设计光学实验

1.光在介质中是如何传播的？

做出猜想：光在介质中是沿直线传播的。

设计与进行实验：

［实验1］在暗室里，将一束光射到空气中，观察光在空气中的传播路径。

［实验2］在暗室里，将一束光射到水中，观察光在水中的传播路径。

注明：实验光源可用激光器，也可用长手电筒演示（玻璃上用带有1~2毫米宽缝隙的厚牛皮纸或硬纸片挡住）。实验时，为了能看到光路，可以把几支烟同时点燃，在空气中形成烟雾；水中实验，可在水中滴少许牛乳或红墨水。

实验现象与结果：

［实验 1］光在空气中沿直线传播。

［实验 2］光在水中沿直线传播。

比较与分析：

以上实验的共同特点是：

①在同一种介质中，介质均匀、透明。

②现象一样：光沿直线传播。

实验结论：

在同种均匀透明的介质中沿直线传播。

2.用光的直线传播解释简单的光现象：影子事如何形成的？日食和月食的成因是什么？

回答与解释：

①影子的形成

［演示］用白炽灯对着墙，把皮球放在灯和墙之间。

［现象］墙上出现球的影子。

［影的成因］光在传播过程中，遇到不透明的物体，由于光是沿直线传播的，所以在不透光的物体后面，光照射不到，形成了黑暗的部分就是影。

②日食、月食的成因

［演示］用三球仪演示日食、月食的形成。

［日食的成因］当月球运行到太阳和地球中间时，并且三球在一条直线上，太阳光沿直线传播过程中，被不透明的月球挡住，月球的黑影落在地球上，就形成了日食。

［月食的成因］当地球运行到太阳和月球中间时，太阳光被不透明的地球挡住，地球的影落在月球上，就形成了月食。

3.如何直观地说明光的反射现象？

实验与观察：

［实验］在桌面上放一盆水，用强光的手电筒照射到水面上。

［实验现象］可以看到墙壁上有明亮的光斑。

得出结论：光射到物体表面都能发生反射。

4.如何演示镜面反射和漫反射？

实验与观察：

［实验1］让氦氖激光的平行光射入平面镜。

［现象1］看到经平面镜反射后的光线仍是平行的，而且在反射光线的方向上的光是很强的，其他方向无反射光。

［实验2］让氖氦激光的平行光射入毛玻璃片上。

［现象2］入射光线是平行的，但经毛玻璃反射后的光线不是平行的，而是射向各个方向。

补充说明：

(1)物体表面光滑时产生镜面反射；物体表面粗糙时，发生漫反射。

(2)漫反射和镜面反射都遵守光的反射定律。

5.凹面镜的性质是什么？

实验与现象：

［实验1］用氦氖激光器平行射向凹面镜。

［现象1］反射光会聚在一点上。

［实验2］把光源放在凹面镜的焦点上

［现象2］光源发出的光经凹面镜后成平行光。

得出结论：

凹面镜能把射向它的平行光线会聚在焦点上。

如果把光源放在凹面镜的焦点上，光源发出的光经凹面镜后将成为平行光。

希望帮助到你，若有疑问，可以追问~~~

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2.透过装有水的烧杯看物体，会发现有放大的效果。因为光线的折射，杯中的水等效于一个放大镜

精密光学仪器在光学平台上运行时机械振动指标要求甚高，而载体振动环境却较恶劣，对支撑致稳系统提出很高的要求。一般来讲，光学减振平台可以有效地衰减高频振动(5 Hz以上)，但如果光学系统的应用环境比较恶劣，伴随着高强度的低频晃动，被动减振的固有缺陷——低频共振放大将在此时明显地表现出来，因此，必须采取有效的共振峰抑制技术来控制。

在某试验中，测试设备采集振动台和经过隔振后的光学平台的振动数据，经过处理后拟合成传递曲线。通过多轮振动试验验证，表明通过在空气弹簧本体安装可控阻尼装置，通过改变空气弹簧与附加气室间节流孔径的大小可以有效地控制阻尼，达到抑制共振的效果(见图1)，共振放大倍数从7~8倍减小到2~3倍，高频隔振性能不受影响，反而在20 Hz以上频段性能有所提高，可以有效地保证高频隔振能力，在振动隔离系统中起到积极的效用。

光学平台多项综合应用实验与设计

-------设计组装显微镜、望远镜、幻灯机及放大倍数测量

9.1设计组装显微镜

一、目的要求

了解显微镜的基本原理和结构，并掌握其调节，使用和测量它的放大率的一种方法

二、仪器装置

图9-1-1仪器装置及光路

1．带有毛玻璃的白炽灯光源S，2。1/10mm分划板F1，3。物镜LO：fo’=15mm，

4．目镜Le: fe’=20mm，5。半透半反镜B，6。1/5mm分划板：F2。

三、设计原理

显微镜及其放大率：显微镜由物镜和目镜组成，特点是物镜的焦距很短，为了尽量减少各种象差，实用的显微镜其物镜的结构是相当精细复杂，被观察的目的物AB放置在物镜焦点外少许，经过物镜成一高倍放大的实像A’B’（中间像），见图9-1-2，常用的目镜也是惠更斯型，作用和望远镜中的目镜一样，目镜把中间像再次变成放大的虚像，虚像距目镜约等于明视距离，眼睛也要贴近目镜观察。

图9-1-2 显微镜的放大作用

显微镜的放大作用：可用横向放大率来描写，横向放大率β定义为像长A”B”和物长AB之比，即

β=A”B”/AB （9-1-1）

显然，它等于物镜的横向放大率βo和目镜的横向放大率βe的乘积。

β=( A”B”/A’B’)( A’B’ /AB)= βoβe （9-1-2）

βo=d2/d1 βe=d/d3 （9-1-3）

而中间像A’B’是在目镜焦点Fe附近，d3～fe；又因fo很短，d2～△, △是物镜的后焦点Fo’到目镜的前焦点Fe的距离，称光学间隔，代入（9-1-2）及（9-1-3）式，得

βe=d/fe ， βo=△/fo （9-1-4）

β=dΔ/（fefo） （9-1-5）

一般规定d=25cm，△=16cm。已知f0=15mm和fe=20mm，由（9-1-4）式即可计算出βe及βo。

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四、实验方法及步骤

1． 把全部器件都夹好，放在标尺导轨上，靠拢，目测调至共轴。

2． 把透镜L1，Le的间距固定为18cm。

3． 沿标尺导轨前后移动F1（F1紧靠玻璃装置）；直至在显微镜系统中看清分划板F1的刻线。

4． 在Le之后置一与光轴成45度角的半透半反镜B，并在与光轴垂直方向相距25cm 处放一与F1相同的分划板F2。

5． 读出未被放大的F2上的100个格所对应于显微镜放大的F1的格数a。

五、实验数据及处理

显微镜的测量放大率：M=100/a

显微镜的计算放大率：M=25×（△/fo×fe）

9.2设计组装望远镜

一、目的要求

了解望远镜的基本原理和结构，并掌握其调节，使用和测量它的放大倍率的二种方法。

二、仪器装置

图9-2-1仪器装置及光路

带有毛玻璃的白炽灯光源S，1/10mm分划板F，物镜Lo：fo=261mm，目镜Le: fe=45mm，

图9-2-2望远镜的放大作用

三、设计原理

望远镜的放大作用：可用视角放大率来描写，视角放大率γ定义为象对眼睛的张角和不用望远镜时远处的物对眼睛的张角之比，从图9-2-2可知：

γ=A’’B’’/d/AB/do=A’’B’’/AB×do/d （9-2-1）

A’B’/AB=d2/d3 A’’B’’/A’B’=d/d1

实际上，物和望远镜的距离远大于望远镜的长度，d3≈d0，且d2≈fo，d1≈fe，fo、fe分别是物镜和目镜的焦距，代入（9-2-1）式后得

γ=d/d1×d2/d3×do/d≈fo/fe （9-2-2）

即望远镜的角放大率决定于物镜和目镜焦距之比。

望远镜的角放大率的测量方法：

1．最简单的方法是把物长和像长直接对比。如图9-2-2，把望远镜对准远处放置的标尺AB，调节望远镜的筒长改变目镜到物镜的距离使像A’’B’’清晰可见。观察者用一只眼睛（譬如左眼）观察望远镜视野中标尺的像，另一只眼睛（譬如右眼）同时不通过望远镜直接观察标尺。经过几分钟的适应性训练，不但可以同时看清楚AB及

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A’’B’’，而且还能比较它们的视角。例如看到A’’B’’一格的长度相当于AB的N格的长度（视角相等），那么，N就是测得的视角放大率。

2．利用公式（9-2-2）测量γ

先把望远镜聚焦到无穷远，使目镜和物镜的距离等于fe+fo。然后取下物镜，并在物镜的位置装上透明标尺，把标尺用小灯照明，则标尺通过目镜成一缩小的实像。已知标尺的长度为L1，若测出的实像的长度为l1，又用d4，d5分别表示物距和像距，则因

L1/l1=d4/d5, (9-2-3)

由透镜公式 1/d4+1/d5=1/fe , 1／d5=(d4-fe)/d4fe。

代入（9-2-3）式得L1/l1=(d4-fe)/fe。

d4=fe+fo

所以L1/l1=fo/fe=γ （9-2-4）

由此即可求出γ

四、实验方法及步骤

1．把全部器件夹好，放在标尺导轨上，靠拢，目测调至共轴。标尺导轨沿平合对角线放置。

2．把F和Le的间距调至最大，沿导轨前后移动Lo，使一只眼睛通过Le看到清晰的分划板F上的刻线。

3．再用另一只眼睛直接看分划板F上的刻线，读出直接看到的F上的100条线对应于通过望远镜所看到

的F上的刻线格数a。

4． 屏H找到F通过L所成的象，分别读出F，Lo，H，Le的位置a，b，c，d。

五、实验数据及处理

望远镜的比较放大率：M=100/a

望远镜的计算放大率：M=V1(U1+V1+V2)/(U1×U2)

其中：U1=b-a , V1=c-b , U2=d-c

9.3设计组装透射式幻灯机（投影系统）

一、目的要求

了解幻灯机原理和聚光镜的作用，掌握对透射式投影光路系统的调节。

二、仪器装置

图 9-3-1 图 9-3-2

带有毛玻璃的白炽灯光源S，聚光镜L1: f1=50mm，幻灯底片P，干版架，白色象屏H

三、设计原理

幻灯机能将图片的像放映在远处的屏幕上，但由于图片本身并不发光，所以需用强光照亮图片，因此幻灯机的构造总是包括聚光和成像两个主要部分。在透射式的幻灯机中，图片是透明的，成像部分主要是物镜L、幻灯片PP1和远处的屏幕（图9-3-2）。为使这个物镜能在屏幕上产生高倍放大的实像，PP1必须放在离物镜L的物方焦平面外很近的地方，即物距稍大于L的物方焦距。

四、实验方法及步骤

1． 把全部器件夹好，沿平合对角线放在标尺导轨上，靠拢，目测调至共轴；

2． 将L2与H的间隔固定在1.2米左右，前后移动P，使其经L2在屏H上成一最清晰的像；

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3． 将聚光镜L1紧挨底片P的位置固定，拿去底片P，沿导轨前后移动光源S，使其经聚光镜L1刚好成

像于放映物镜L2的平面上；

4． 再把底片P放在原位，观察像面上的亮度和照度的均匀性；

5． 把聚光镜L1拿去，再观察像面上的亮度和照度的均匀性。

五、放映物镜焦距和聚光镜焦距的选择

放映物镜的焦距：f2=(M/(M+1)2)×D2

聚光镜的焦距：f1=D2/(M+1)-D2/(M+1)2×1/D1

其中：D2=U2+V2， D1=U1+V1，M为像的放大率。

实验方法：拿一支常见的激光光源(小孩子经常玩的，红外线光)或手电筒，(最好在水中加入适量的牛奶，搅拌均匀)，把光射入水中，会发现在水中的光线是沿直线传播的。