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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。
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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,此时眼睛的视角为 ,如图 5-0—1 所示。 与 之比称为视角
放大率 。
(5―0―1)
因为
所以 。 (5―0―2)
(5―0―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
A
cm25
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'B
'A
B
1—0—图5
A
'B
'A
B
"B
"A
叉丝
叉丝
阿贝目镜
高斯目镜
——图 205
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 5-0—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
显微镜由目镜和物镜组成,其光路图如 5-0—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:
(5―0―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 ), s
0
=-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 5-0—4 所示,远处物体 发出的光束经物镜后被会聚于物镜
305 ——图
0
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Q
e
F
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"Q
P
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Q
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4—0—图5
明视距离
'Q
"P
"Q
P
Q
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L
'P
e
L
'
0
F
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),目镜的像方焦距为付(发散透镜),则为伽利略望远镜。图 5-0—
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
(5―0―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,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 5-0—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或接近理想光学系
505 ——图
6—0—图5
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2
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