大学物理实验教材说明 48页

大学物理实验教材说明大学物理实验是独立的一门课程，我们以培养地方经济建设和社会发展所需要的应用型人才为目标，编写了实验教材，将物理实验与工学之间跨学科知识综合；与各种测试方法和手段综合；与现代科学技术综合。使实验内容更具有综合性和时代气息。出版教材如下（1）辛旭平周芹主编，一级物理实验，科学出版社，2005.9（2）朱世坤聂宜珍主编，二级物理实验，科学出版社，2005.9（3）陈德彝张甫宽主编，三级物理实验，科学出版社，2006.9（4）陈明杨先卫朱世坤主编，四级物理实验，科学出版社，2006.9以上教材在教学实践中不断修改和完善，于2008年由科学出版社出版了“21世纪物理学规划课改教材”一级和二级物理实验教材。大学物理实验指导（部分内容）1、长度和密度的测量2、声波的测量3、薄透镜焦距的测定4、透镜组基点的测定5、用分光计测量三棱镜的折射率6、小型棱镜摄谱仪的使用7、用牛顿环测量透镜的曲率半径8、静电场的模拟9、电介质介电常数的测量10、夫兰克-赫兹实验11、迈克尔逊干涉仪的调节和使用12、用衍射光栅测光波波长13、单缝衍射14、偏振现象的观察和分析15、用双棱镜测量光波波长\n长度和密度的测量实验目的1．了解游标卡尺、螺旋测微计的原理和使用方法；2．了解物理天平的结构及使用方法；3.学会分析、处理实验误差。实验原理1．游标卡尺游标卡尺是由主尺和附加在主尺上一段能滑动的付尺构成的。它可将主尺估计的那位数较准确地读出来，其特点是游标上N个分格的长度与主尺上（N一1）个分格的长度相等，利用主尺上最小分度值与游标上最小分度值之差来提高测量精度。因为，所以。往往为，则越大,越小，游标精度越高。称为游标最小读数或精度。2．螺旋测微计由一根精密的测微螺杆、螺母套管和微分筒构成，利用螺旋推进原理而设计的。母套管转一周时，测微螺杆就向前或向后退。3．物理天平预习要求1．了解游标卡尺、螺旋测微计的原理和使用方法；2．了解物理天平的结构及使用方法；3．了解复称法原理；4．写好实验预习报告，列出测量数据记录表。讲解内容1．游标卡尺的读数方法如图所示，2．螺旋测微计的读数方法；3．物理天平的调节与使用(1)调节：调水平，调零点。(2)使用：复称法。注意事项1．物理天平使用完毕，必须反左右两吊耳从刀口上取下来，保护刀口；2．\n只有在称量过程中，看天平是否平衡时才将制动旋钮右旋，支撑起横梁，保护主刀口；1．称物体质量时，应用复称法。数据记录及处理1．测圆筒几何尺寸游标尺分度值____mm量程____mm零点____mm____次数项目12345外径读数外径读数内径读数高度读数=高度读数=深度读数=2．圆筒的质量项目次数m1m2M123数据处理\n物理量平均值（mm）标准偏差S（mm）不确定度(mm)测量结果(mm)________g思考题1用分度游标卡尺及毫米尺测量约1.5mm的细丝直径，其测量结果的有效数字各为几位？2用游标卡尺测量长度时应如何操作才能尽可能地了降低测量结果的不确定度？3使用天平测量前应对天平进行那些调节？使用中应注意那些问题？4如何消除因天平不等臂所造成的误差？\n声波的测量实验目的1．学会用共振干涉与相位比较法测量空气中的声速。2．进一步熟悉示波器的使用方法。3.学会用逐差法处理实验数据的方法。实验原理1．共振干涉法当两压电陶瓷间距满足时，在S1和S2空间因入射波与反射波干涉形成驻波，反射面处为位移的波节，声压的波腹，通过传感器转换的电压最大，示波器显示波形的波幅最大。测出相邻两次接收信号电压达到最大值时,接收面移动的距离Δx，则可求得声波的波长λ(λ=2Δx),从而求得声速.2.相位比较法设声源的振动方程：距声源处接收到的振动方程：两振动的位相差:移动，当合振动由斜率为正的直线变为斜率为负的直线时，移动的距离为:。则有.预习要求1.进一步熟悉示波器的使用方法；2.了解用共振干涉与相位比较法测量空气中的声速的原理；3.写好实验预习报告，列出测量数据记录表。讲解内容1．用共振干涉与相位比较法测量空气中的声速的原理；\n2．复习示波器的使用(李萨如图形)；3．用逐差法处理数据。注意事项1.不要将两陶瓷片紧贴在一起；2．处理数据时，用逐差法处理数据。数据记录及处理1.共振干涉法频率气温位置标号极大值位置2.相位比较法频率气温位置标号合成直线位置用逐差法处理数据由声速的理论公式求声速理论值\n求出相对误差\n薄透镜焦距的测定透镜是光学仪器中最基本的元件，反映透镜特性的一个主要参量是焦距，它决定了透镜成像的位置和性质(大小、虚实、倒立)。对于薄透镜焦距测量的准确度，主要取决于透镜光心及焦点(像点)定位的准确度。本实验在光具座上采用几种不同方法分别测定凸、凹2种薄透镜的焦距，以便了解透镜成像的规律，掌握光路调节技术，比较各种测量方法的优缺点，为今后正确使用光学仪器打下良好的基础。【实验目的】：1.学会测量透镜焦距的几种方法。2.掌握简单光路的分析和光学元件等高共轴调节的方法。3.进一步熟悉数据记录和处理方法。4.熟悉光学实验的操作规则。5.观察透镜的像差。【实验仪器】：光具座，凸透镜，凹透镜，光源，物屏，平面反射镜，水平尺和滤光片等。【实验原理】：一、凸透镜焦距的测定1.粗略估测法：以太阳光或较远的灯光为光源，用凸透镜将其发出的光线聚成一光点(或像)，此时，s→∞，s′≈f′，即该点(或像)可认为是焦点，而光点到透镜中心(光心)的距离，即为凸透镜的焦距，此法测量的误差约在10％左右。由于这种方法误差较大，大都用在实验前作粗略估计，如挑选透镜等。   2.利用物象公式求焦距：在近轴光线的条件下，薄透镜成像的高斯公式为           当将薄透镜置于空气中时，则焦距\n(2) (2)式中,f′为像方焦距；f为物方焦距；s′为像距；s为物距。式中的各线距均从透镜中心(光心)量起，与光线进行方向一致为正，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(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。3.自准法：                                   如图2所示，在待测透镜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M，移动透镜(或物屏)，当物屏AB正好位于凸透镜之前的焦平面时，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′。此时物屏到透镜之间的距离，就是待测透镜的焦距，即f＝s                  (3)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，该法测量误差在1%～5%之间。4.位移法(又称为共轭法、二次成像法或贝塞尔物像交换法)：物像公式法、粗略估测法自准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，可取物屏和像屏之间的距离D大于4倍焦距(4f)，且保持不变，沿光轴方向移动透镜，则必能在像屏上观察到二次成像。如图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,根据透镜成像公式(2)，将代入式（2）即得\n     (4)可见，只要在光具座上确定物屏、像屏以及透镜二次成像时其滑座边缘所在位置，就可较准确的求出焦距f′。这种方法毋须考虑透镜本身的厚度，测量误差可达到1％。 二、凹透镜焦距的测定1.成像法(又称为辅助透镜法)：如图4所示，先使物AB发出的光线经凸透镜L1后形成一大小适中的实像A′B′，然后在L1和A′B′之间放入待图4.成像法测凹透镜L2，就能使虚物A′B′产生一实像A″B″。分别测出L2到A′B′和A″B″之间距离s2、s2′，根据式(2)即可求出L２的像方焦距f2′。 2.凹透镜自准法： 如图5所示，在光路共轴的条件下，L2在适当位置不动，移动凸透镜L1，使物屏上物AB发出的光经凸透镜L１城缩小的实像A′B′，然后放置并移动凹透镜L2，在物屏上得到一个与物大小相等的倒立实像。由光的可逆性原理可知，由L2射向平面镜M的光线是平行光线，点B′是凹透镜L2的焦点。记录凹透镜L2和实像A′B′的位置，可直接测出f2′。【实验步骤与内容】：1.光具座上各光学元件同轴等高的调节：先利用水平尺将光具座导轨在实验桌上调节成水平，然后进行各光学元件共轴等高的粗调和细调（用位移法的两像中心重合或不同大小的实像中心重合或图3中对应光轴点不动），直到各光学元件的光轴共轴，并与光具座导轨平行为止。2.实验内容：利用除粗略估测法之外的五种方法进行测量。参考原理，自拟测量步骤。测量过程中注意观察透镜的像差。3.数据处理：计算出标准不确定度的A类评定、标准不确定度的B类评定及合成不确定度；给出正确的结果表示。\n分析比较各种测透镜焦距方法的误差来源，提出对各种方法优缺点的看法。 【注意事项】：1.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，加之球差的影响，清晰成像位置会偏离高斯像。为使两者接近，减小误差。记录数值时应使用左右逼近的方法。1．光学仪器中光学玻璃表面决不允许用手去触摸，关于光学仪器的使用方法和维护规则，教师要以身作则，亲手示范，还应经常提醒学生严格遵守，养成良好的习惯。    2．不会用光学方法去判断凸凹透镜者，可提示学生持透镜观察一近处物体，放大者为凸镜，缩小者为凹镜。    3．在实验过程中，光路的分析是学生最容易忽视的，往往一看到现象就忙于测量，而不管是否是按照预定的光路形成的，如在自准法测凸透镜焦距时，就会出现好几种情况，这一点一定要提醒学生注意。\n透镜组基点的测定【实验目的】：1．了解测节器可以测定光具组的工作原理。 2．加深对光具组基点的理解和认识。 3．学会利用测节器及平行光测定光具组的主点及焦距。【实验仪器】：白炽灯，1字光阑，测节器，薄透镜两个（焦距不等）或幻灯片镜头一个，毛玻璃屏，米尺【实验原理】：我们知道，共轴球面系统如厚透镜及光具组都有三对基点。即：一对主点，一对主点和一对焦点。主点是系统中横向放大率β=+1的一对共轭点。节点是角放大率γ=+1的一对共轭点。焦点则是与光轴上无穷远物点共轭的像点。在光具组的物空间与像空间的媒质不同 时，其前后焦距不等，主点与节点也不重合。但当光具组处在同一媒质中时，其前后主点与 前后节点分别重合，其前后焦距也相等。这时从后节点（即后主点）到后焦点的距离即为光 具组的后焦距。这样我们就可以通过测定节点来确定光具组的主点。 我们用测节器来确定光具组的节点所依据的原理如下：当平行光束与光具组主轴成某一角度入射时，如图（a），经光具组汇聚后必交于后焦面上某副焦点。而当平行光束沿光 具组主轴方向入射时必汇聚于后焦点（图b）。这两种情况下，在整个光束中，唯有通过 前节点N的一条光线PN经过光具组后保持与入射方向平行，即PN//N′F′或PN// （节点性质决定）。其余光线均改变方向且会交于N′F′（或）线上。这样，当我们找到光具组的焦点后，再以后节点N′为轴移动光具组，其焦点F′的位置必不改变。这就                \n是说，虽然通过改变主轴方位使入射光束与主轴所成的角度发生变化，但入射光方向未改，且总有一条光线（PN）从第一节点N入射，从第二节点射出，且沿N′F′进行，其余光线则汇聚于F′点（即光具组转动，光点不动）。据此，如果我们先用毛玻璃找到光具组后焦点F′位置，再以光具组主轴上某点为轴转动光具组（亦即改变入射光束与主轴的夹角），并注意观察毛玻璃屏上亮点的位置变化，同时慢慢改变转轴的位置。这样，在光具组的主轴上总可以找到一点，当以此点为轴转动光具组时，焦点F′的位置不变。这点就是后节点N′。找到了N′，后主点的位置就被确定了，后焦距亦可测出。    若已知二薄透镜L1,L2的焦距为f1’，f2’。L1在前L2在后,组成光具组时二者的间隔为d。则此光具组的焦距为。其前后主点的位置（从前后薄透镜的镜心算起）的计算公式为：              测光具组的主点、焦点和焦距可按以下步骤进行。 1、 用调整好的平行光管作光源或用十字光栏的白炽灯作光源，用自准成像法调光。 2、 调整测节器及光路。测节器的形式如图（c）所示，在调光路前后把两个凸透镜装在测节器上的小透镜夹内。调整测节器的高度，使平行光束正好穿过二透镜中心。                              图c 3、 测光具组的焦距⑴使二凸透镜保持某一固定距离，用毛玻璃屏找到平行光经光具组聚焦后形成十字光栏像的位置（焦点）。把屏固定。                                                    ⑵绕转轴摆动测节器，看到屏上的像也随着摆动。再改变测节器与转轴的相对位置（注意：光具组与屏的距离不能变，否则应重调），同时摆动测节器并仔细观察像的位置如何变化。最后总能找到一点，当测节器绕这点摆动时像的位置固定不动。这时转轴在测节器上的位置就是后节点的位置。亦即后主点的位置。在测节器上量出转轴到屏的距离，即光具组的后焦距。【实验步骤与内容】：1、 利用平行光测出二透镜L1,L2的焦距f1’，f2’，（f1’f1’+f2’。依据以上方法分别测定所列各种情况下的焦距，各测一次。记录焦点虚实与焦距的正负。   画出光具组焦距随d变化的曲线图。   当在L2的后面得不到实焦点时，可再利用一凸透镜，使光具组的虚焦点在该凸透镜 的后面成实像，再用牛顿公式确定虚焦点的位置，并利用测节的方法测出节点的位置（即转动尺杆，观察虚焦点不动），从而确定其焦距。 预习思考题1、 解释用自准法调平行光的理由，如何调整才能将平行光调准。2、 主点（或面）、节点（或面）的含义是什么？它们在什么条件下重合在一起？3、 实验中确定节点的依据是什么？如何确定？4、 如何调共轴。在实验中调共轴有什么必要性？  复习题1、 当顺时针摆动尺杆时，屏上的像反时针移动。此时节点在转轴的哪一方？反之又如何？试绘图说明。2、 能用共轭法和自准法测光具组的焦距吗？请说明理由。3、根据实验结果，请讨论一下焦点虚实与焦距正负的关系。\n用分光计测量三棱镜的折射率实验目的1．熟悉分光计的调整和使用方法；2．学习测量三棱镜折射率的方法。实验原理1．最小偏向角法如图所示，入射光线经两次折射后，传播方向总的变化可用入射线和出射线的延长线之间的夹角来表示，叫做偏向角。根据图中的几何关系可得　　　　　　　　　　　其中，与、、依次相关，对于给定的棱镜，顶角是固定的，故只随入射角变化。对于某一值，偏向角有最小值，称为最小偏向角。按求极值的方法和折射定律可得如果测出三棱镜的顶角和最小偏向角，则可算出三棱镜的折射率n。2．等顶角入射法让入射光线沿折射面AC的法线方向入射，则入射角的两边和顶角A的两边垂直，如图所示，则有，如果测出三棱镜的顶角和出射角，就可算出三棱镜折射率n。预习要求1．熟悉分光计的调整；2．了解测量三棱镜折射率的原理；3．掌握分光计的计数方法；4．理解分光计利用二个游标读数的原理；5．了解三棱镜顶角和最小偏向角的测量方法；6．写好实验预习报告，列出测量数据记录表。讲解内容\n1．利用最小偏向角计算折射率的原理。2．分光计的计数方法。3．偏心误差的产生及消除方法。4．三棱镜的调整：借助于已调好的望远镜，用自准法调整，使三棱镜的主截面垂直于分光计的中心转轴。5．三棱镜顶角和最小偏向角的测量①用反射法测三棱镜顶角：移动三棱镜，使顶角A靠近载物台中心，让平行光管射出的平行光照在三棱镜的两个光学面AB和AC上，并被它们反射出来。锁紧游标盘，将望远镜转到I处，测出从三棱镜AB面反射光线所对应的两个游标读数和。再将望远镜转到II处，测量从AC面反射光线所对应的两个游标读数和。三棱镜的顶棱镜的顶角A为②测量最小偏向角：根据折射定律，判断折射光线的出射方向，寻找狭缝像。慢慢转动游标盘（带动三棱镜转动），选择偏向角减小的方向，缓慢转动游标盘，使偏向角逐渐减小，当狭缝像移至某一位置后将反向移动（说明偏向角存在一个最小值）。细心转动游标盘，当狭缝像刚刚开始逆转时，锁住游标盘。调整望远镜的位置，使分划板的竖直准线对准狭缝像的中间，记录该位置的两个游标读数和。转动望远镜使其正对平行光管，观察入射光线。调整望远镜的位置，使竖直黑准线对准狭缝像，读出入射光线的方向和。最小偏向角为注意事项1．测量时二个游标的值都应记录；2．计算望远镜的转角时，应注意两游标是否经过了刻度零线。若其中一个游标经过了刻度零线，则转过的角度为3．等顶角入射法测折射率为选做内容。数据记录及处理1．反射法测量顶角分光计分度值＝____________　　　　光波波长＝_____________\n测量次数AB面反射线AC面反射线12345＝＝2．测最小偏向角测量次数入射光线折射光线12345＝＝＝　　　　　　　　　　　＝　　　　　　　　　＝　　　　　＝\n小型棱镜摄谱仪的使用任何一种原子受到激发后，当由高能级跃迁到低能级时，将辐射出一定能量的光子，光子的波长为λ，由能级间的能量差∆E决定：                 式中，h为普朗克常数，c为光速。∆E不同，λ也不同。同一种原子所辐射的不同波长的光，经色散后按一定程序排列而成的光谱，称发射光谱。   不同元素的原子结构是不相同的，因而受激发后所辐射的光波具有不同的波长，也就是有不同的发射光谱。通过对发射光谱的测量和分析，可确定物质的元素成分，这种分析方法称为光谱分析。通过光谱分析，不仅可以定性地分析物质的组成，还可以定量地确定待测物质所含各种元素的多少。发射光谱分析常用摄谱仪进行。  小型棱镜摄谱仪，是以棱镜作为色散系统，观察或拍摄物质的发射光谱。【实验目的】：   1．了解摄谱仪的结构、原理和使用方法，学习小型摄谱仪的定标方法。2．观察物质的发射光谱，测定氢原子光谱线的波长，验证原子光谱的规律性，测定氢原子光谱的里德堡常数。  3．学习物理量的比较测量方法。【实验仪器】：   小型摄谱仪、汞灯及镇流器、氢灯及电源、调压变压器。  【实验原理】：   1．氢原子光谱的规律   1885瑞士物理学家巴尔末发现，氢原子发射的光谱，在可见光区域内，遵循一定的规律，谱线的波长满足巴尔末公式： （1）式中，n=3，4，5，组成一个谱线系，称为巴尔末线系。用波数（）表示的巴尔末公式为：      （2）式（2）中，称为氢原子光谱的里德堡常数。\n   用摄谱仪测出巴尔末线系各谱线的波长后，就可由式（2）算出里德堡常数，若与公认值=1.096776×10-7m-1相比，在一定误差范围内，就能验证巴尔末公式和氢原子光谱的规律。2．谱线波长的测量先用一组已知波长λs的光谱线做标准，测出它们移动到读数标记位置处时螺旋刻度尺的读数TTs后，以TTs为横坐标，λs为纵坐标，作TTs~λs定标曲线。对于待测光谱波长的光源只要记下它各条谱线所对应的螺旋尺上读数TTx，对照定标校正曲线就可确定各谱线的波长λx。本实验利用汞灯为摄谱仪进行定标校正。然后测出氢原子光谱巴尔末线系各谱线的波长，再根据式（2）算出RH。【实验步骤与内容】：   1．对着仪器（如右图）或仪器使用说明书，在AA‘处装上看镜目镜，熟悉摄谱仪各部分的结构及操作方法。   2．将汞灯置于“S”处，前后移动聚光镜1，使光源清晰地成像于狭缝处。在目镜中观察出射光谱，转动转角调节轮，使任一条光谱进入视场，轻轻转动出射聚光镜2的调焦手轮，使光谱线像聚焦清晰；再转动角调节轮，逐个观察光源的各条光谱线并与附表中列出的谱线颜色核对无误后，开始测量。依次记下各光源不同波长谱线的λs所对应的读数TTs。   3．将氢灯置于“S”处，（注意：氢灯用的是高压，调压变压器输出指示数不能超过规定的值），测出氢原子光谱中红、蓝、紫三条谱线所对应的鼓轮读数TTx。   4．数据处理与分析：   （1）列表记录所有数据，表格自拟。   （2）用毫米方格作图纸，作出光谱仪的λs~TTs定标曲线。   （3）由定标校正曲线及氢光谱测得的TTx，求出巴尔末谱线系中三条谱线的波长，并与氢光谱的标准波长比较。   （4）由氢光谱所测得的三个波长，按式（2）算出里德堡常数，求出其平均值，并与公认值比较，算出测量的不确定度。   【注意事项】：   1\n．光谱仪中的狭缝是比较精密的机械装置，实验中不要任意调节。旋转转角调节轮时，动作一定要缓慢。禁止用手触摸透镜等光学元件。   2．氢光源使用的是高压电源，应特别小心。开灯前，先将调压变压器置于低电压处，然后通电源，慢慢地调节变压器升压到氢光源稳定发光。关灯时，先把变压器降到最低电压，再断开电源。 问题讨论1．要能在看谱目镜中看到不同波长的谱线，应如何调节？各谱线出射时的相对位置应在何处读出？2．测物质光谱波长时，如何定标？3．氢原子光谱的巴尔末线系三条谱线的量子数n各为多少？5．要使比较光谱的各个光源的位置都位于摄谱仪准直透镜的光轴上，应怎样进行调节？6．利用比较光谱测定光波波长的原理是什么？7．哈特曼光阑的作用是什么？8．为什么感光片必须位于一定的倾斜的位置上，才能使可见光区的所有谱线清晰？9．你知道有哪些测定光波波长的方法？你已作过的实验有哪几种？试比较它们的特点。 附录:汞、氢光谱的标准波长表 光源颜色和波长（nm）氦蓝蓝蓝绿蓝绿蓝绿蓝绿黄红红438.79447.15471.32492.19501.57504.77587.56667.82706.57汞紫紫蓝蓝绿绿黄黄红404.66407.80435.84491.60546.07576.96579.07623.40氢紫蓝红434.05486.13656.28\n用牛顿环测量透镜的曲率半径实验目的1．熟悉读数显微镜使用，观察牛顿环的条纹特征。2．利用等厚干涉测量平凸透镜曲率半径。3.进一步熟悉用逐差法处理实验数据的方法。实验原理牛顿环装置是由一块曲率半径较大的平凸玻璃透镜，以其凸面放在一块光学玻璃平板（平晶）上构成的，如图1所示。平凸透镜的凸面与玻璃平板之间的空气层厚度从中心到边缘逐渐增加，若以平行单色光垂直照射到牛顿环上，则经空气层上、下表面反射的二光束存在光程差，它们在平凸透镜的凸面相遇后，将发生干涉。从透镜上看到的干涉花样是以玻璃接触点为中心的一系列明暗相间的圆环（如图２所示），称为牛顿环。由于同一干涉环上各处的空气层厚度是相同的，因此它属于等厚干涉。图1牛顿环装置图2牛顿环设透镜的曲率半径为Ｒ，与接触点Ｏ相距为ｒ处空气层的厚度为ｄ，则第ｋ级暗环的半径为：于是有所以或由上式可知,只要测出与（分别为第与第条暗环的直径）的值，就能算出。预习要求1.熟悉用牛顿环测量透镜的曲率半径原理；2.掌握读数显微镜的使用方法和读数方法；3.写好实验预习报告，列出测量数据记录表。讲解内容1．用牛顿环测量透镜的曲率半径原理；\n2．读数显微镜的使用方法和读数方法。3．透镜的曲率半径一般为1000左右(本实验室用的透镜曲率半径1200和800)。注意事项1.牛顿环有透射式和反射式，本实验采用反射式牛顿环；2.测量时，应测量暗环直径；3．处理数据时，要特别注意单位换算和有效数字的保留。数据记录及处理钠光灯光波波长牛顿环编号：环的序数m4039383736353433323130环的位置读数(mm)左右环的直径环的序数N2019181716151413121110环的位置读数（mm）左右环的直径平均值曲率半径______________相对误差____________绝对误差______________结果\n静电场的模拟实验目的1．了解模拟法测量静电场的原理和条件；2．学习用模拟法测量静电场的分布。实验原理1．用稳恒电流模拟静电场的理论基础对静电场，电场强度在无源区域内满足以下积分关系：。对于稳恒电流场，电流密度矢量在无源区域内也满足类似的积分关系：。2．带等量异号电荷的无限长同轴圆柱体间的静电场分布3．带等量异号电荷的无限长平行细导线间的静电场分布预习要求1.了解用稳恒电流模拟静电场的理论基础；2.了解带等量异号电荷的无限长同轴圆柱体间的静电场分布；3.了解带等量异号电荷的无限长平行细导线间的静电场分布；4.掌握静电场中等位线与电场线的分布关系；5.写好实验预习报告，列出测量数据记录表。讲解内容1．用稳恒电流模拟静电场的理论基础。2．电场中等位线与电场线的分布关系。3．仪器的使用(电源上内测与外测转换开关的使用)。注意事项1.描等位点时，应让等位点尽量均匀分布，所描等位点不要太少；2.水槽应放水平，水槽中的水不宜太多；3.等量异号电荷的无限长同轴圆柱体间的静电场分布和带等量异号电荷的无限长平行细导线间的静电场分布为必做内容，其它为选做内容。\n数据记录及处理1．带等量异号电荷的无限长同轴圆柱体间的静电场分布表12-1大圆电极内径b=cm，小圆电极半径a=cm，U0=VUr(V)　　　　　　Ur/U0　　　　　　r实测(cm)　　　　　　r理论(cm)　　　　　　△r(cm)=r实测-r理论　　　　　　2．带等量异号电荷的无限长平行细导线间的静电场分布表12-2电极半径b=cm，电极间距2d=cm,电极间电压V,所选等位线电压Vi123456r1i　　　　　　r2i　　　　　　k=r2i/r1i　　　　　　　等位线圆心坐标x0=cmy0=cm等位线半径r=cm\n电介质介电常数的测量【实验目的】1．掌握固体、液体电介质相对介电常数的测量原理及方法2．学习减小系统误差的实验方法3．学习用线性回归处理数据的方法。【实验原理】——讲解（15分钟）介电常数是电介质的一个材料特征参数。用两块平行放置的金属电极构成一个平行板电容器，其电容量为：D为极板间距，S为极板面积，ε即为介电常数。材料不同ε也不同。在真空中的介电常数为，。考察一种电介质的介电常数，通常是看相对介电常数，即与真空介电常数相比的比值。如能测出平行板电容器在真空里的电容量C1及充满介质时的电容量C2，则介质的相对介电常数即为然而C1、C2的值很小，此时电极的边界效应、测量用的引线等引起的分布电容已不可忽略，这些因素将会引起很大的误差，该误差属系统误差。本实验用电桥法和频率法分别测出固体和液体的相对介电常数，并消除实验中的系统误差。1．用电桥法测量固体电介质相对介电常数将平行板电容器与数字式交流电桥相连接，测出空气中的电容C1和放入固体电介质后的电容C2。其中C0是电极间以空气为介质、样品的面积为S而计算出的电容量：\nC边为样品面积以外电极间的电容量和边界电容之和，C分为测量引线及测量系统等引起的分布电容之和，放入样品时，样品没有充满电极之间，样品面积比极板面积小，厚度也比极板的间距小，因此由样品面积内介质层和空气层组成串联电容而成C串，根据电容串联公式有：当两次测量中电极间距D为一定值，系统状态保持不变，则有、。得：最终得固体介质相对介电常数：该结果中不再包含分布电容和边缘电容，也就是说运用该实验方法消除了由分布电容和边缘效应引入的系统误差。1．线性回归法测真空介电常数上述测量装置在不考虑边界效应的情况下，系统的总电容为：保持系统分布电容不变，改变电容器的极板间距D，不同的D值，对应测出两极板间充满空气时的电容量C。与线性函数的标准式对比可得：，，，，其中S0为平行板电容极板面积。用最小二乘法进行线性回归，求得分布电容C分和真空介电常数（）。3．用频率法测定液体电介质的相对介电常数所用电极是两个容量不相等并组合在一起的空气电容，电极在空气中的电容量分别为C01和C02，通过一个开关与测试仪相连，可分别接入电路中。测试仪中的电感L与电极电容和分布电容等构成LC振荡回路。振荡频率为：，或其中。测试仪中电感L一定，即式中k为常数，则频率仅随电容C的变化而变化。当电极在空气中时接入电容C01，相应的振荡频率为f01，得：\n，接入电容C02，相应的振荡频率为f02，得：实验中保证不变，则有当电极在液体中时，相应的有：由此可得液体电介质的相对介电常数：此结果不再和分布电容有关，因此该实验方法同样消除了由分布电容引入的系统误差。【实验仪器介绍】——演示（10分钟）平行板电容器：下电极固定，上电极由千分尺带动上下移动，并可从尺上读出极板间距。数字式交流电桥：功能选择、频率选择、测量灵敏度及分辨率。液体测量用空气电容：三组极板构成两个电容，由开关进行切换。介电常数测试仪。频率计。【实验内容】1．电桥法测固体介质介电常数调节平行板电容器间距为5mm。从电桥上测出电容量C1。将固体介质样品（聚四氟乙烯圆板）放入极板之间，从电桥上测出电容量C2。对C1、C2反复测量三次。用千分尺测量固体介质样品的厚度，取不同位置测量三次。用游标卡尺测量样品的直径，取不同方位测量三次。2．线性回归法计算介电常数和C分。平行板电容器在空气中，初始间距为1.100mm，测出系统的电容量C1，间距增大0.1mm，测出电容量C2，以此每增加0.1mm测一次电容量，共测5组。3．频率法测液体介质介电常数电极在空气中，并将开关置于1，测出频率f01，开关置于2，测出频率f02；\n在电极的容器中倒入液体介质（环己烷），使电极浸没在液体中，将开关置于1，测出频率f1，开关置于2，测出频率f2，每个状态的频率测量8次。实验完毕将电极从容器中取出漓干，并置于空气中使其残余液体自行挥发干，容器中液体回收进瓶子中。4．要点：每个实验过程中，应保持系统状态不变，即保持分布电容不变。【数据处理要求】1．固体介质介电常数数据表格实验数据处理结果按有效位数法则保留位数。，d/mmt/mmS/mm2C0/pfC1/pfC2/pfC串/pfer123平均2．线性回归法计算介电常数和C分数据表格极板间距D/mm1.1001.2001.3001.4001.500电容量C/pF用最小二乘法算出截距A、斜率B、相关系数r、截距标准偏差SA、斜率标准偏差SB，由得到并用不确定度表示其误差：，分布电容：。截距A斜率B相关系数r截距标准偏差SA斜率标准偏差SB查相关系数检验表，判定本实验数据的线性相关性。a)液体介质介电常数数据表序号12345678平均εrf01/kHzf02/kHzf1/kHzF2/kHz\n夫兰克-赫兹实验实验目的1．通过测定氩原子的第一激发电位（即中肯电位），证明原子能级的存在。实验原理1．关于激发电位根据玻尔理论，原子只能较长地停留在一些稳定状态（即定态），各定态的能量是分立的。原子只能从一个定态跃迁到另一个定态，发生跃迁时辐射频率是一定的。夫兰克—赫兹实验是通过具有一定能量的电子与原子碰撞，进行能量交换而实现原子从基态到高能态的跃迁。当氩原于吸收从电子传递来的能量恰好为：时，氩原子就会从基态跃迁到第一激发态，相应的电位差称为氩的第一激发电位。测定出这个电位差，就可以求出氩原子的基态和第一激发态之间的能量差了.2．夫兰克—赫兹实验的原理如图所示，当电子通过KG2空间进入G2A空间时，如果有较大的能量（≥），就能冲过反向拒斥电场而到达板极形成板流，为微电流计mA表检出。如果电子在KG2空间与氩原子碰撞，把自己一部分能量传给氩原子而使后者激发的话，电子本身所剩余的能量就很小，以致通过第二栅极后已不足于克服拒斥电场而被折回到第二栅极，这时，通过微电流计mA表的电流将显著减小。当G2K之间电压满足：时板极电流都会相应下跌，形成规则起伏变化的－曲线。而各次板极电流达到峰值时相对应的加速电压差，即两相邻峰值之间的加速电压差值就是氩原子的第一激发电位值\n。氩原子的第一激发电位（公认值为）。预习要求1.了解夫兰克-赫兹实验原理；2.初步了解夫兰克-赫兹实验仪的使用方法；3.写好实验预习报告，列出测量数据记录表。讲解内容1．夫兰克-赫兹实验原理2．夫兰克-赫兹实验仪预热条件灯丝电压、、取仪器盖上提供的值，取30V预热十分钟。3．测量-的值时，应尽量读取更多值。注意事项1．先不要开电源、各工作电源请按下图连接，千万不能错！待老师检查后打开电源。2．灯丝电压不宜过高，取仪器盖上提供的值，否则加快F-H管老化。3．不宜超过82V，否则管子易被击穿。4．实验中，采用手动测量。数据记录及处理1．记录实验-的值。0.582.02．在方格纸上绘出手动测量的-曲线。用逐差法处理数据，求得氩的第一激发电位U0值及计算相对误差。\n迈克尔逊干涉仪的调节和使用光的干涉是重要的光学现象之一，是光的波动性的重要实验依据。两列频率相同、振动方向相同和位相差恒定的相干光在空间相交区域将会发生相互加强或减弱现象，即光的干涉现象。光的波长虽然很短(4×10－７～8×10－７m之间)，但干涉条纹的间距和条纹数却很容易用光学仪器测得。根据干涉条纹数目和间距的变化与光程差、波长等的关系式，可以推出微小长度变化(光波波长数量级)和微小角度变化等，因此干涉现象在照相技术、测量技术、平面角检测技术、材料应力及形变研究等领域有着广泛地应用。相干光源的获取除用激光外，在实验室中一般是将同一光源采用分波阵面或分振幅2种方法获得，并使其在空间经不同路径会合后产生干涉。迈克尔逊干涉仪（如图1）是1883年美国物理学家迈克尔逊和莫雷合作，为研究“以太”漂移而设计制造出来的精密光学仪器。它是利用分振幅法产生双光束以实现干涉。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。利用该仪器的原理，研制出多种专用干涉仪。【实验目的】1.了解迈克尔逊干涉仪的干涉原理和迈克尔逊干涉仪的结构，学习其调节方法。2．调节观察干涉条纹，测量激光的波长。3．测量钠双线的波长差。4．练习用逐差法处理实验数据。 【实验仪器】迈克尔逊干涉仪，钠灯，针孔屏，毛玻璃屏，多束光纤激光源（HNL 55700）。 【实验原理】1．迈克尔逊干涉仪图1是迈克尔逊干涉仪实物图。图2是迈克尔逊干涉仪的光路示意图，图中M１和M２\n是在相互垂直的两臂上放置的两个平面反射镜，其中M１是固定的；M２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(由粗读和细读2组刻度盘组合而成)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M２前进，透射光⑵透过G１向着M１前进，这两束光分别在M２、M１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M１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M１在M２附近形成M１的虚像M１′，因而光在迈克尔逊干涉仪中自M２和M１的反射相当于自M２和M１′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。当M２和M１′平行时(此时M１和M２严格互相垂直)，将观察到环形的等倾干涉条纹。一般情况下，M１和M２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．单色光波长的测定用波长为λ的单色光照明时，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M２和M１反射的两列相干光波的光程差为Δ＝2dcosi                                     (1)其中i为反射光⑴在平面镜M２上的入射角。对于第k条纹，则有2dcosiｋ＝kλ                                 (2)当M２和M１′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cosiｋ的值来满足式(2)的，故该干涉条纹间距向iｋ变大(cosiｋ值变小)的方向移动，即向外扩展。这时，观察者将看到条纹好像从中心向外“涌出”，且每当间距d增加λ/2时，就有一个条纹涌出。反之，当间距由大逐渐变小时，最靠近中心的条纹将一个一个地“陷入”中心，且每陷入一个条纹，间距的改变亦为λ/2。因此，当M2镜移动时，若有N个条纹陷入中心，则表明M２相对于M１移近了Δd＝Nλ/2                                       (3)反之，若有N个条纹从中心涌出来时，则表明M２相对于M１移远了同样的距离。如果精确地测出M２移动的距离Δd，则可由式(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＝589.0nm和λ２＝589.6nm，移动M２，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\nΔk１λ１＝(k２＋1/2)λ２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ΔL＝kλ１＝(k＋1)λ２　　(k为一较大整数)由此得λ１－λ２＝于是Δλ=λ１－λ２＝式中λ为λ１、λ２的平均波长。对于视场中心来说，设M２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2Δd，所以Δλ＝　　　　　　　(4)对钠光＝589.3nm，如果测出在相继2次视见度最小时，M２镜移动的距离Δd,就可以由式(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点可看做一点光源，经G１(G１未画)、M１、M２′的反射，也等效于沿轴向分布的2个虚光源S１′、S２′所产生的干涉。因S１′、S２′发出的球面波在相遇空间处处相干，所以观察屏E放在不同位置上，则可看到不同形状的干涉条纹，故称为非定域干涉。当E垂直于轴线时(见图3)，调整M１和M２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，此处不再赘述。【实验内容与步骤】1．观察扩展光源的等倾干涉条纹并测波长①点燃钠光灯，使之与分光板G１等高并且位于沿分光板和M１镜的中心线上，转动粗调手轮，使M１镜距分光板G１的中心与M１镜距分光板G１的中心大致相等(拖板上的标志线在主尺32cm位置)。②在光源与分光板G１之间插入针孔板，用眼睛透过G１直视M２镜，可看到2组针孔像。细心调节M１镜后面的3个调节螺钉，使2组针孔像重合，如果难以重合，可略微调节一下M２镜后的3个螺钉。当2组针孔像完全重合时，就可去掉针孔板，换上毛玻璃，将看到有明暗相间的干涉圆环，若干涉环模糊，可轻轻转动粗调手轮，使M２\n镜移动一下位置，干涉环就会出现。③再仔细调节M１镜的2个拉簧螺丝，直到把干涉环中心调到视场中央，并且使干涉环中心随观察者的眼睛左右、上下移动而移动，但干涉环不发生“涌出”或“陷入”现象，这时观察到的干涉条纹才是严格的等倾干涉。④测钠光D双线的平均波长。先调仪器零点，方法是：将微调手轮沿某一方向(如顺时针方向)旋至零，同时注意观察读数窗刻度轮旋转方向；保持刻度轮旋向不变，转动粗调手轮，让读数窗口基准线对准某一刻度，使读数窗中的刻度轮与微调手轮的刻度轮相互配合。⑤始终沿原调零方向，细心转动微调手轮，观察并记录每“涌出”或“陷入”50个干涉环时，M１镜位置，连续记录6次。⑥用逐差法求出钠光D双线的平均波长，并与标准值进行比较。2．观察等厚干涉和白光干涉条纹①在等倾干涉基础上，移动M２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M２与M１′接近重合。细心调节水平式垂直拉簧螺丝，使M２与M１′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用白炽灯照明毛玻璃(钠光灯不熄灭)，细心缓慢地旋转微动手轮，M２与M１′达到“零程”时，在M２与M１′的交线附近就会出现彩色条纹。此时可挡住钠光，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。3．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。②移动M２镜，使视场中心的视见度最小，记录M２镜的位置；沿原方向继续移动M２镜，使视场中心的视见度由最小到最大直至又为最小，再记录M２镜位置，连续测出6个视见度最小时M２镜位置。③用逐差法求Δd的平均值，计算D双线的波长差。4．点光源非定域干涉现象观察方法步骤自拟。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；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。【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.\n调节钠光的干涉条纹时，如已确使针孔板的主光点重合，但条纹并未出现，试分析可能产生的原因。4.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?\n用衍射光栅测光波波长 一、实验目的1．了解分光计的构造和使用方法。2．观察光栅衍射现象。3．掌握用分光计、衍射光栅测光波波长的方法。二、实验器材分光计、平面透射光栅、双面平面镜、钠光灯三、仪器描述分光计是实验室中常用的精密光学仪器，用它可以准确测量角度和观察光谱。它由五部分组成：平行光管、望远镜、载物平台、读数圆盘和底座。1．底座，是整个分光计的支架。其中心有一垂直方向的转轴即仪器的中心轴，望远镜、刻度盘和游标盘均可绕该轴转动。2．望远镜，由物镜、十字分划板和目镜组成，用来观察由载物平台上的光栅所形成的光谱和衍射条纹。它与游标盘相连，可同时绕中心轴旋转，并通过游标读出它的角位置。在望远镜筒内的物镜焦平面处有一分划板，其上有两十字交叉的细丝称为叉丝，转动望远镜可使叉丝落在波长为λ的某级衍射亮纹上，这样便可由游标读出各级衍射亮纹相对应的角位置。在分划板的正下方刻有一个透光的小十字叉丝，为了照明小十字叉丝，目镜管外装一“T”形接头，其中装有一个6.3V电珠，光线透过绿色窗口沿望远镜光轴从物镜射出。调节螺丝、可改变望远镜光轴倾斜程度和水平位置，使之垂直于仪器中心轴。螺丝用来固定望远镜，松开它，望远镜可绕中心轴转动，当它锁紧后，可用螺丝微调望远镜的水平位置。3．载物平台，用来放置平面镜、三梭镜、光栅等光学元件。松开螺丝，平台可绕中心轴自由转动，也可根据需要升高或降低平台。调节平台到所需位置后，再用螺丝将之固定。调平螺丝（共有三只成三角形设置）调节平台水平面，使之与中心轴垂直。4．读数圆盘，由可绕中心轴转动的刻度盘（主尺）和游标盘（副尺）组成。刻度盘分为720等分，共360º，最小刻度为30′，刻度盘可与望远镜固连一起转动；内盘为游标盘，盘上相对180º的位置嵌有两个相同的游标，它分为30等分，与刻度盘上29小格等长，精度为1′，读数原理和方法与游标卡尺相似。如图9–2所示的读数为116º+112′=116º12′。读数时可手持照明放大镜协助读数。为了克服由于游标盘与刻度盘可能不是严格的同心所造成的偏心误差，每次测量必须分别读出A、B游标的读数，然后取其平均值。游标盘通过螺丝与载物平台相连。松开螺丝，游标盘可带动平台绕中心轴转动。当锁紧时，可用螺丝微调游标盘位置。 \n                           图9–1 分光计结构狭缝装置；狭缝装置锁紧螺丝；平行光管部件；制动架（一）；载物平台；载物平台调平螺丝（3只）；载物平台锁紧螺丝；望远镜部件；目镜锁紧螺丝；阿贝式自准直目镜；目镜调节手轮；望远镜光轴倾斜度调节螺丝；望远镜光轴水平调节螺丝；支臂；望远镜微调螺丝；转座与读数圆盘锁紧螺丝；望远镜锁紧螺丝（在另一侧）；制动架（二）；底座；转座；刻度盘；游标盘；立柱；游标盘微调螺丝；游标盘锁紧螺丝；平行光管光轴水平调节螺丝；平行光管倾斜度调节螺丝；狭缝宽度调节手轮                   图9–2  分光计读数盘读数5．平行光管，用来产生平行光束，由狭缝和装在套管另一端的物镜组成。狭缝由螺丝来调节宽度，调节的范围是0.02~2毫米。螺丝是狭缝固定螺丝，松开可以调节狭缝和物镜间的距离，并可转动狭缝。当狭缝正好位于物镜的焦平面时，从狭缝射进来的光经物镜后就成为平行光。平行光管与分光计的底座固定在一起，螺丝、分别用来调节平行光管的水平和高低位置。四、实验原理光栅是一种重要的分光元件，它可以把入射光中不同波长的光分开，衍射光栅有透射光栅和反射光栅两种，常用的是平面透射光栅，它是由许多相互平行等距的透明狭缝组成，其中任意相邻两条狭缝的中心距离d称为光栅常数。根据夫琅和费衍射理论，当一束平行光垂直地投射到光栅平面上时，每条狭缝对光波都会发生衍射，所有狭缝的衍射光又彼此发生干涉。衍射角符合条件   ，   （k=0、1、2、3…）        (9–1)\n图9–3 光栅衍射时，在该衍射角方向上的光相叠加将会加强，其它方向光相抵消。如果用会聚透镜把这些衍射后的平行光会聚起来，则在透镜的焦平面上将出现一系列亮纹，形成衍射图样。如图9–3所示，式（9–1）称为光栅方程，其中λ为入射光波波长，θ为衍射角，k为衍射亮纹的级数。在θ为0的方向上可以观察到中央亮纹。其它各级亮纹对称分布在中央亮纹两侧。若已知光栅常数d，测出相应的衍射条纹与0级条纹间的夹角θ，便可求出光波波长。五、实验步骤１．调节分光计分光计的调节主要是使平行光管发出平行光，望远镜聚焦于无穷远，平行光管和望镜的光轴与分光计的中心转轴垂直。首先进行粗调，即用眼睛估测：把载物平台、望远镜和平行光管大致调成水平，然后对各部分进行细调节。（1）调节望远镜。调节目镜，看清分划板上的十字黑刻线。然后使电珠发出的光线照亮叉丝，将一平面反射镜放在载物平台上。为了调节方便，把平面镜一侧边与三个调平螺丝的其中一个对齐，另一侧边放在另外两个调平螺丝之间的中垂线上，并用弹簧片夹固定。调节另外两个调平螺丝，则可以改变平面镜对望远镜光轴的仰角。缓慢转动游标盘或左右移动望远镜，从望远镜内找到反射回来的叉丝像；松开螺丝，移动套简，以便看到清晰的‘绿十字”像，此时叉丝与叉丝像都处于物镜的焦平面上。即望远镜己聚焦于无穷远。调节望远镜的倾斜螺丝，使“绿十字”像的中心向分化板的上方水平线逼近一半，再调节载物台的调平螺丝，使“绿十字”像与上方水平线重合。转动望远镜使“绿十字”像与上方黑十字重合。将载物台旋转180º，再观察，若像不在原位，再用上述方法反复调节，直至“绿十字”像和分划板上方黑十字重合，再旋转180º时也不变，如图9–4所示，此时望远镜的光轴与分光计中心轴垂直。\n图9–4 十字分划板（2）调节平行光管。取下平面镜，用己聚焦在无穷远的望远镜为标准，如果平行光管产生了平行光，射入望远镜后必聚焦在叉丝上。调节时先用光源把平行光管的狭缝照亮，将望远镜正对着平行光管，前后移动平行光管的狭缝，使望远镜看到狭缝的像与分划板中心垂线相重合、清晰。把狭缝转到水平位置，调节平行光管倾斜螺丝，使其像与分划板的中央水平刻线相重合，这时平行光管与望远镜共轴，狭缝被分划板的水平线平分，将狭缝转回垂直位置与分划板十字垂线重合，并适当调节缝宽，然后，调节螺丝固定狭缝。２．利用光栅测波长（1）将钠光灯（或荧光灯）置于平行光管狭缝前，接通电源，使它正常发光。（2）将光栅固定在分光计的载物台上，使平行光管射出的光垂直投射到光栅上。（3）旋转望远镜，使衍射中央亮纹与望远镜里竖直划分线重合。在刻度盘、游标A、B上读出望远镜所在位置θ0和θ0′计入表9–1中。（4）将望远镜向左转动（注意：转动前，先旋紧螺丝和，使望远镜与刻度盘一起转动，而游标盘不动），可以见到一级像（k=1），使其与望远镜里的十字垂线重合，在读数盘上读出望远镜位置θ左和θ左′计入表9–1中。如果光源使用荧光灯，则一级像为一组谱线，测波长时可选择其中一条谱线进行测量。（5）将望远镜向右移动，与步骤4相同，可读出θ右和θ右′，计入表9–1中。（6）用上述方法，观察二级（n=2）像。＊３．观察明线光谱、连续光谱和吸收光谱（1）观察明线光谱。将光谱管置于平行光管狭缝前，接通感应圈电路，使光谱管发光，转动望远镜到适当位置，观察明线光谱。（2）观察连续光谱。将白炽光光源置于平行光管的狭缝前，转动望远镜，观察并画出连续光谱。（3）观察吸收光谱。将血桨稀释后盛入试管中。然后将其置入平行光管的狭缝和白炽光光源之间，在望远镜中观察并画出血红素吸收光谱。用同样的方法观察并画出高猛酸钾溶液的吸收光谱。六、注意事项1．调整分光计十分费事费时，如事先已经将它调好，实验时不要随便移动，以免重新调节浪费时间，影响实验的进行。\n2．勿用手触及分光计各光学器件表面。实验室用的光栅是由明胶印刷而成的复制光栅，所以在衍射光栅玻璃片的中央部位，不能用手摸或纸擦。3．分光计是精密的光学仪器，一定要小心使用，转动望远镜前，要先拧松固定它的螺丝；转动望远镜时，手把着它的支架转动，不能用手把着望远镜转。七、数据记录与处理表9–1光源种类 谱线波长λ0=光栅常数d=中央亮纹游标A位置θ0=游标B位置θ0ˊ=一级谱线左转游标A位置θ左=左转游标B位置θ左ˊ=右转游标A位置θ右=右转游标B位置θ右ˊ=偏转角谱线波长λ=百分误差E= 表9–1中的光源种类若取钠光灯，则其谱线波长为：λ0=5893Å根据   ，若k=1则                           =dsin与理论值比较求百分误差  八、思考题1．如果想将相邻两条光谱线分得更开些，本实验应从哪些万面改进？2．用白光作上述实验，能观察到什么现象？怎么解释这种现象？3.光栅光谱与棱镜光谱有什么区别？\n单缝衍射实验目的1．观察夫朗和费衍射现象；2．测定钠光谱的波长；3．在已知钠光波长的情况下，测定狭缝的宽度。实验原理如图所示，以平行光垂直投射在单缝上，单缝上的每个点向各个方向发射的子波经透镜汇聚，在主焦面上形成单缝的夫朗和费衍射条纹。亮度极小值即暗条纹的衍射角因为很小，上式可以改写为若测出中央明条纹的两边的、级暗条纹的距离为则所以=预习要求1、熟悉单缝夫朗和费衍射原理；2、了解单缝夫朗和费衍射测钠光波长的方法；\n3、掌握用读数显微镜测单缝宽度的方法；4、熟悉测微目镜的读数方法；5、写好实验预习报告，列出测量数据记录表。讲解内容1．单缝夫朗和费衍射原理。2．单缝夫朗和费衍射测钠光波长的方法。3．测微目镜的读数方法。注意事项1、在测量过程中，若观察不到12级条纹，则可将数据记录表格中的3、6、9、12，改为2、4、6、8；2、在测量过程中，应测量各级暗条纹的距离；3、单缝衍射的相对光强分布为选做内容。数据记录及处理=_____________________m+n条纹坐标123456平均L=x-x3+3xx6+6xx9+9xx12+12xx\n偏振现象的观察和分析【实验目的】1.通过观察光的偏振现象，加深对光波传播规律的认识。2.掌握产生和检验偏振光的原理和方法。【实验仪器】钠光灯，可旋转偏振片2个，玻璃砖或玻璃堆，λ/4波片1个（589.3nm），多用途光学实验仪。【实验原理】1.偏振光的概念光的波动的形式在空间传播属于电磁波，它的电矢量E与磁矢量H相互垂直。E和H均垂直于光的传播方向，故光波是横波。实验证明光效应主要由电场引起，所以电矢量E的方向定为光的振动方向。自然光源（如日光，各种照明灯等）发射的光是由构成这个光源的大量分子或原子发出的光波的合成。这些分子或原子的热运动和辐射是随机的，它们所发射的光振动，出现在各个方向的几率相等，这样的光叫做自然光。自然光经过媒质的反射、折射或者吸收后，在某一方向上振动比另外方向上强，这种光称为部分偏振光。如果光振动始终被限制在某一确定的平面内，则称为平面偏振光，也称为线偏振光或完全偏振光。偏振光电矢量E的端点在垂直于传播方向的平面内运动轨迹是一圆周的，称为圆偏振光，是一椭圆的则称为椭圆偏振光。2.获得线偏振光的方法自然光变成偏振光称作起偏，可以起偏的器件分为透射和反射2种形式。(1)反透射式起偏器自然光在两种媒质的界面处反射和折射，当入射角φｂ满足tanφｂ＝n１/n２时，反射光成为振动 方向垂直于入射面的线偏振光，这个规律称布儒斯特定律，φｂ称为布儒斯特角或起偏角，而折射光为部分偏振光。如果自然光以入射角φｂ投射在多层的玻璃堆上，经过多次反射后，透射出的光也接近于线偏振光，其振动面平行于入射面。(2)透射式起偏器\n晶体起偏器：利用某些晶体的双折射现象可以获得较高质量的线偏振光，如尼科尔棱镜，这类偏光器件价格昂贵。偏振片：一般用具有网状分子结构的高分子化合物——聚乙烯醇薄膜作为片基，将这种薄膜浸染具有强烈二向色性的碘，经过硼酸水溶液的还原稳定后，再将其单向拉伸4~5倍以上而制成。这种偏振片称H偏振片。此外用另外方法还可制成K偏振片、L偏振片。3.马吕斯定律自然光通过偏振片变成光强为I0，振幅为A的线偏振光，再垂直入射到另一块偏振片上，出射光强为：I＝I0cos２θ这就是马吕斯定律。θ为两偏振片透振方向之间的夹角。4.波片的偏光作用单轴晶体制成厚度为L，表面平行于光轴的片,称波片。波片有正晶体或负晶体之分。一束振幅为A的线偏振光垂直入射在波片表面上，且振动方向与光轴夹角为θ，在晶体内分解成o光和e光，振幅分别是A0＝Asinθ，Ae＝Acosθ。经过波片后，二光产生位相差：ΔΦ＝2π（n0－nｅ）L/λ０式中,λ0为光在真空中的波长；n0、nｅ为晶片对o光和e光的折射率。因为波片能使o光或e光的位相推迟，又称为位相推迟器。o光和e光振动方向相互垂直，频率相同，位相差恒定，由振动合成可得： 　　　　　　 这是椭圆方程式，代表椭圆偏振光。当ΔΦ＝2Kπ（K＝１，２，３…）及A0＝Aｅ时，合成振动为圆偏振光。【实验内容与步骤】1.确定偏振片透振方向，使用多用途光学实验仪可以在测定布儒斯特角的同时测定偏振片的透振方向。如果没有这种设备，通过观察桌面或一些玻璃表面所反射的部分偏振光，确定偏振片透振方向。2.用单色平行光，垂直照射在2片正交的偏振片上，两偏振片之间再插入一λ/4波片，转动λ/4波片，每转5°或10°再将检偏片转动一周。识别圆偏振光和椭圆偏振光,部分偏振光和椭圆偏振光；自然光和圆偏振光。3.用光电池接受的办法代替光屏接受，使用光点检流计对光强变化做定量的分析。【思考题】1.两偏振片用支架安置于光具座上，正交后消光，一片不动，另一片的2个表面转换  180°,会有什么现象？如有出射光，是什么原因？\n2.2片正交偏振片中间再插入一偏振片会有什么现象？怎样解释？3.波片的厚度与光源的波长什么关系？\n用双棱镜测量光波波长实验目的1．学习利用光的干涉现象测量光波波长的方法。2．观察双棱镜干涉现象。3．掌握实验光路的调节和测微目镜的使用。实验原理双棱镜干涉实验的原理如图所示。用单色光源照亮狭缝S，由狭缝射出的光投射到双棱镜的棱脊上，经折射后形成两束光。这两束光相当于由两个符合相干条件的虚光源和发出，于是在它们的重叠区域内产生干涉。设和之间的距离为d，和所在平面到观察屏的距离为D，相邻二明（或暗）条纹之间的距离为，则入射光波长又可由下式表示由实验测得D、d及，即可算出波长。预习要求1.理解双棱镜干涉的原理；2.了解用双棱镜测量光波波长的方法；3.了解测微目镜的使用方法；4.熟悉调出清晰干涉条纹的方法；5.掌握测量条纹间距和虚光源间距的方法。6.写好实验预习报告，列出测量数据记录表。讲解内容1．光的干涉2．为满足光的干涉条件总是把由同一光源发出的光分成两束或多束相干光，使它们经过不同的路径后相遇而产生干涉。3．产生相干光的方式有两种，分波阵面法和分振幅法，本实验是用分波阵面法产生干涉。\n4．介绍元件：①双棱镜：在一块玻璃薄板上，将上表面加工成两块楔形板，楔角很小（约左右）。②单缝（调宽度、调竖直度）。③测微目镜（测长度的方法）。5．从单缝发出的光径双棱镜折射后形成两束，犹如从虚光源发出的相干光束，它们在空间相遇，则形成干涉条纹。6．同轴等高调节：①目测粗调；②细调，两次成像中心重合。7．调出干涉条纹的方法：①调单缝，使视场明暗适中；②左右调双棱镜，使视场出现一条光带；③调单缝竖直度，使光带变为清晰的干涉条纹；④将测微目镜往后拉，同时调双棱镜左右使条纹保持在视场中央。直至测微目镜到虚光源距离D>4f。8．放上L，调出虚光源的大、小像，可左右调节L使像在视场中央。9．测微目镜与双棱镜间距变大，条纹变疏，双棱镜与单缝间距变大，条纹变密。注意事项1.要求用二次成像法测两虚光源之间的距离；2.在调整好单缝、双棱镜，测微目镜的位置，确保能观察到虚光源的大、小像后再进行测量；3.在测量单缝与测微目镜间距时，要注意相关数据的修正。数据记录及处理1．测量干涉条纹间距　　　干涉条纹序号123456干涉条纹位置（mm）干涉条纹位置（mm）_______________mm2．单缝S与测微目镜M的间距D狭缝位置___________cm目镜位置__________cmD=____________cm3．测量两虚光源之间的距离d\n测量次数缩小象（mm）放大象（mm）读数1读数2读数1读数212345____________相对误差绝对误差＝实验结果＝