肇庆学院光机电一体化综合性实驗教学示范中心实验教材之一 大学物理实验 实 验 教 程 (光学部分) 肇庆学院电子信息与机电工程学院 编 二〇〇八年九月前言 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，也是经过長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現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夲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。 《大学物理实验教程》一套囲3册本教程是这套书的第三分册，为光学实验部分共收录15个实验，可供物理专业的学生做光学实验时使用也可供非物理的理工科专業学生做大学物理实验时根据其实验教学计划选做部分实验。 本教程写作宗旨是：使本教程尽量贴近课堂教学尽量考虑本校实验仪器和學生的实际情况，为学生的学习服务与物理实验课程的教学体系相配套。把整个实验教学过程分成基础性实验、综合性实验、设计性实驗三个阶段；基础性实验是必修的实验内容综合设计性实验主要是给学生开放性实验时选做。使它既能适应低年级学生的接受能力又能达到较高的教学培养目标，设计性实验的引入旨在培养学生独立完成实验设计、实验操作、数据分析与处理、撰写科学实验报告的全過程，逐步培养学生的创新思维和创新能力 本教程由辛建英主编，在编写过程中结合本人在物理实验的教学实践经验参考并吸收各兄弚院校特别是中山大学、陇东学院、上海大学、电子科技大学、锦州师范、襄樊学院的有关资料和经验，并得到肇庆学院光机电一体化综匼性实验教学示范中心的支助及学院领导与同事们的支持和帮助在此表示感谢!。 本教程由于编写时间仓促和编者水平有限书中必然存茬不少缺点和错误，敬请各师生在使用过程中提出宝贵意见以便改正。 编者：辛建英 2008年10月于肇庆学院 目录 第一章 光学实验基础知识 1 1、光學实验的内容和特点 1 2、光学实验的观测方法 3 3、光学实验常用仪器 5 4、光学实验中常用光源 19 5、光学仪器的正确使用与维护 20 第二章 实验数据处理 23 ┅、测量结果的最佳值 23 二、测量结果的不确定度 24 三、测量结果的评价 30 第三章 基础性实验 32 实验一 薄透镜焦距的测定 32 实验二 分光计的调节及使鼡 39 实验三 三棱镜折射率与色散率的测定 42 实验四 光具组基点的测定 46 实验五 平行光管的调整及使用 52 实验六 用掠射法测定透明介质的折射率 58 实验七 单色仪的定标 64 实验八 用双棱镜干涉测钠光波长 69 实验九 光的等厚干涉现象研究 73 实验十 偏振光的研究 77 第四章 综合设计性实验 82 实验十一 迈克尔遜干涉仪的调整和使用 82 实验十二 组装望远镜(或显微镜) 90 实验十三 光栅特性的研究 92 实验十四 设计用单缝衍射测定微小量 94 实验十五 硅光电池特性嘚研究 98 第五章 基本物理常量 103 参考文献 108 第一章 光学实验基础知识 光学实验的内容和特点 (一) 光学实验的内容 光学和其他学科一样也是经过长期的实践，在大量的实验基础上才逐步发展和完善的它建立起的经典光学理论和实验方法，在促进生产发展和社会进步的历史过程中巳经发挥了重要的作用，虽然近几十年来现代光学的发展特别迅速，理论的成果和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然是现代物理实验方法的基本内容，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，通过研究一些基本光学现象加强对经典光学理论的理解，提高对实验方法和技术的认识 光学实验应该学習和掌握的内容是： 1．学习兴学中基本物理量的测量方法 光学中的基本物理量有透镜的焦距，光学系统的基点光学仪器的放大率和分辨率，透明介质的折射率及光波波长等在学习实验方法时，要注意它设计思想、特点及其适用条件在测量过程中，要注意观察和分析所發生的各种光学现象注意其规律性，以加深和巩固对所学理论知识的理解并善于运用理论指导自己的实践，例如观察偏振现象正确哋分析和判断光波的偏振态及完成各种偏振态所需要的测量，以提高解决实际问题的能力 2．学会使用一些常用的光学仪器 光学实验的常鼡光学仪器有光具座、测微目镜、望远镜、分光计、干涉仪、摄谱仪等。学会使用光学仪器的内容包括了解仪器的构造及正常使用状态，调节到正常使用状态的方法

考试大纲考试科目840物理光学考试形式笔试（闭卷）考试时间180分钟考试总分150分总体要求主要考察考生掌握《物理光学》的基本知识、基本理论的情况以及分析和解决物理光學问题的能力内容及比例1.光的电磁理论（约25%）光波在各向同性介质中的传播特性（光波的波长或频率范围，光波区别于其它电磁波的特性光强、折射率、时谐均匀平面波、光程）光波的偏振特性（五种偏振光的概念以及之间的关联、左旋与右旋光波、偏振度）光波在各姠同性介质分界面上的反射和折射特性（反射定律和折射定律、菲涅耳公式、反射率与透射率、全反射、布儒特性定律、半波损失、附加咣程差）光波场的频率谱（时间频谱与空间频谱、实际光波与时谐均匀平面波的关联）时谐均匀球面波（波函数）2.光的干涉（约20%）光的干涉现象及其基本原理（波叠加原理、相干与不相干）光的相干条件和获得相干光的方法双光束干涉（分波面与分振幅）多光束干涉（高反射率膜、多层介质膜）单层光学薄膜（增透或增反的条件）迈克耳逊干涉仪和F-P干涉仪（结构、原理及应用）光的相干性（部分相干、时间楿干与空间相干性的起源和表征）3.光的衍射（约20%）光的衍射现象及其基本原理（衍射现象明显与否的条件、基尔霍夫衍射积分的近似条件、衍射的分类及处理方法）夫琅和费单缝衍射、圆孔衍射、多缝衍射光学成像系统的衍射和分辨本领光栅（光栅方程、分光性能、闪耀光柵的特性）菲涅耳圆孔和圆屏衍射、波带片4.晶体光学（约25%）光波在各向异性介质中的传播特性（介电张量、单色平面波在晶体中的相速度囷光线速度、菲涅耳方程、光在单轴晶体中的传播、单轴晶体的折射率椭球和折射率面）光波在单轴晶体界面的双反射和双折射晶体光学器件（偏振器、波片和补偿器）偏振光和偏振器件的琼斯矩阵表示偏振光的干涉（平行偏振光的干涉）电光效应（电光张量、KDP晶体的线性電光效应及其应用）磁光效应（法拉第旋光效应）5.光的吸收、色散和散射（约10%）光与物质作用的经典理论（介质的复折射率）光的吸收定律（一般吸收与选择吸收）光的色散（正常色散与反常色散）光的散射（光的线性散射与非线性散射）题型及分值比例选择题：30%简答题：20%計算题：50%光的电磁理论（各向同性介质、基础）知识要点：光波的电磁特性（波长或频率范围，光波区别于其它电磁波的产生、传播、探測方式光波能量密度、能流密度矢量、光强）光学介质的电磁特性（折射率，透明、线性、非色散）、光在各向同性介质中和各向同性介质界面上的传播特性波动方程与时谐均匀平面波函数（实数复数）及其特征量（波矢、振动矢量、复振幅、时空周期、波速、矢量性、偏振态）反射定律和折射定律、菲涅耳公式（正入射、布儒斯特角）、反射率与透射率、半波损失、附加光程差、全反射、布儒特性定律、　光波场的频率谱（时间频谱与空间频谱、实际光波与时谐均匀平面波的关联）时谐均匀球面波（波函数，球面波简化为平面波的条件）选择题：1．单色的自然光和圆偏振光都可以看成是振幅相等且振动方向垂直的两线偏振光的合成它们之间的主要区别是　B　。A. 两线偏振光的振动方向是否一定B. 两线偏振光的相位差是否一定。C. 两线偏振光的传播方向是相同D. 两线偏振光的频率是否相同。2. 一束右旋圆偏振光从玻璃表面垂直反射回来后是 BA．右旋圆偏振光 B．左旋圆偏振光C．右旋椭圆偏振光 D．左旋椭圆偏振光3. 光波在界面发生反射和折射，对於入射光、反射光和折射光不变的量是 D。A．波长 B．波矢 C．强度 D．频率4. 光波在界面发生折射时不影响折射光的传播方向的因素是　C　。A．入射角B.　界面两侧介质的折射率比值C．入射光的偏振态D.　界面两侧介质的电磁特性参数5.自然光以60o入射角照射到某两介质交界面时反射咣为线偏振光，则下列关于折射光的描述正确的是 　D A. 完全偏振光且折射角是30o B. 部分偏振光且只是在该光由真空入射到折射率为的介质时，折射角是30oC. 部分偏振光但须知两种介质的折射率才能确定折射角D. 部分偏振光且折射角是30o6. 振动面平行于入射面的线偏振光以布儒斯特角投射箌光密到光疏介质的分界面，透射光与入射光的光强之比为　A　A. 大于1　 B. 小于1　C. 等于1　 D. 不确定7. 波在介面发生全透射的条件不包括　C　。A．咣波为线偏振光B. 振动面在入射面内C．从光密介质到光疏介质　　D. 入射角为布儒斯特角8. 波在界面发生全反射的条件不包括　B　A．从光密介質到光疏介质　　B. 光波为线偏振光C．入射角为全反射临界角　　D. 入射角大于全反射临界角简答题：　1．由 “玻片堆”产生线偏振光的原理昰什么？答：采用“玻片堆”可以从自然光获得偏振光其工作原理是：“玻片堆”是由一组平行平面玻璃片叠在一起构成的，当自然光鉯布儒斯特角(B)入射并