ASG。物理组合实验系列 高级光学组合实验 叶庆好编译 上海交通大学物理实验中心
PASCO 物理组合实验系列 高级光学组合实验 叶庆好编译 上海交通大学物理实验中心
目录 实验1：光的反射 .1 实验2：光的折射」 3 实验3：透镜.......... 6 实验4：光的波动性 .10 实验5：激光... 12 实验6：多重反射光束的千涉 14 实验7：狭缝衍射 .15 实验8：圆盘衍射 17 实验9：测量光的波长 19 实验10：光的偏振 .21 实验11：旋光性 23 实验12全息术.....….25
目 录 实验 1：光的反射…………………………………………………………………………………1 实验 2：光的折射…………………………………………………………………………………3 实验 3：透镜………………………………………………………………………………………6 实验 4：光的波动性………………………………………………………………………………10 实验 5：激光………………………………………………………………………………………12 实验 6：多重反射光束的干涉……………………………………………………………………14 实验 7：狭缝衍射…………………………………………………………………………………15 实验 8：圆盘衍射…………………………………………………………………………………17 实验 9：测量光的波长……………………………………………………………………………19 实验 10：光的偏振………………………………………………………………………………21 实验 11：旋光性…………………………………………………………………………………23 实验 12：全息术…………………………………………………………………………………25
实验1：光的反射 实验仪器 白炽灯光源(0S-9102B) 平面镜(0S-9136) 光具座(0S-9103) 观察屏(0S-9138) 角度位移器(OS-9106A) 狭缝障板(0S-9139) 元件支架(0S-9107) 光度计和光纤探头（选做内容） 玻璃平板(0S-9128) 0.5mlW激光器（选做内容） 聚丙烯平板(0S-9129) 实验目的 光是电磁波，按照波的传播规律，光在二种不同特性媒介（例如空气和玻璃）的界面上 会按一个确定的角度反射，例如我们每天都看到的镜面、水面和窗户玻璃反射的光。本实验 的目的是找出光在反射时所遵循的规律。 实验原理 虽然光具有波动性，但如果实验的尺度足够大，可以忽略光的衍射和干涉，认为光在光 学均匀媒体中是以直线传播的，这样我们可以用通常几何的结果来研究光的传播。 实验内容 I.光的入射角和反射角 1.把白炽灯光源置于光具座的左端，置角度位移器距光源约25cm处，使零刻度标记平行于 光具座。调整转盘使刻痕线分别平行和垂直于光具座。 2.把狭缝障板吸附在元件支架上，并置于光源和角度位移器的中间，狭缝障板至角度位移器 中心的距离为d厘米。角度位移器中心距转动测量臂第一个检测孔的距离约为6.5cm。(图 1.1)。 Aperture Mask Angualar Translato iewing Figure 1.1:Experlment Setup 3.把观察屏吸附在角度位移器元件支架的中间，放在角度位移器的转盘上，使观察屏的前表 面与垂直于光具座的刻痕线重合。 4.开启光源的电源，调整狭缝障板的位置（不要移动元件支架），在观察屏上得到狭缝障板 完整的象。利用观察屏上的毫米刻度，细调使象位于水平的中间位置，把观察屏转90°
1 实验 1：光的反射 实验仪器 白炽灯光源（OS-9102B） 光具座（OS-9103） 角度位移器（OS-9106A） 元件支架（OS-9107） 玻璃平板（OS-9128） 聚丙烯平板（OS-9129） 平面镜（OS-9136） 观察屏（OS-9138） 狭缝障板（OS-9139） 光度计和光纤探头（选做内容） 0.5mW 激光器（选做内容） 实验目的 光是电磁波，按照波的传播规律，光在二种不同特性媒介（例如空气和玻璃）的界面上 会按一个确定的角度反射，例如我们每天都看到的镜面、水面和窗户玻璃反射的光。本实验 的目的是找出光在反射时所遵循的规律。 实验原理 虽然光具有波动性，但如果实验的尺度足够大，可以忽略光的衍射和干涉，认为光在光 学均匀媒体中是以直线传播的，这样我们可以用通常几何的结果来研究光的传播。 实验内容 I．光的入射角和反射角 1.把白炽灯光源置于光具座的左端，置角度位移器距光源约 25cm 处，使零刻度标记平行于 光具座。调整转盘使刻痕线分别平行和垂直于光具座。 2.把狭缝障板吸附在元件支架上，并置于光源和角度位移器的中间，狭缝障板至角度位移器 中心的距离为 d 厘米。角度位移器中心距转动测量臂第一个检测孔的距离约为 6.5cm。（图 1.1）。 3.把观察屏吸附在角度位移器元件支架的中间，放在角度位移器的转盘上，使观察屏的前表 面与垂直于光具座的刻痕线重合。 4.开启光源的电源，调整狭缝障板的位置（不要移动元件支架），在观察屏上得到狭缝障板 完整的象。利用观察屏上的毫米刻度，细调使象位于水平的中间位置，把观察屏转 900
细调使象位于垂直的中间位置。 5.把观察屏移至转动测量臂的第一个检测孔，把平面镜放在转盘上，平面镜的前表面与垂直 于光具座的刻痕线重合。 6.把转盘转过一个角度（例如30°），移动测量臂使反射象位于观察屏水平的中间位置。重复 这样的操作，检验入射角与反射角之间的关系。（入射角是入射光线与反射表面的法线间 的夹角，反射角是反射光线与反射表面的法线间的夹角。) 7.旋转观察屏测量反射图象的垂直位置。通过测量狭缝障板图象的垂直位置，确定入射光线、 反射光线和反射表面的法线间的关系（是否在同一平面？）。 Ⅱ：玻璃和丙烯酸的界面反射 1.用玻璃平板替换平面镜，玻璃平板的前表面应与垂直于光具座的刻痕线重合。 2.转动转盘，使玻璃平板与光具座成一夹角。 3.移动测量臂，使得在观察屏上得到反射图象。有几个狭缝障板的图象？为什么？ 4.左边最明亮的反射图象，是玻璃平板前表面的反射象。把该反射象调整到观察屏的中间， 并记录下测量臂与玻璃平板之间的夹角。将转盘置于不同的角度，重复几次以上的步骤， 光线的入射角与反射角之间是什么关系？ 5.测量反射图象中点的高度，判断入射光线、反射光线和反射表面的法线是否在同一个平面 内。 6.用聚丙烯平板替代玻璃平板，重复以上步骤1-4。判断当反射面材料改变时，以上得到的 入射角与反射角相等的定律是否依然成立。 选做内容 1.把光纤探头固定于测量臂的检测孔，用光度计测量入射角变化时反射光与透射光的相对 强度，根据结果作图。注意，使用光度计时室内环境光线尽可能暗些。 2.如果使用激光来替代白炽灯光源，则整个实验的效果会更好。使用激光就不需要狭缝障 板。要根据仪器说明仔细调节，使激光束平行于光具座。使用激光，可以观察到玻璃平 板的三次或四次多重反射。 2
2 细调使象位于垂直的中间位置。 5.把观察屏移至转动测量臂的第一个检测孔，把平面镜放在转盘上，平面镜的前表面与垂直 于光具座的刻痕线重合。 6.把转盘转过一个角度（例如 300），移动测量臂使反射象位于观察屏水平的中间位置。重复 这样的操作，检验入射角与反射角之间的关系。（入射角是入射光线与反射表面的法线间 的夹角，反射角是反射光线与反射表面的法线间的夹角。） 7.旋转观察屏测量反射图象的垂直位置。通过测量狭缝障板图象的垂直位置，确定入射光线、 反射光线和反射表面的法线间的关系（是否在同一平面？）。 Ⅱ：玻璃和丙烯酸的界面反射 1.用玻璃平板替换平面镜，玻璃平板的前表面应与垂直于光具座的刻痕线重合。 2.转动转盘，使玻璃平板与光具座成一夹角。 3.移动测量臂，使得在观察屏上得到反射图象。有几个狭缝障板的图象？为什么？ 4.左边最明亮的反射图象，是玻璃平板前表面的反射象。把该反射象调整到观察屏的中间， 并记录下测量臂与玻璃平板之间的夹角。将转盘置于不同的角度,重复几次以上的步骤， 光线的入射角与反射角之间是什么关系？ 5.测量反射图象中点的高度，判断入射光线、反射光线和反射表面的法线是否在同一个平面 内。 6.用聚丙烯平板替代玻璃平板，重复以上步骤 1-4。判断当反射面材料改变时，以上得到的 入射角与反射角相等的定律是否依然成立。 选做内容 1. 把光纤探头固定于测量臂的检测孔，用光度计测量入射角变化时反射光与透射光的相对 强度，根据结果作图。注意，使用光度计时室内环境光线尽可能暗些。 2. 如果使用激光来替代白炽灯光源，则整个实验的效果会更好。使用激光就不需要狭缝障 板。要根据仪器说明仔细调节，使激光束平行于光具座。使用激光，可以观察到玻璃平 板的三次或四次多重反射
实验2：光的折射 实验仪器 白炽灯光源(0S-9102B) 平面镜(0S-9136) 光具座(0S-9103) 观察屏(0S-9138) 角度位移器(0S-9106A) 狭缝障板(0S-9139) 元件支架(0S-9107) 光度计和光纤探头（选做内容） 玻璃平板(0S-9128) 0.5m激光器（选做内容） 聚丙烯平板(0S-9129) 实验目的 确定入射光方向、折射光方向和折射率之间的关系。 实验原理 真空中的光速接近3×10m/sc,并且不随波长变化而改变。这一情形与光在其它介质 中有所不同。除极少数特例之外，光在介质中的传播速度小于在真空中的传播速度，且光速 随着波长的变化而变化。 如果光在两种介质中以不同的速度传播，光的波动特性使得光从一种介质进入另一种介 质时传播方向发生改变，这一现象称为折射。定义介质的折射率n为真空中的光速c与光在 该介质中的速度ⅴ之比。因为光速，是随波长变化的，所以对于折射率必须指明它所对应的 波长。 本实验的目的是要确定入射光方向、折射光方向和折射率之间的关系。玻璃的折射率在 整个可见光谱范围内的变化小于2%，因此在实验中使用白炽灯光源不会引入大的误差，使 用激光从理论上来说可以得到更精确的结果。 实验内容 I.折射率 1.取一张边长约为5cm的方纸片，在中间画一毫米刻度线（类似于观察屏上的刻度线）。 2.如实验1中的安装步骤，将纸片放在角度位移器上的玻璃平板和元件支架之间，利用磁 性吸附住玻璃平板和纸片，毫米刻度线保持水平方向。 3.调节元件支架的位置，使得玻璃平板的后表面与垂直于光具座的刻痕线重合。 4.保持玻璃平板垂直于光具座，调整狭缝障板的位置，使得纸片上狭缝象的一个垂直边与 转盘上平行于光具座的刻度线平行。如果玻璃平板不改变光的路径，转动角度位移器的 转盘，狭缝象的垂直边将保持在中心。 5.转动转盘并记录狭缝象垂直边位置的变化。入射光线经折射后是偏向还是偏离法线？测 量转角以及狭缝象垂直边的位移，可以计算折射率（如图2.1）。 注意：使用这个方法，存在一个小的误差。因为我们不能确定狭缝象边缘的光最初是否垂直 于玻璃平板（为什么？），因此0值的测量是不精确的。在下面的第二部分将给出较精确的 测量方法。 6.用聚丙烯平板替代玻璃平板，测定聚丙烯的折射率
3 实验 2：光的折射 实验仪器 白炽灯光源（OS-9102B） 光具座（OS-9103） 角度位移器（OS-9106A） 元件支架（OS-9107） 玻璃平板（OS-9128） 聚丙烯平板（OS-9129） 平面镜（OS-9136） 观察屏（OS-9138） 狭缝障板（OS-9139） 光度计和光纤探头（选做内容） 0.5mW 激光器（选做内容） 实验目的 确定入射光方向、折射光方向和折射率之间的关系。 实验原理 真空中的光速接近 3×108m/sec，并且不随波长变化而改变。这一情形与光在其它介质 中有所不同。除极少数特例之外，光在介质中的传播速度小于在真空中的传播速度，且光速 随着波长的变化而变化。 如果光在两种介质中以不同的速度传播，光的波动特性使得光从一种介质进入另一种介 质时传播方向发生改变，这一现象称为折射。定义介质的折射率 n 为真空中的光速 c 与光在 该介质中的速度 v 之比。因为光速 v 是随波长变化的，所以对于折射率必须指明它所对应的 波长。 本实验的目的是要确定入射光方向、折射光方向和折射率之间的关系。玻璃的折射率在 整个可见光谱范围内的变化小于 2%，因此在实验中使用白炽灯光源不会引入大的误差，使 用激光从理论上来说可以得到更精确的结果。 实验内容 I．折射率 1. 取一张边长约为 5cm 的方纸片，在中间画一毫米刻度线（类似于观察屏上的刻度线）。 2. 如实验 1 中的安装步骤，将纸片放在角度位移器上的玻璃平板和元件支架之间，利用磁 性吸附住玻璃平板和纸片，毫米刻度线保持水平方向。 3. 调节元件支架的位置，使得玻璃平板的后表面与垂直于光具座的刻痕线重合。 4. 保持玻璃平板垂直于光具座，调整狭缝障板的位置，使得纸片上狭缝象的一个垂直边与 转盘上平行于光具座的刻度线平行。如果玻璃平板不改变光的路径，转动角度位移器的 转盘，狭缝象的垂直边将保持在中心。 5. 转动转盘并记录狭缝象垂直边位置的变化。入射光线经折射后是偏向还是偏离法线？测 量转角以及狭缝象垂直边的位移，可以计算折射率（如图 2.1）。 注意：使用这个方法，存在一个小的误差。因为我们不能确定狭缝象边缘的光最初是否垂直 于玻璃平板（为什么？），因此θ值的测量是不精确的。在下面的第二部分将给出较精确的 测量方法。 6. 用聚丙烯平板替代玻璃平板，测定聚丙烯的折射率