观察经光栅面反射的十字像 ，使十字反射像与比较叉丝重合，锁紧 与比较叉丝的垂向距离，调节光栅片前（后）螺钉 a2 （ a3 ） 载物台及游标盘。 （此时光栅面与平行光轴垂直） 3.转动望远镜， 观察光栅衍射 k （此时光栅缝与平行光轴垂直） 三、实验测量与计算 1.测量 k= ±1 级光谱线， 调节光栅片正下方螺钉 a1， 使两侧光谱线等高。= ±1 时对应的汞绿、黄 1、黄 2 光谱线的夹角（2 倍衍射角） ，则衍射角θ = ? v 2 ? v 2 + v 1′ ? v 1 ? ? ′ ?42.已知 λ绿 = 546.07nm ， 由d = λ 绿 s in θ 绿计算光栅常数 d3.由 λ = d sin θ ，计算绿、黄 1、黄 2 光谱线波长。 4.计算 k= ±1 时，绿、黄 1、黄 2 的角色散。31数据记录 光谱线 汞绿v1v2′ v1′ v2θdλDλ绿 = 546.07nm汞黄 1汞黄 2[思考题] 1．实验中如何保证平行光垂直入射光栅面和缝？ 2．如果平行光不垂直入射光栅面和缝对结果有什么影响？32实验八[实验目的及要求] 1.了解光的量子性；光电效应测定普朗克常量2.验证了爱因斯坦方程，测量普朗克常数 h； [实验原理] 当一定频率的光照射到某些金属表面上时，可以使电子从金属表面逸出，这种现象称为光电效 应。从金属表面逸出的电子称为光电子。光电效应的基本规律如下： （1） 光电流的大小与光强成正比； （2） 确定材料的光电效应存在一个极限频率 ν 0 ，当入射光的频率低于极限频率 ν 0 时，无论 入射光强度如何，均不产生光电效应。 （3） 光电子的初动能与光强无关，而与入射光的频率成正比。 按照爱因斯坦光量子理论：发光点发出的光，是以频率为 ν ，能量为 hν 的光量子（光子）形成 一份一份地向外辐射。当光照射到金属上时，光子与金属中的电子发生非弹性碰撞，其能量被电子 吸收（一次碰撞电子只能吸收一个光子能量） ，按能量守恒定律得hν =1 mυm 2 + w 2(8-1)上式称为爱因斯坦方程，其中应用这个方程可以正确地解释上述光电效应的三条规律。上式表明： 电子吸收的光子的能量 hν ，一部分作为逸出功 w ，另一部分使本身具有初动能（最大） 。 从式（8-1）中可知，当 hν p w 时将没有光电流。即存在一最低频率 ν 0 =w ,只有入射光的频 h率 ν f ν 0 时才能产生光电流。称为光电效应红限频率不同的金属，逸出功 w 的数值不同，所以截止 频率也不相同。 本实验采用“减速电位法”来验证爱因斯坦方程， 并由此求出 h 。 实验原理如图 8-1 所示， K 为 光电管的阴极， A 为阳极。频率为 ν （ ν f ν 0 ）的光波入射到光电管的阴极 K 上，就会有光电子逸 出。由于逸出的光电子有一定的功能，它们将向阳极 A 运动。若在阴极 K 和阳极 A 之间加以反向电 ，则电极 K ， A 之间建立起的电场对阴极逸出的光电子起到减速作用，随着 压 U （ K 正， A 负） 反向电压 U 的增加，光电子运动速度不断减小，到达阳极光电子将逐渐减小，因而光电流减小，当U = U0 且33图 8-1 实验原理线路图图 8-2光电管的伏安特性曲线 (8-2)eU 0 =1 2 mvm 2时，光电流降为零。 U 0 称为截止电压则爱因斯坦方程变形为：hν = eU0 + wh w U0 = ν ? e e(8-3)但 是 光 电 管 阴 极 与 阳 极 之 间 还 存 在 正 向 接 触 电 位 差 Uc ， 因 此 实 际 测 出 的 截 止 电 压 应 为′ U 0 = U 0 + U c ，考虑接触电势差影响，有h w ′ U 0 = ν + (U c ? ) e e(8-4)′ 对于确定的光电管 Uc 和 w 都是不随 ν 变化的常量，所以 U 0 与 ν 之间满足线性关系，测量多组不同′ ′ ν 对应的 U 0 ，作 U 0 - ν 直线如图所示，则直线斜率 b =以求出普朗克常量。 对于不同的光电管应根据伏安特性曲线的特点采用不 精确测定 h 的关键在于正确决定截止电压， 同的方法来确定。通常影响光电管 I-U 特性曲线的主要因素有两方面。 1． 暗电流与本底电压 当光电管不受任何光照射，在外加电压下光电管仍有微弱电流流过，称为光电管的暗电流，形 成暗电流的主要原因其一是阴极和阳极之间的绝缘电阻（包括管座以及光电管玻璃壳内外表面的漏 电阻）不可能为无限大，其二是阴极在常温下的热电子发射。从实际情况来看，光电管的暗电流特34h ?19 ， h = eb （ e = 1.602 × 10 库仑）就可 e性，即无光照射时的伏安特性基本上接近线性。本底电流是外界杂散光照射光电管而产生的。它们 均使光电流不易为零，并随电压改变而改变。 2． 反向电流 由于制作时阳极 A 上往往溅有阴极材料，所以，当光束入射到阴极以后，阳极也会发射电子。 加在光电管两极间的减速电压 UKA 对 K 发射的光电子有减速作用，而对 A 发射的光电子起加速作用， 因此从 A 逸出的光电子很容易到达 K 形成阳极光电流，又称反向电流。 由于上述两方面的影响，再加上光电管几何结构上的各种原因，使实际测得的 I-U 曲线往往如 图 2 中实际所示的曲线。光电流 IKA 实际上是阴极光电流、阳极光电流（反向电流）和暗电流的代数 和。因此要精确确定外加截止电压 US 就必须消除阳极光电流和暗电流的影响，为此在实验中必须注 意：一方面要挑选暗电流尽量小的光电管进行实验（这项工作已由实验室完成） ，另一方面，在实验 时不要让入射光直接照射或者强烈地漫反射到阳极上去，使光电管的反向电流尽量小。 理论上 , 测出各频率的光照射下阴极电流为零时对应的 U 0 , 其绝对值即该频率的截止电压 , 然而实际上由于光电管的阳极反向电流、暗电流、本底电流及极间接触电位差的影响 , 实测电流并 非阴极电流 , 实测电流为零时对应的 U 0 也并非截止电压。 暗电流和本底电流是热激发产生的光电流与杂散光照射光电管产生的光电流 , 可以在光电管 制作 , 或测量过程中采取适当措施以减小它们的影响。 极间接触电位差与入射光频率无关 , 只影响 U 0 的准确性 , 不影响 U 0 定 h 无大影响。 由于本实验仪器的电流放大器灵敏度高 , 稳定性好 ； 光电管阳极反向电流 , 暗电流水平也较 低。在测量各谱线的截止电压 Uo 时 , 可采用零电流法 , 即直接将各谱线照射下测得的电流为零 时对应的电压 U m 的绝对值作为截止电压 Uo，此法的前提是阳极反向电流、暗电流 和本底电流都 很小 , 用零电流法测得的截止电压与真实值相差较小。 且各谱线的截止电压都相差 ΔU 对 Uo-v 曲 线的斜率无大的影响 , 因此对 h 的测量不会产生大的影响。 [实验仪器及用具] ZKY-GD-4 智能光电效应实验仪（汞灯、光电管、微电流放大器） 、滤色片 、光阑 [实验内容及步骤] 一、仪器调整 1.调整光电管与汞灯距离为约 40cm， 盖好汞灯及光电管暗箱遮光盖， 开启汞灯和仪器电源开关， 预热 20～30min。 2.用专用连接线将光电管暗箱电压输入端与实验仪后面板上的电压输出端连接起来 ( 红←→ 红 , 蓝←→蓝)。ν 直线斜率 , 对测353.将 & 电流量程 & 选择开关置于所选档位 , 进行测试前的调零（实验仪在开机或改变电流量 程后 , 都会自动进入调零状态）