光学实验基础知识

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1、光学实验基础知识光学是物理学中最古老的一门学科，也是当前学科领域中最活跃的前沿阵地之一，具有强大的生命力和不可估量的发展前途。它和其它学科一样，也是经过长期的实践，在大量的实验基础上逐步发展和完善的。虽然它的理论成果、新型光学实验技术的内容十分丰富，但是经典的实验方法仍是现代物理实验最基本的内容，因此，作为基础的光学实验课，学习的重点仍应该是学习和掌握光学实验的基本知识、基本方法以及培养基本的实验技能，通过研究一些基本的光学现象，加深对经典光学理论的理解，提高对实验方法和技术的认识。一、光学实验常用仪器光学实验仪器可以扩展和改善视角的观察以弥补视

2、角的局限性。构成光学仪器的主要元件有透镜、反射镜、棱镜、光栅和光阑等，这些元件按不同方式的组合构成了不同的光学系统。光学仪器可以粗分为助视仪器（放大镜、显微镜、望远镜），投影仪器（放影机、投影仪、放大机、照相机）和分光仪器（棱镜分光系统、光栅分光系统）。下面介绍部分常用的光学仪器，主要介绍光学实验中常用仪器的构造、调节和光学实验中的常用光源。（一）助视仪器１．放大镜和视角放大率凸透镜作为放大镜是最简单的助视仪器，它可以增大眼睛的观察视角。设原物体长度为，放在明视距离处（距离眼睛25厘米处），眼睛的视角为；通过放大镜观察，成像仍在明视距离处，此时眼

3、睛的视角为，如图1—1所示。与之比称为视角放大率。（1―1）因为所以。（1―2）（1―2）式中，为放大镜焦距，越短，放大率越高。２．目镜目镜也是放大视角用的仪器。放大镜（放大镜也是最简单的目镜）是用来直接放大实物，而目镜则是用来放大其它光具组所成的像。一般对目镜的要求是有较高的放大率和较大的视场角，同时要尽可能校正象差，为此，目镜通常是由两片或更多片的透镜组成。目前应用最广泛的目镜有高斯目镜和阿贝目镜，如图1—2所示，分别为阿贝目镜和高斯目镜的示意图。图中的叉丝为测量时的准线，反射镜和小棱镜的作用是改变照明光的入射方向，照亮叉丝。３．显微镜显微镜

4、由目镜和物镜组成，其光路图如1—3所示。待观察物置于物镜的焦平面之外，距离焦平面很近的地方，这样可使物镜所成的实像，落在目镜的焦平面之内靠近焦平面处。经目镜放大后在明视距离处形成一放大的虚像。理论计算可得显微镜的放大率为：（1―3）式中是物镜的放大率，是目镜的放大率，分别是物镜和目镜的像方焦距，是显微镜光学间隔（＝，现代显微镜均有定值，通常是17厘米或19厘米），s0=-25厘米，为正常人眼的明视距离。由上式可知，显微镜的镜筒越长，物镜和目镜的焦距越短，放大率就越大。一般取得很短（高倍的只有１—２毫米）而在几个厘米左右。在镜筒长度固定的情况下，如

5、果物镜目镜的焦距给定，则显微镜的放大率也就确定了。通常物镜和目镜的放大率，是标在镜头上的。４．望远镜望远镜是帮助人眼观望远距离物体，也可作为测量和对准的工具，它也是由物镜和目镜所组成。其光路图如1—4所示，远处物体发出的光束经物镜后被会聚于物镜的焦平面上，成一缩小倒立的实像，像的的大小决定于物镜焦距及物体与物镜间的距离。当焦平面恰好与目镜的焦平面重合在一起时，会在无限远处呈一放大的倒立的虚象，用眼睛通过目镜观察时，将会看到这一放大且移动的倒立虚象。若物镜和目镜的像方焦距为正（两个都是汇聚透镜），则为开普勒望远镜；若物镜的像方焦距为正（汇聚透镜），

6、目镜的像方焦距为付（发散透镜），则为伽利略望远镜。图1—4为开普勒望远镜的光路图。由理论计算可得望远镜的放大率为（1―4）该式表明，物镜的焦距越长、目镜的焦距越短，望远镜的放大率则越大。对开普勒望远镜，放大率为负值，系统成倒立的像；而对伽利略望远镜，放大率为正值，系统成正立的像，因实际观察时，物体并不真正位于无穷远，像亦不成在无穷远。该式仍近似适用。（二）常用实验仪器的构造与调节在光学实验中，常使用的一些基本光学仪器有光具座、测微目镜、读数显微镜及分光仪等。下面对这几种光学仪器作以简单介绍。１．光具座（１）光具座的结构光具座的主体是一个平直的轨道

7、，有简单的双杆式和通用的平直轨道式两种。轨道的长度一般为1～2米，上面刻有毫米标尺，还有多个可以在导轨面上移动的滑动支架。一台性能良好的光具座应该是导轨的长度较长，平直度较好，同轴性和滑块支架的平稳性较好。光学实验室常用的光具座有型、型、型等，它们的结构和调试方法基本相同。图1—5显示出型光具座的结构示意图，它是目前光学实验中比较通用的一种光具座，长1520毫米，中心高200毫米,精度较高。（２）光具座的调节将各种光学元件（透镜,面镜等等）组和成特定的光学系统，运用这些光学系统成像时，要想获得优良的像，必须保持光束的同心结构，即要求该光学系统符合

8、或接近理想光学系统的条件，这样，物方空间的任一物点，经过该系统成像时，在像方空间必有唯一的共轭像点存在，而且符合各种理论计算公式。为此，