光学设计性实验讲义

普 通 物 理 实 验

光学设计性实验讲义

物理学专业用

目 录

光学设计性实验绪论

实验一 光具组基点的测定。

实验二 反射全息。

实验三 偏振光分析。

实验四 测量空气折射率。

实验五 玻璃折射率的测定。

光 学 设

计 性实 验

绪 论

一、实验教学目的及任务

1、实验教学目的

光学设计性实验课程是高等院校物理专业最基本的实训研究课，它对于培养学生的动手实践能力，启发学生思维，培养良好的科学素质，及严谨求实的科学作风、创新精神，提高进行科学实验工作的综合能力，包括实际动手能力、分析判断能力、独立思考能力、革新创造能力、归纳总结能力等起着极其重要的作用。设计性物理实验的教学目的，是在学生具有一定实验能力的基础上，通过独立分析问题、解决问题，使学生把知识转化为能力，为作毕业设计，写科研成果报告和学术论文，作初步训练。这对激发学生的创造性和深入研究的探索精神，培养科学实验能力，提高综合素质有重要作用。 2、课程的主要任务

设计性实验，就是应用物理思想研究合理的实验程序和方法，研究如何合理控制各因素在实验中的条件和参量，以得出最好的测量结果。设计性实验还研究在各种条件下存在最佳方案的可能性，并研究如何得出最佳方案。学生做设计性实验是一种创造性劳动，他们必须利用所学的专业知识和实验技能，根据实验任务自己搜集资料，设计实验方案、选配仪器，调节测量完成实验，分析结果，写出报告，整个过程具有一定的探索性。

二、本实验课的基本理论与实验技术知识

本实验课的基本理论是光学理论。实验技术知识包括方案设计、光路设计、仪器选择、步骤安排、参量选取、故障分析、数据处理和结果评论等。

三、实验内容及具体要求

1、选择实验项目，了解实验课题，明确工作任务，熟悉仪器。 2、查阅有关资料，画出必要的原理图，推导出有关的理论公式。通过分析与比较，选择出能够满足实验要求的最佳实验方案。

3、通过对测量仪器和误差传递公式的研究，对实验方法进行分析，确定出最合适的测量方法和测量条件，确定出数据处理方法。 4、写出一份合格的实验设计方案，对实验方法进行分析。

5、进行具体实验，观察有关现象，进行测量。在实验中发现问题、分析问题、解决问题。

6、写出一份完整、合格的实验报告，报告的格式与一般实验的报告相同。学生们应在实验方案的选择，实验过程的控制和实验结果的分析上多下功夫。

备注：在设计实验方案时，我们提倡同学们相互讨论，不支持相互参考，坚决反对相互抄袭

四、实验主要仪器设备

He—Ne激光器 偏振片 半波片 1/4波片 玻璃片 光学平台、带座测节器、分光计、WGZ2型光强分布测试仪、数字式检流计

五、设计性实验的特点

设计性实验的过程： （1）提出实验目的；

测量固体和气体折射率、光具组基点研究、反射全息研究、光的偏振特性研究。

（2）设计实验方案；

如何观测与分析，实验参量的选取、实验条件的控制。 （3）实施实验方案，并不断改进实验方案；

选择实验仪器、确定实验方法与步骤、数据分析与取舍、改进方案等。 （4）对实验结果进行分析讨论；

查询公认数据值与实验数据，或与相关结论比照分析，再次改进方案和观测实验。 （5）给出结论。

（a）与公认值差距的主要原因是什么？将来打算如何改进实验？ （b）入射光、反射光及折射光的偏振有何特点？怎样解释？ （c）全息的记录与再现应满足什么条件？如何实现？ （d）本次实践性活动，有什么收获，体会是什么？

实验一 光具组基点的测定

光学仪器中常用的光学系统，一般都是由单个透镜或胶合共轴透镜组合而成。当把共轴透镜组作为一个整体，而不逐一研究每一透镜的成像时，则可用系统的几个特别的点来表征系统的成像性质，不论共轴球面系统的具体布置如何，只要知道系统的这几个点，便可用简单的薄透镜成像的高斯公式或牛顿公式计算系统成像的共轭点的位置和放大率等。这几个特别的点就是系统的焦点、主点和节点，统称为系统的基点。 【目的和要求】

1.加深对光具组基点的认识； 2.学习测定光具组基点和焦点的方法.

【主要仪器设备】LDF—2型带座测节仪，薄会聚透镜二片，薄发散透镜一片，连接筒等。

【重点和难点】 透镜组物方和像方节点的测量是重点，透镜组基点的绘制是难点 【实验原理】 1、主点和主面

图1 – 1 透镜组基点位置的示意图

若将物体放在系统的物方主点H处，必成一个与物体同样大小的正立的像于系统像方主点H?处，即主点是横向放大率???1的一对共轭点。过二个主点且垂直于主轴的平面，分别称物方主面，像方主面（图1 – 1中的MH，M?H?）。

2、节点与节面

节点是角放大率r??1的一对共轭点，入射光线或其延长线，通过第一节点N时，出射光线（或其延长线）必然通过像方节点N?，并与入射光线平行。过节点与主轴垂直的平面分别称为物方节面，像主节面。 3、焦点和焦平面

平行于系统主轴的光线，经系统折射后与主轴的交点F?称为像方焦点，过

F?垂直于主轴的平面称为像方焦平面。像方主点H?到像主焦点F?的距离f?。系

统还拥有物方焦点，物方焦平面及物方焦距f（见图1 – 1）。

共轴球面系统的基点位置随系统的组合情况及系统的空间特性而异。如图1 – 2所示的薄透镜组，其基点的位置由L1、L2的焦距f1?、f2?和它们的距离d决定。由于系统物空间与像空间的折射率相同，所以横向放大率与角放大率之积为1。在此情况下，主点、节点的位置重合。

图1 – 2 两薄透镜系统的基点参数的定义

两薄透镜组的像方焦距f?可由下式计算出：

f1' f2'f??'; f??f? (1?1)

f1?f2'?d??光线自向右行进，当f?为正值时，F?点在H?之右；当f?为负值时，F?点在

H?之左。

两主点位置公式为：

?f2' df1' dp??'; p?' (1?2) ''f1?f2?df1?f2?d????计算时注意，P?从透镜L2的光心量起，P从透镜L1的光心量起。当P?为正值时，

H?点位于L2之右；当P?为负值时，H?点位于L2之左。H点的位置情况与P值的

正负关系同于H?点。 4、透镜组节点的位置

图1 – 3 透镜组节点位置的测定

根据节点的定义，一束平行于主轴的光，经透镜折射后相交于主轴上的焦点，也就是像点Q。若入射平行光束方向不变，而系统绕着像方节点N?（即主点H?）的轴稍稍转动一个角度θ，则像的位置仍然在原光轴所对应的Q点不变。也就是说，像点Q将不因为系统绕节点N?而向两侧移动。但是，若系统的转轴不通过节点时，系统转动，像点Q也随之转动。

上述原理为我们提供了一种测定节点（同时也是主点）的方法。在实验时，我们只要把透镜组放在测节仪的U形槽上，一次次地改变它在槽上的位置，每改变一次就转动U形槽试试，直到转动U形槽而屏上的像不发生移动时（改变透镜组位置时，像屏位置也应随之改变，保证成像清晰）。此时，U形槽的转轴位置必然通过透镜组的节点N?。转轴的位置就是节点N?的位置。于是从测节仪上便可读取从L2的光心O2到像方主点H?的距离P?及像方的焦距f?。

【实验内容】

1． 测量透镜组L1和L2的焦距f和f'； 2． 测量透镜组L1和L2的主点和节点；

3． 按比例绘出透镜组的主点、节点和焦点的位置。 【实验步骤】

1、调节仪器水平。先调横向水平，然后旋转测节仪90?再调。最后转回原位置再调节，直到水平为止。

2、调出平行光。将带镜座的平面镜放在U形槽上，接通电源，调节灯管和会聚透镜，使它们与平面镜共轴；再调节灯管位置及左右方位，使物标的反射像落在物标上；然后将U形槽推转一小角度，使物标像在物屏上移到一侧观察；最后仔细调节灯管前后位置使物标反射像最清晰。

3、用70 mm长的连接筒及焦距为fd'?100 mm，ff'?280 mm透镜组成透镜组，在测节仪上测出H?和F?的位置（重复三次），然后将U形槽旋转180?，测出H和F（重复三次），读取P?、f?及P、f的值，并与用公式（1 – 1）和（1 – 2）的计算值比较。计算百分误差，按比例画出透镜组各基点及透镜的位置图形。

4、同上，透镜组换用fD'?100 mm，fA'??150 mm，连接筒长35 mm（透镜座上标有字母D，焦距fD'?100 mm，依此类推为ff'?280 mm，fA'??150 mm）。

【注意事项】

1、平行光管的调节对实验结果影响较大，要认真仔细调节。

2、P?、f?及P、f的正负要由实验中H?、F?和H、F点在透镜L1及L2的左右位置来确定；当系统旋转了180?后，左右颠倒了，符号的正负应相反。 【思考问题】

1、主点、节点的物理含义是什么？在什么情况下系统的主点与节点重合？ 2、入射光为什么必须为平行光？

表格 1 DF组合透镜基点实验数据

测 次 数 量 值 f?/mm ?f?/mm l?/mm ?l?/mm f/mm ?f/mm l/mm ?l/mm 1 2 3 4 5 平 均 值

? ；p??? 33 f?? ；p?? 33f??表格 2 AD组合透镜基点实验数据

测 次 数 量 值 f?/mm ?f?/mm l?/mm ?l?/mm f/mm ?f/mm l/mm ?l/mm 1

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