WSZ系列光学平台参考实验讲义v1.3

前  言

WSZ型光学实验平台是根据教育部高教普物光学实验大纲的要求而设计的。平台系统由光学实验平台、平台工作台、多维调整架、光源、光学元件组成。教师可以根据实验要求，选择合适的组件安排实验，进行开放式教学，培养学生的思维能力及实验技巧，提高教学质量。

该产品分几何光学、物理光学及近代光学三大类，共26个实验项目。其中几何光学实验8个，物理光学实验11个，近代光学实验7个。其中有9个是演示实验，其他均为测量实验。加*的二十七和二十八实验为选做实验。对于书中所列的数据和透镜焦距的大小要灵活使用，无须严格按照书中的数值处理实验。仪器采用开放式教学，老师可以根据实验要求选用合适的通用组件安排多种实验。

由于时间仓促，水平有限，参考讲义中难免有各种缺陷，参考讲义仅供各位老师参考。

请各位老师多提宝贵意见，谢谢！

单 位：天津拓普仪器有限公司

地 址：天津市南开区凌宾路凌奥创意产业园区1号楼3层

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目   录

光学实验预备知识

实验一     用自准法测薄凸透镜焦距f ………………………………………………6

实验二     用位移法测薄凸透镜焦距f ………………………………………………8

实验三     目镜焦距fe的测量 ………………………………………………………10

实验四     自组显微镜 ………………………………………………………………12

实验五     自组望远镜 ………………………………………………………………14

实验六     自组透射式幻灯机（投影系统） ………………………………………16

实验七     测节点位置及透镜组焦距 ………………………………………………18

实验八     自组加双保罗棱镜的正像望远镜 ………………………………………21

实验九     杨氏双缝干涉 ……………………………………………………………23

实验十     菲涅尔双棱镜干涉 ………………………………………………………26

实验十一   菲涅尔双面反射镜干涉 …………………………………………………29

实验十二   劳埃德镜干涉 ……………………………………………………………32

实验十三   牛顿环装置 ………………………………………………………………34

实验十四   夫郎和费单缝衍射 ………………………………………………………37

实验十五   夫郎和费圆孔衍射 ………………………………………………………40

实验十六   菲涅尔单缝衍射 …………………………………………………………42

实验十七   菲涅尔圆孔衍射 …………………………………………………………43

实验十八   菲涅尔直边衍射 …………………………………………………………45

实验十九   偏振光分析 ………………………………………………………………47

实验二十   棱镜摄谱仪 ………………………………………………………………53

实验二十一 光栅单色仪 ………………………………………………………………55

实验二十二 全息照相 …………………………………………………………………58

实验二十三 制作全息光栅 ……………………………………………………………63

实验二十四 阿贝成像原理和空间滤波 ………………………………………………66

实验二十五 θ调制和颜色合成 ………………………………………………………70

实验二十六 测量空气折射率 …………………………………………………………72

*实验二十七 等倾干涉  ………………………………………………………………76

*实验二十八 法布里—珀罗干涉  ……………………………………………………80

参考文献

光学实验预备知识

光学实验是普通物理实验的一个重要部分。这里先介绍光学实验中经常用到的知识和调节技术。初学者在做实验以前应认真阅读这些内容，并且在实验中遵守有关规则和灵活运用有关知识。

一、光学元件和仪器的维护

透镜、棱镜等光学元件，大多数是用光学玻璃制成的。它们的光学表面都是经过仔细的研磨和抛光，有些还镀有一层或多层薄膜。对这些元件或其材料的光学性能（例如折射率、反射率、透射率等）都有一定的要求，而它们的机械性能和化学性能可能很差，若使用和维护不当，则会降低光学性能甚至损坏报废。造成损坏的常见原因有：摔坏、磨损、污损、发霉、腐蚀等。为了安全使用光学元件和仪器，必须遵守以下规则：

• 必须在了解仪器的操作和使用方法后方可使用。
• 轻拿轻放，勿使仪器或光学元件受到冲击或震动，特别要防止摔落。不使用的光

学元件应随时装入盒内并放入平台的箱子内，放入干燥器中保存。

• 切忌用手接触元件的光学表面。如必需用手拿光学元件时，只能接触其磨沙面，

如透镜的边缘、棱镜的上下底面等（如预备图-1）。

• 光学表面上如有灰尘，用实验室专备的干燥脱脂棉轻轻拭去或用橡皮球吹掉。
• 光学表面上若有轻微的污痕或指印，用清洁的镜头纸轻轻拂去，但不要加压擦拭，

更不准用手帕、普通纸片、衣服等擦拭。若表面有较严重的污痕或指印，应由实验室人员用丙酮或酒精清洗。所有镀膜面均不能接触或擦拭。

• 防止唾液或其溶液溅落在光学表面上。
• 调整光学仪器时，要耐心细致，一边观察一边调整，动作要轻、慢，严禁盲目及

粗鲁操作。

• 仪器用毕后应放回箱内或加罩，防止灰尘沾污。

二、消视差

光学实验中经常要测量像的位置和大小，经验告诉我们，要测准物体的大小，必须将量度标尺与被测物体紧贴在一起。如果标尺远离被测物体，读数将随眼睛的位置不同而有所改变，难以测准，如预备图-2所示。可是在光学实验中被测物往往是一个看得见摸不着的像，怎样才能确定标尺和待测像是紧贴在一起的呢？利用“视差”现象可以帮助我们解

决这个问题。为了认识“视差”现象，读者可做一简单实验：双手各伸出一只手指，并使一指在前，一指在后相隔一定距离，且两指平行。用一只眼睛观察，当左右（或上下）晃动眼睛时（眼睛移动方向应与被观察手指垂直），就会发现两指间有相对移动，这种现象称为“视差”。而且还会看到离眼近者，其移动方向与眼睛移动方向相反；离眼远者则与眼睛移动方向相同。若将两指紧贴在一起，则无上述现象，即无“视差”。由此可以利用视差现象来判断测像与标尺是否紧贴。若待测像和标尺间有视差，说明它们没有紧贴在一起，则应该稍稍调节像或标尺位置，并同时微微晃动眼睛观察，直到它们之间无视差后方可进行测量。这一调节步骤，我们常称之为“消视差”。在光学实验中，“消视差”常常是测量前*的操作步骤。

三、共轴调节

光学实验中经常要用一个或多个透镜成像。为了获得质量好的像，必须使各个透镜的主光轴重合（即共轴）并使物体位于透镜的主光轴附近。此外透镜成像公式中的物距、像距等都是沿主光轴计算长度的，为了测量准确，必须使透镜的主光轴与带有刻度的标尺平行。为了达到上述要求的调节我们统称为共轴调节。调节方法如下：

1、粗调，将光源、物和透镜靠拢，调节它们的取向和高低左右位置，凭眼睛观察，使它们的中心处在一条和标尺平行的直线上，使透镜的主光轴与标尺平行，并且使物（或物屏）和成像平面（或像屏）与平台垂直。这一步因单凭眼睛判断，调节效果与实验者的经验有关，故称为粗调。通常应再进行细调（要求不高时可只进行粗调）。

2、细调，这一步骤要靠其他仪器或成像规律来判断和调节。不同的装置可能有不同的具体调节方法。下面介绍物与单个凸透镜共轴的调节方法。

使物体与单个凸透镜共轴实际上是指将物上的某一点调到主光轴上。要解决这一问题，首先要知道如何判断物上的点是否在透镜的主光轴上。根据凸透镜成像规律即可判断。如预备图-3所示，当物AB与像屏之间的距离b大于4f时，将凸透镜沿光轴移到O1或O2位置都能在屏上成像，一次成大像A1B1，一次成小像A2B2。物点A位于光轴上，则两次

像的A1和A2点都在光轴上而且重合。物点B不在光轴上，则两次像的B1和B2一定都不在光轴上，而且不重合。但是，小像的B2点总是比大像的B1点更接近光轴。由此可知，若要将B点调到凸透镜光轴上，只需记住像屏上小像的B2点位置（屏上贴有坐标纸供记录位置时作参照物），调节透镜（或物）的高低左右，使B1向B2靠拢。这样反复调节几次直到B1与B2重合，即说明B点已调到透镜的主光轴上了。

若要调多个透镜共轴，则应先将物上B点调到一个凸透镜的主光轴上，然后，同样根据轴上物点的像总在轴上的原理，逐个增加待调透镜，调节它们使之逐个与*个透镜共轴。