2016上師杯物理實(shí)驗(yàn)培訓(xùn)-光學(xué)

1、光學(xué)實(shí)驗(yàn),2016年10月,本講座將討論光的干涉、衍射等實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)和操作。 相關(guān)實(shí)驗(yàn)有： 雙縫干涉 等厚干涉(牛頓環(huán)） 單縫衍射 光柵衍射,雙縫干涉,光的干涉,,,由同一光源產(chǎn)生的兩列光波沿著幾乎相同的方向傳播，在兩列光波相交的區(qū)域內(nèi)，光強(qiáng)的分布不是均勻的，而是在某些地方表現(xiàn)為加強(qiáng)，在另一些地方表現(xiàn)為減弱（甚至可能為零）這種現(xiàn)象稱為光的干涉。,水波的干涉,雙縫干涉,楊氏雙逢干涉,,雙

2、縫干涉的裝置使兩列光波由同一光源產(chǎn)生。 才能在光屏上形成穩(wěn)定的干涉條紋。,滿足振動(dòng)方向相同、頻率相等、相位差恒定的相干條件，,雙逢干涉,雙縫干涉,楊氏雙逢干涉,,,波峰與波峰迭加，相長(zhǎng)干涉，出現(xiàn)亮條紋---兩波的波程差(光程差)是波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí).,波峰與波谷迭加，相消干涉，出現(xiàn)暗條紋---兩波的波程差(光程差)是1/2波長(zhǎng)的奇數(shù)倍時(shí).,雙縫干涉,楊氏雙逢干涉,,,在B點(diǎn)，光程差 (路程乘以傳播介質(zhì)的折射率) 為：,(當(dāng)θ很小時(shí)，

3、 ),,雙縫干涉,楊氏雙逢干涉,,,當(dāng)光程差：,出現(xiàn)亮條紋,出現(xiàn)暗條紋,雙縫干涉,楊氏雙逢干涉,,,對(duì)于亮條紋，于是有：,任何兩條亮條紋(或暗條紋)之間的距離,采用雙棱鏡觀察雙縫干涉現(xiàn)象,實(shí)驗(yàn)所選用的縫要足夠的窄；實(shí)驗(yàn)采用鈉光作為單色光源（波長(zhǎng)589.3nm）；實(shí)驗(yàn)可以采用激光光源，在使用激光光源時(shí)，狹縫不再使用；,虛光源相對(duì)位置的測(cè)量,思考題,,,2.在雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中，雙縫到屏幕的距離由d變

4、為4d, 則相鄰暗條紋的間隔由△x 變?yōu)椋?a.2△x； b.4△x； c.0.5△x； d.0.25△x；,1.光源用氦氖激光代替鈉光燈,干涉條紋的寬度有什么區(qū)別?,又因?yàn)殁c光燈波長(zhǎng)589.3nm,氦氖激光波長(zhǎng)623.8nm,所以條紋變寬。,,√,思考題,,,3.在楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)裝置中，雙縫的作用是 A.遮住過于強(qiáng)烈的燈光； B.形成兩個(gè)振動(dòng)情況相同的光源； C.使白光變成單色光；

5、 D.使光發(fā)生折射。4. 在采用雙棱鏡觀察雙縫干涉現(xiàn)象時(shí)，如果雙棱鏡遠(yuǎn)離透鏡L，光屏P的位置不變，則看到的現(xiàn)象將會(huì)發(fā)生什么變化？,√,,,觀察牛頓環(huán)的實(shí)驗(yàn)裝置：,等厚干涉---牛頓環(huán),在一塊光平的玻璃片P上，放一曲率半徑R很大的平凸透鏡L，在PL之間形成一劈形空氣薄層。當(dāng)平行光束垂直射向平凸透鏡時(shí)，由于透鏡下表面的光和玻璃片上表面所反射的二束光發(fā)生干涉，將呈現(xiàn)干涉條紋。這是一種等厚干涉條紋。,觀察牛頓環(huán)的實(shí)驗(yàn)裝置：

6、顯微鏡 鈉燈 平凸透鏡,牛頓環(huán),,,,牛頓環(huán)的干涉條紋：,牛頓環(huán),,,e,光線B與光線A的光程差Δ形成牛頓環(huán)的干涉條紋：：,－－－亮環(huán),－－－暗環(huán),要注意上式中還加了λ/2這一項(xiàng)，這是因?yàn)楣饩€在透鏡下表面處是從光密媒質(zhì)到光疏媒質(zhì)面上反射的，而光線在玻璃片上表面處是從光疏媒質(zhì)到光密媒質(zhì)面上反射的，后者要產(chǎn)生附加的半波長(zhǎng)光程差，即λ/2。,光線A,光線B,

7、空氣層厚度e,牛頓環(huán),牛頓環(huán)的干涉條紋： 這些干涉條紋都是以接觸點(diǎn)O為中心的許多同心環(huán)，稱為牛頓環(huán)。,由于⊿相等的軌跡是園環(huán),同一條暗條紋成園環(huán)狀,牛頓環(huán),透鏡曲率半徑和暗環(huán)直徑之間關(guān)系：,,因?yàn)?略去,有：,代入,則出現(xiàn)暗環(huán)的直徑是：,讀數(shù)顯微鏡,牛頓環(huán),讀數(shù)顯微鏡是將顯微鏡安裝在精密測(cè)量裝置上，轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)微螺旋，顯微鏡筒能在垂直于光軸的方向上移動(dòng)，移動(dòng)距離可從讀數(shù)裝置上讀出。,,讀數(shù)顯微鏡的讀數(shù),,,,,,,,,2,,,,,,,

8、,,3,,,,,,牛頓環(huán),螺旋圓盤上有100個(gè)等分格，旋轉(zhuǎn)一圈，通過絲桿帶動(dòng)顯微鏡平移1 mm，因此每一個(gè)等分格相當(dāng)于0.01mm，再估讀一位，最小讀數(shù)為0.001mm。,26.642,牛頓環(huán),由于干涉條紋的級(jí)次很難確定，實(shí)際測(cè)量相距m個(gè)環(huán)的暗條紋直徑Dk和Dk+m，求得ΔD2m 。,,用牛頓環(huán)干涉測(cè)透鏡曲率半徑,通常取 m=20，即測(cè)量相距20個(gè)干涉環(huán)序的兩園環(huán)的直徑，可使測(cè)量的相對(duì)誤差減小近20倍。例如,由于干涉條紋的級(jí)次很難確定，

9、實(shí)際測(cè)量相距m個(gè)環(huán)的暗條紋直徑Dk和Dk+m，求得ΔD2m 。,牛頓環(huán),用牛頓環(huán)干涉測(cè)透鏡曲率半徑,用逐差法處理干涉條紋的測(cè)量數(shù)據(jù)：,,D=X（右）-X(左）,牛頓環(huán),,用牛頓環(huán)干涉測(cè)透鏡曲率半徑,用逐差法處理干涉條紋的測(cè)量數(shù)據(jù)：,取它們的平均值代入前面式子，即可計(jì)算半徑R。,用逐差法可以求得5個(gè)ΔD2的值，即：,牛頓環(huán),,思考題,,,2.牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)中若已知凸透鏡的曲率半徑R,選出下列說法中的正確者:a.可通過它測(cè)量單色光源的波長(zhǎng);

10、b.可通過它測(cè)量平板玻璃的厚度;c.可通過它測(cè)量牛頓環(huán)間隙中液體的折射率;d.可通過它測(cè)量凸透鏡的折射率.,1.在牛頓環(huán)裝置中,當(dāng)光源垂直照射時(shí),有4個(gè)光學(xué)面能反射光線,而牛頓環(huán)是由以下兩個(gè)面反射的光線相干涉而形成.a.反射面1與3 b.反射面1與4 c.反射面2與3 d.反射面2與4,√,,√,√,思考題,,,3.在牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)中,顯微鏡的叉絲未正確通過干涉環(huán)圓心,將使實(shí)驗(yàn)結(jié)果:a.偏大; b.偏小; c.不受影響;

11、 d.都有可能,,√,即有:,因?yàn)?,思考題,,,4.能否采用平凹透鏡觀測(cè)到牛頓環(huán)？5.能否測(cè)量得到空氣隙的厚度？6. 在空氣間隙中充滿液體，能否測(cè)量液體的折射率？,,單縫衍射,,,夫瑯和費(fèi)單縫衍射 光在傳播過程中遇到障礙物時(shí)，會(huì)偏離原來的直線傳播方向，并在障礙物后的觀察屏幕上呈光強(qiáng)的不均勻分布，這種現(xiàn)象稱為光的衍射。 當(dāng)光源和衍射場(chǎng)都在離衍射物無限遠(yuǎn)時(shí)，稱為夫瑯和費(fèi)衍射，它是光學(xué)儀器中最常見的衍射。,

12、單縫衍射,,,夫瑯和費(fèi)單縫衍射 當(dāng)一束平行光垂直入射到很狹的單狹縫上時(shí)，可以把單縫面的每一個(gè)點(diǎn)作為一個(gè)新光源。這些新光源發(fā)出的光波在空間互相疊加，使得有些地方互相加強(qiáng)，形成亮點(diǎn)，有的地方互相減弱，形成暗點(diǎn)。如果單縫至屏的距離足夠長(zhǎng)，在屏上觀察到的就是夫瑯和費(fèi)單縫衍射現(xiàn)象。,單縫衍射,,,夫瑯和費(fèi)單縫衍射條紋的觀察:,單縫至屏的距離應(yīng)該足夠長(zhǎng)。,單縫衍射,,,夫瑯和費(fèi)單縫衍射特點(diǎn):,在sinθ很小時(shí),sinθ=x/z

13、，則屏幕上暗條紋的坐標(biāo)x應(yīng)滿足,當(dāng)光強(qiáng)為零,即出現(xiàn)暗條紋時(shí),衍射角θ滿足,單縫衍射,,,夫瑯和費(fèi)單縫衍射條紋特點(diǎn):,其它亮條紋(次極大)的位置雖對(duì)稱分布,但不等間隔。,暗條紋(極小值)的位置以中央亮條紋的中點(diǎn)為中心,等間距,對(duì)稱分布。,單縫衍射,,,夫瑯和費(fèi)單縫衍射特點(diǎn):,z,k=1,k=2,k=-1,k=-2,△X,,,,,,中央亮條紋的寬度為其它亮條紋寬度（即暗條紋的間隔距離）的兩倍，中央亮條紋的寬度為2△x，其它亮條紋寬度為△x。

14、,單縫衍射,,,夫瑯和費(fèi)單縫衍射特點(diǎn):,亮條紋的寬度△x與z和λ成正比，與 a成反比。,單縫衍射,,,用夫瑯和費(fèi)單縫衍射測(cè)量單縫（單絲）寬度:,……,單縫衍射,,,用夫瑯和費(fèi)單縫衍射測(cè)量單縫（單絲）寬度:,……,用讀數(shù)顯微鏡測(cè)量單縫的寬度,對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行校對(duì)。,思考題,,,1.單縫衍射的條紋有什么特點(diǎn)?,2.單縫衍射實(shí)驗(yàn)中,縫寬由a變?yōu)閍/2,單逢至屏的距離由z增加到3z,則中央條紋的寬度是原寬度的多少?,暗條紋(極小值)的位置以中央亮

15、條紋的中點(diǎn)為中心,等間距,對(duì)稱分布， 中央亮條紋的寬度是其它亮條紋寬度的2倍， 其它亮條紋(次極大)的位置雖對(duì)稱分布但不等間隔。,思考題,,,4.在單縫衍射實(shí)驗(yàn)中，將屏遠(yuǎn)移衍射單縫，則可以發(fā)現(xiàn)：a.中央亮條紋中心位置不變，但寬度變大；b.中央亮條紋中心位置移動(dòng)，但寬度不變； c.中央亮條紋中心位置不變，但寬度變?。籨.中央亮條紋中心位置移動(dòng)，但寬度變?。?3.在單縫衍射實(shí)驗(yàn)中， a.

16、用白光照射時(shí)，條紋變清晰；b. 用激光照射時(shí)，條紋變清晰；c. 激光輸出光強(qiáng)增加，中心亮條紋變寬；d. 激光輸出光強(qiáng)增加，中心亮條紋位置改變；,√,√,思考題,,,4.如何粗測(cè)刀刃的寬度?,,衍 射 光 柵,衍 射 光 柵,光柵是一組數(shù)目極多的等寬、等距和平行排列的狹縫。透明區(qū)寬度a與不透明區(qū)寬度b之和d稱之為光柵常數(shù)。它決定了光柵的基本性質(zhì)。 d=a+b,,衍 射 光 柵,衍射

17、光柵的特點(diǎn)：　　自S射出的平行光垂直地照射在光柵上，透鏡將衍射光會(huì)聚于其像平面上，產(chǎn)生亮條紋條件是：,衍 射 光 柵,,單色光的光譜,單色光,衍 射 光 柵,復(fù)色光（含n個(gè)波長(zhǎng)λ1, λ2, λ3 ……… ）的光譜,衍 射 光 柵,實(shí)驗(yàn)裝置 用分光計(jì)測(cè)定光柵常數(shù)或光波波長(zhǎng),分光計(jì)的調(diào)節(jié),分光計(jì)的構(gòu)成：由底座（刻度盤和游標(biāo)）、平行光管(準(zhǔn)直管)、 望遠(yuǎn)鏡和載物平臺(tái)組成。,分光計(jì)的調(diào)節(jié),1. 望遠(yuǎn)鏡聚焦于無窮遠(yuǎn)。,分光計(jì)的調(diào)節(jié),分光

18、計(jì)的調(diào)節(jié),2. 調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡的光軸與儀器旋轉(zhuǎn)主軸垂直、觀察平面與儀器旋轉(zhuǎn)主軸重合。,分光計(jì)的調(diào)節(jié),a.調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡鏡身下的螺絲來調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡的光軸與儀器旋轉(zhuǎn)主軸垂直。 b. 調(diào)節(jié)載物平臺(tái)下面螺絲來調(diào)節(jié)觀察平面與儀器旋轉(zhuǎn)主軸重合。(平面鏡與儀器主軸平行),,,,,分光計(jì)的調(diào)節(jié),,,3.讓平行光管產(chǎn)生平行光,分光計(jì)的調(diào)節(jié),分光計(jì)的使用案例－－－測(cè)定三棱鏡的頂角,分光計(jì)的使用案例－－－測(cè)定三棱鏡的頂角,,V1, V2,,V1’,

19、V2’,望遠(yuǎn)鏡在此位置有兩個(gè)讀數(shù),望遠(yuǎn)鏡轉(zhuǎn)到此位置也有兩個(gè)讀數(shù),分光計(jì)的使用案例－－－測(cè)定三棱鏡的頂角,望遠(yuǎn)鏡分別與棱鏡的兩折射面垂直，即十字叉絲的反射像與調(diào)整叉絲完全重合時(shí)，記錄兩游標(biāo)的讀數(shù)。,分光計(jì)的讀數(shù)：為了消除度盤的刻度中心與儀器轉(zhuǎn)動(dòng)軸之間偏心差，必須同時(shí)讀取兩個(gè)游標(biāo)的讀數(shù)。,分光計(jì)的讀數(shù),87°30’+15’= 87°45’,分光計(jì)的讀數(shù),分光計(jì)的讀數(shù),v1 (游標(biāo)A)= 360°- 335&#

20、176;5’ + 95°7’ = 120°6’V2 (游標(biāo)B)= 275°6’ - 155°2’ = 120°4’望遠(yuǎn)鏡轉(zhuǎn)過的角度:,分光計(jì)的讀數(shù)：為了消除度盤的刻度中心與儀器轉(zhuǎn)動(dòng)軸之間偏心差，必須同時(shí)讀取兩個(gè)游標(biāo)的讀數(shù)。,思考題,在分光計(jì)的調(diào)整中，轉(zhuǎn)動(dòng)載物平臺(tái)（包括反射平面鏡）時(shí)，反射回來的亮十字總是在上叉絲交點(diǎn)（右圖a點(diǎn)）下面移動(dòng)，說明：a.平面鏡與儀器主軸平行，望遠(yuǎn)鏡

21、光軸與儀器主軸不垂直；b.平面鏡與儀器主軸不平行，望遠(yuǎn)鏡光軸與儀器主軸垂直；c.平面鏡與儀器主軸平行，望遠(yuǎn)鏡光軸與儀器主軸垂直；d.上面三種情況都有可能；；,衍 射 光 柵,實(shí)驗(yàn)裝置 用分光計(jì)測(cè)定光柵常數(shù)或光波波長(zhǎng),轉(zhuǎn)動(dòng)望遠(yuǎn)鏡到光柵的一側(cè),使叉絲的豎直線對(duì)準(zhǔn)已知波長(zhǎng)的k級(jí)譜線的中心,記錄二游標(biāo)值.將望遠(yuǎn)鏡轉(zhuǎn)向光柵另一側(cè),同上測(cè)量,同一游標(biāo)的兩次度數(shù)之差是衍 射 角的二倍.代入公式.,,,思考題,,,1.用汞燈發(fā)出的平行光照射衍

22、射光柵，屏幕上出現(xiàn)的第一級(jí)衍射條紋，由中央亮條紋往外（即向衍射角增大的方向）顏色的排列順序是： a．白、黃、綠、藍(lán)、紫； b. 白、紫、藍(lán)、綠、黃；c. 白、紫、綠、藍(lán)、黃； d. 白、黃、藍(lán)、綠、紫；,2.在光柵衍射測(cè)光波波長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)中，若在分光計(jì)上讀出零級(jí)衍射角的讀數(shù)為350°0′，第一級(jí)衍射條紋的衍射角為20°0′，已知光柵常數(shù)d=0.9×10-6 m,則入射光的波長(zhǎng)是： a.450nm；

23、 b.500nm； c.550nm； d. 600nm；,思考題,,,3.一衍射光柵對(duì)某一定波長(zhǎng)的垂直入射光，在屏幕上只能出現(xiàn)零級(jí)和一級(jí)主極大，欲使屏幕上出現(xiàn)更高級(jí)次的主極大，應(yīng)該 A.換一個(gè)光柵常數(shù)較小的光柵； B.換一個(gè)光柵常數(shù)較大的光柵； C.將光柵向靠近屏幕的方向移動(dòng)； D.將光柵向遠(yuǎn)離屏幕的方向移動(dòng)。,4.如何測(cè)量纖維布每厘米內(nèi)的纖維條數(shù)？,雙縫干涉、單縫衍射、光柵衍射比較,,,z,亮條紋,