基本光学实验标准规定模板

【实验目wk.baidu.com】
观测单缝衍射现象，研究激光通过单缝形成的衍射图样的光强分布和规 律。
【实验原理】
当光通过一狭缝时会产生衍射光，衍射图样中的极小值对应的角度由 下式给出：
a sinθ = mλ (m = 1,2,3,...)
（1.1）
这里 a 表示缝宽，θ表示图样中心到第 m 级极小间的夹角，λ表示光的波
本实验安排有三个内容：单缝衍射，双缝衍射，光的偏振（马吕斯定律）。 以期实验者在实验之后对光的干涉、衍射和偏振现象和规律有所了解。实验 者也可以根据现有仪器和光学知识，自己组装仪器做一些自主探索和研究性 的光学实验，丰富自己的实践经验，提高科学思维能力和实验的动手能力。
实验 1 单缝衍射的实验观测和研究
录屏位置、狭缝位置及其差值（狭缝到屏的距离）于表 2.1 中。 2、 选择缝宽 0.04mm，缝间距 0.25 mm 的双缝，移动狭缝模板，使双缝位
于其支架中心。上下左右调整激光束位置，使光位于狭缝中心。
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3、 调节二维半自动扫描平台，使光学传感器处于适当的位置（一般在衍射
级次 m ≥5）然后启动扫描电机和点击虚拟仪器主界面的 开始 键，选
偏振光电场 Eo 的该分量 E，可由下式得出： E = E o cosφ
因为光强度随电场的平方而变化，所以透过第二个偏振器的光强就可由 下式得出：
I = I o cos2 φ
这里，Io 是透过第一个偏振器的光强，φ是两个偏振器的偏振轴之间 的夹角。考虑两种极端的情况：
如果φ等于零，第二个偏振器与第一个偏振器的光轴平行， cos2φ的
d = mλD y
(m = 1,2,3,...)
【实验仪器】
YH-II 多功能物理实验系统；L5-I 型半导体激光器和激光器电源；光电 传感器；CG2 系列磁性光具座；双缝衍射模板一个；二维半自动扫描平台； 综合光学系列实验的虚拟仪器软件系统；专用数据传输连接线若干；微机一 台。
【问题与思考】
1、 当狭缝间距增加时，极大间的距离是增加还是减小，还是保持不变？ 2、 当狭缝宽度增加时，极大间的距离是增加还是减小，还是保持不变？ 3、 当狭缝间距增加时，衍射包络中第一级到极小的距离是增加还是减小，
【实验内容】
一、单缝衍射的观察与测量 1、 自行设计和调节光源、狭缝、接收屏或光电传感器之间的相互位置和共
轴，调出清晰的单缝衍射图样。 2、 测量狭缝到屏的距离（注意：狭缝实际上是偏离狭缝支架中心的）。多
次测量光源、狭缝、观测屏或传感器位置，计算平均值和不确定度，计 算狭缝到屏的距离和它的测量不确定度。
心到第 m 级极大间的夹角，λ表示光的波长，m 表示级次（从中心向外计 数，0 对应中央极大，1 对应第一级极大，2 对应第二级极大，…），见图 2.1。 通常因为角度较小，可以假设
sinθ ≈ tanθ
根据三角关系，
图 2.1 干涉花样
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图 2.2 单缝衍射包络
tanθ = y D
这里 y 表示在屏上从图样中心到第 m 级极大间的距离，D 表示从狭缝到屏 的距离，如图 2.1 所示。所以可由干涉方程解出缝间距：
实验3
【实验目的】
光的偏振
找出通过两个偏振器的透射光强度与两个偏振器轴的夹角φ 之间的关
系
【实验原理】
一个偏振器只允许在一个特定平面内振动的光通过。这个平面形成偏振 轴。非偏振光在垂直于传播方向的所有平面内振动。如果非偏振光入射到一
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个理想偏振器上，则只有一半光可以透过偏振器。而实际上并没有“理想” 偏振器，所以只有不到一半的光可以透过偏振器。
图 3.1 偏振光的检测
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【实验仪器】
YH-II 多功能物理实验系统；L5-I 型半导体激光器和激光器电源；光 电传感器；磁性光具座；二维半自动扫描平台；起偏器一个、检偏器一个、 1/4 波片，1/2 波片，综合光学系列实验的虚拟仪器软件系统；专用数据传输 连接线若干；微机一台。
【问题与思考】
1. 光强度——角度的图线是什么形状？ 2. 光强度——角度余弦的图线是什么形状？ 3. 强度——角度余弦平方的图线是什么形状？ 4. 假定偏振片是理想的，且第一个偏振器与第二个的转角相差 17°，则按 同样的方法放置一个 1/4 波片（或 1/2 波片）的时候，将会出现什么物理现 象？请从理论给予合理的解释。
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3、 将光电传感器与 YH-II 多功能物理实验系统连接，主意选择合适的测量 通道，打开微机，进入综合光学实验的专用软件，选择综合光学的虚拟 实验仪器的主界面。在光学传感器模块，连接适当的通道（注意要与多 功能物理实验系统的通道一致），在实验列表中选择单缝衍射。
4、 调节二维半自动扫描平台，使光学传感器处于适当的位置（一般在衍射
长，m 表示级次（从中心向外计数，1 对应第一级极小，2 对应第二级极
小，…），见图.1.1。通常因为角度较小，可以假设
sinθ ≈ tanθ
根据三角关系，
tanθ = y D
（1.2）
这里 y 表示在屏上从图样中心到第 m 级极小间的距离，D 表示从狭缝到屏
的距离，如图所示。所以可由衍射方程解出缝宽：
同级次条纹间距（cm）
第一级（m=1）
第二级（m=2）
暗条纹到中心的距离 y（cm）
计算激光的波长（nm）
【实验结果的表述与分析】
1．完整的结果表达式：
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2. 总结衍射现象的主要特点、规律、蕴涵的物理意义以及可能的应用领域。
3. 分析实验误差的主要因素，实验改进的方法或理论修正的方法。
实验 2 双缝干涉
【问题与思考】
1） 衍射现象出现的必要条件是什么？ 2） 当缝宽改变时（增加或减小），极小间的距离 y 是增加还是减小？ 3） 通过本实验装置观测到的衍射现象的特点是什么？简要描述其中
蕴涵的物理意义。 4） 如果用白光作光源将出现何种光学现象？请自己设计和搭建实验
装置观测白光单缝衍射的现象和规律。 5） 单缝衍射潜在的应用价值，并举例说明。
【数据分析】
1、 用同级次条纹间的距离除以2，求得从图样中心到第一级和第二级极小 的距离，记录于表2.1中。
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2、 用激光波长的平均值（二极管激光器辐射波长为670mm），计算二次缝 宽，第一次用第一级，第二次用第二级，并在表2.1中记下这个结果。
3、 计算实验缝宽，并与标称值进行比较，计算相对不确定度，记录于表 2.1 中。
【实验目的】
观测双缝衍射的实验现象，研究激光通过双缝形成的干涉图样的光强 分布规律。讨论该现象和规律蕴涵的物理意义和可能的应用领域。
【实验原理】
当光通过双缝时，从两缝出来的两束光线互相干涉产生干涉条纹。在干 涉条纹中的极大（亮条纹）对应的角度由下式给出：
d sinθ = mλ (m = 1,2,3,...) 这里 d 表示缝间距（ d = a + b a 是狭缝的宽度，b 是），θ表示从图样中
1
a = mλD (m =1,2,3,...) y
（1.3）
图 1.1 单缝衍射图样
其光强分布的理论公式为：
I
=
I0
sin 2 u2
u
（1.4）
其中
u = πa sinθ
λ
式中 a 为单缝的宽度，λ 为光的波长，θ 为衍射角，I 0 为正入射（即θ ＝0）
时的入射光强， sin 2 u 被称为单缝衍射因子，表征衍射光场内任一点相对 u2
值等于 1，则透过第二个偏振器的光强等于透过第一个偏振器的光强度。这 种情况下，透射光的强度达到最大值。
如果φ等于 90º度，第二 个偏振器与第一个偏振器的
偏振平面垂直， cos2(90º）的
值等于 0，则没有光透过第二 个偏振器。这种情况下，透射 光的强度达到最小值。
这些结果假定光的吸收 只是因为偏振器的作用。实际 上，大多数偏振膜并不透明， 因此人造偏振器的颜色也会 引起某些光的吸收
择正确的扫描方向（正向或反向扫描），进行实时测量。使衍射斑光强 的极大值依次通过光传感器。 4、 整个干涉图测完后，单击暂停键，停止采集数据，保存光强随位置变化
双缝衍射虚拟仪器界面图 的曲线图。 5、 缝宽不变，改变缝间距，重做以上内容，你能观测到什么现象和结果？ 6、 固定缝间距，改变缝宽，重复双缝实验，你能观测到什么现象和结果？ 7、 可以用读数显微镜测量与核对双缝模板的标称值。 8、 分析上述实验现象和结果，你能得出什么结论？
光强（即 I ）的强弱。 I0
【实验仪器】
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YH-II 多功能物理实验系统；L5-I 型半导体激光器和激光器电源；光电 传感器；CG2 系列磁性光具座；单缝衍射模板一个；二维半自动扫描平台； 综合光学系列实验的虚拟仪器软件系统；专用数据传输连接线若干；元件盒 一个；微机一台。
组合式综合光学实验部分仪器和元器件
【实验内容】
一、 系统的安装与调试
1． 将激光器、起偏器、检偏器依次放到光具座上，打开激光器，调节光路。 2． 将光传感器置于二维半自动扫描平台的扫描支架上，增益 GAIN 调到 1。 3． 旋转起偏器，使激光通过起偏器得到合适光强。 4． 调节扫描支架的竖直位置，使偏振光刚好通过光传感器，接收光孔径选
4、
表 2.1
双缝的测量参考数据表格
（仅供参考，对不同缝宽和缝间距要自拟数据表格）
光源的位置（cm）
狭缝的位置（cm）
狭缝的宽度（cm）
狭缝的缝间距（cm）
传感器或屏的位置（cm）
狭缝到光源的距离（cm）
狭缝到屏的距离 D（cm）
狭缝到屏的距离（D）
第一级（m=1）
第二级（m=2）
同级次条纹间距
条纹到中心的距离 (y) 计算缝间距 相对不确定度
基础光学综合实验
光学是一门古老的学科，在人们探索光的本质的过程中，光学得到不断 的发展。光学的发展大体上可划分为几何光学、波动光学和量子光学三个阶 段。1801 年，托马斯·杨获得了光具有波动性的有力证据，从此光学由几 何光学时代进入到波动光学时代，1864 年麦克斯韦建立了光的电磁理论， 电、磁、光实现了大统一。1905 年爱因斯坦提出光子假设，很好地解释了 光电效应现象，从此光学进入到量子光学时代。1960 年第一台激光器在美 国诞生，从此光学进入到飞速发展的时代。激光测量，激光制导，非线性光 学，全息光学，光信息处理，光计算机等与“光”相联系的词语不断涌现， 光学继电子学之后成为又一颗最耀眼的科学分支。
还是保持不变？ 4、 当狭缝宽度增加时，衍射包络中第一级到极小的距离是增加还是减小，
还是保持不变？ 5、在什么情况下，会出现缺级现象？为什么？
【实验内容】
一、 系统的组装与调试 如图1.2所示安装仪器（详见单缝隙衍射或虚拟实验帮助文件）
二、观测双缝干涉的光强分布 1、 测量狭缝到屏的距离（注意：狭缝实际上是偏离狭缝支架中心的）。记
透射光只在一个平面内偏振。如果这个偏振光入射到第二个偏振器上， 而这个偏振器的轴垂直于入射光的偏振平面，则没有光可以透过第二个偏振 器。
然而，如果第二个偏振器与第一个偏振器不垂直，则偏振光电场的某些 部分会与第二个偏振器的轴位于同一方向。这样，有些光就可以透过第二个 偏振器（如上图 3.1 所示）。
级次 m ≥5）然后启动扫描电机和点击虚拟仪器主界面的 开始 键，进
行实时测量。
二、改变缝宽，测量光强随位置变化的曲线图。 1、 观测不同缝宽时，衍射光强分布的特点与规律。 2、 计算各种缝宽时，各衍射级次的相对光强。 3、 比较理论计算值和实际测量值，分析误差的主要来源。
【数据分析】
1、 用同级次条纹间的距离除以 2，求得从图样中心到第一级和第二级极小 的距离，记录于表 1.1 中。
择 8mm 左右。 5． 将光传感器和角位移传感器（位于检偏器内部）接到多功能物理实验系
统相应通道上，并打开其背面的电源开关。（光传感器接到系统前面模 拟输入部分下排三个通道中的任意一个，角位移传感器接到系统背面计 数器部分两个通道中的任意一个）
二． 测量
1．选择程序中“实验列表”选项为“光的偏振”。光传感器和角位移传感器 通道根据你实际接入的通道进行选择。单击开始 键，旋转角位移传感器， 开始采集数据。 2. 顺时针缓慢旋转检偏器，转动一周（360 度）后，单击暂停键，，停止采 集数据。 3. 改变起偏器和捡偏器初始状态的夹角，你能观测到什么物理现象？如何 从理论和实验两方面给予正确证明和解释。
2、 用激光波长的平均值（二极管激光器辐射波长为 670mm），计算两次缝 宽，第一次用第一级，第二次用第二级，并在表 1.1 中记下这个结果。
3、计算实验缝宽与 0.04mm 间的百分误差。并记录于表 1.1 中。 表 1.1 单缝的测量数据表格
光源的位置（cm） 狭缝的位置（cm） 狭缝的宽度（cm） 传感器或屏的位置（cm） 狭缝到光源的距离（cm） 狭缝到屏的距离 D（cm） 角宽度θ