试验三光学演示试验的研究

实验实验三三 光学演示实验的研究
[实验目的]
1．掌握显示光路的方法，学会使用光具盘。

2．研究光的反射、折射、透镜成像的演示实验。

3．研究光的色散演示实验。

4．了解激光光学演示仪的结构及工作原理，掌握其使用方法。

[实验器材]
光具盘与平行光源，光学实验组合教具箱，低压电源，水槽，激光器及激光电源，平面镜，激光光学演示仪。

[预习思考题]
1．分析各种显示光路方法的特点。

2．如何用光具盘演示全反射现象？试拟出演示方案。

[光学实验的基础知识]
1．光路的显示方法
几何光学演示实验中，显示光路的常用方法有两类：
一是利用白屏的漫反射光来显示光路。

先将入射光束变成扁平光刃，扁平光刃被白屏截割所得的交线，经白屏漫反射以后，就显示出光路来。

常用的光具盘就是这种显示方法。

二是利用透明媒质中悬浮的微粒对光的反射或散射作用来显示光路。

例如，空气中有烟尘，透明液体中混入少量微小颗粒，形成乳浊液，在光束照射下可显示出光路。

做光学实验，对光源的强度、平行性、单色性也有一定的要求。

光源可以用弧光灯、放映灯泡、溴钨灯、激光光源等。

2．光学仪器使用与维护的一般知识
光学仪器的主要部分是光学系统，而光学系统的各元件大多由玻璃制成，除怕撞击，怕重压外，使用与维护还有一些特殊的要求。

（1）各种光消沉玻璃元件都是利用其表面使光发生反射、折射的。

因此要特别注意其表面光洁，全貌使用时严禁用手触击镜面以免油渍、汗渍玷污镜面。

（2）保持光学元件清洁，不准用手、布或普通纸揩擦镜片，镜片上的灰尘污物要用吹气球吹去，再用镜头纸轻轻擦拭干净。

（3）酸、碱蒸气对玻璃有腐蚀作用，因此 ，光学仪器应远离化学药品，存放在无腐蚀性气体处。

（4）玻璃表面易吸附水份，会使镜头表面产生霉点，损坏元件的光学性能。

因此存放光学仪器的地方要干燥通风，如已发现霉点，应及时用镜头纸或脱脂药棉蘸无水酒精擦去。

（5）光学仪器存放处应避免强光直射，以免强光万一聚焦在易燃物上引起火灾。

[仪器结构及工作原理]
（一）光具盘及光具盘的光源
光具盘的形式很多，如图3-1矩形光具盘的结构示意图。

用它可以做光的反射、折射以及透镜成像等演示实验。

该仪器由矩形光屏、圆形光盘、平行光源和光学元件四部分组成。

9
6
7
图3-1
（1）矩形光屏：是用三足铁支架支持的直立大屏。

光屏可以升降，也可以倾斜。

屏面漆成白色，上下边缘有分格，屏的右端有中心标志。

在屏的左侧有光栏装置，光栏与屏面垂直，上面共有七条平行缝隙，每条缝隙都可插入栏光插片，用它来控制光带的条数。

红蓝两色滤光片可以罩在缝隙前面，把除中间一条以外的其余六条缝隙遮住，使主轴的光带仍是白色的，而两侧的光带就有不同的颜色（红色和蓝色），从而区分主轴和两侧的光带。

在缝隙的一端的铁架上面有六个小圆孔，每个小圆孔对应着一条缝隙（中间的缝隙除外），用来插入小平面镜。

小平面镜装在圆柱型架子上，转动圆柱镜架，可以改变镜面的方向，使穿过缝隙的光线经过小平面镜反射出去。

小平面镜共附有四只。

（2）圆形光盘（哈特光盘）：如图3-2所示，盘面上有相互垂直的两条直径线把圆周分为四个象限，每个象限90°。

圆盘背面有紧固装置。

使用时将其从矩形屏右侧放入，旋紧紧固螺钉即将圆盘卡紧在方屏上，圆盘与屏共用一个光源，用手转动圆盘，即可改变光的入射角度。

圆盘正面有两只指旋螺钉，用以紧固透镜、棱镜等光学元件。

（3）平行光源：如图3-3所示。

金属圆筒的右端装有透镜，左端装有灯泡。

灯座可以在圆筒内旋转进退，并用螺钉紧固。

灯泡规格为12V/40W。

金属圆筒用U形支架支撑，支杆插在铸铁底座上，可以升降，并用螺钉紧固。

使用时，应使灯丝处于凸透镜的焦平面上，且使灯丝平行于光盘的狭缝，在屏上就可以看到几条呈平行的光束。

（4）光学元件：附件盒中有梯形玻璃砖、等腰直角棱镜、半圆透镜、凹柱面镜和凸柱面镜、小双凹柱透镜、平面镜和漫反射镜。

（二）光学实验组合教具箱
光学实验组合教具箱可以演示几何光学实验，也可以演示光的干涉现象等。

它的主要结构如图3-4所示。

光具座作为安装光学元件的底座。

圆光
盘可做光路显示，其方法与上述矩
形光盘显示方法相同，用来做光的反射、折射、全反射等演示实验。

仪器箱兼作烟箱和暗箱，在侧壁装
有供观察的玻璃窗及毛玻璃屏；并在箱子的一端装有开三条狭缝的铁
皮罩。

其光源有强光和平行光源两种。

强光源采用双曲面反射式的电
影放映灯泡。

平行光源原理与前述
光具盘光源相似，只是灯泡采用低压溴钨灯。

做透镜成像演示时，将光具座及透镜等仪器装配好放在仪器箱内，在箱内充烟或点燃蚊香，平行光经三条狭缝射入仪器箱，即可透过箱的大玻璃窗观察到明显的光路。

（三）激光光学演示仪
2513（GY-I 型）激光光学演示仪是一种现代化、多用途光学实验仪器，能演示61个几何光学和物理光学实验。

它即可供教师作课堂演示实验用，又可供学生分组实验用。

2513（GY-I 型）激光光学演示仪的原理十分简单。

如图*3-1所示，从氦氖
1仪器箱2三缝铁皮屏3光具座4圆光盘5强光源6平行光源7附件箱及附图3-4
激光器1射出的水平激光束，经平面反射镜2折转90°垂直向上，再经柱面镜3扩束，成为一扇形光束，扇形光束经介质膜分束器（简称：分束器）中的介质膜分光镜反射后，又成水平方向，扇形光束与演示屏5垂直相交，从而在演示屏上显示出光束的径迹。

在光路上放置各种光学零件后，就可做多种光学实验。

如图*3-2所示，演示仪主要有激光器1、扩束器3、分束器4、演示屏5、夹持架7和其他附件组成。

激光管和电源都安装在底座里。

扩束器和分束器装在演示屏左侧，夹持架装在演示屏的右侧。

在演示屏的中间还放一只度盘6，它可以转动，中间有一个圆孔，用来插放各种光学组件。

使用仪器时，首先接上220V 电源，然后按顺时针方向旋转开关到第Ⅰ档，在正常情况下，激光管1就会反射出红色632.8nm 激光束。

若由于外界电压底于210V ，激光管不能稳定地工作，可转动开关到第Ⅱ档，第Ⅱ档不行，可用第Ⅲ档。

但当外界电压提高时，请及时将开关旋回到第Ⅰ挡。

做实验时，应该对扩束器3、分束器4进行调节，以便演示屏上能显示最清晰、明亮的光线径迹。

扩束器3可在座内前后移动，以便扩束后的光束基本落在分光镜4-3上，并在演示屏上需要的部位得到最明亮的光线径迹；如果不需要扩束，只需要把扩束器稍稍退出。

分光束4是用来将光线分束的装置，根据需要可将光线分成二束、三束、四束或五束（本机只附三面介质膜分光镜。

II 、III 型附五面），这时就要分别使用二面、三面、四面或五面介质膜分光镜。

为了使分束后的各条光线亮度均匀，各面介质膜分光镜的反射率是不一样的。

因此，各分光镜都编上了号。

不分束时，用1﹟分光镜；分两束，用1﹟、2﹟分光镜；如此等等。

1﹟分光镜应装在最上面，2﹟、3﹟顺次向下安装。

若要拆下分光镜，只需旋松螺母上的固紧螺丝，取下花螺母，再拧松分光镜固紧螺钉4-2，然后向前拔出分光镜即可。

注意千万不
1.He-Ne 激光器
2.平面反射镜
3.柱面扩束镜
4.分束器分光镜
5.演示屏
图*3-1 图*3-2
1.He-Ne 激光器
2. 平面反射镜
3.扩束器 4-1.下顶尖螺钉
4.分束器 4-2.分光镜固定螺钉 4-3.分光镜 4-4.上顶尖螺钉
5演示屏 6.度盘 7.夹持架
要用手去拿分光镜的镜面，以免污染和损坏膜层。

分光镜可以绕水平轴线转动，因此可在演示屏上得到各种不同位置光线径迹，也可以根据需要使分束后的光线成为平行光线，会聚光线或发散光线。

要转动分光镜4-3，先拧松固紧螺钉4-2，转动分光镜到需要位置，然后再拧紧固紧螺钉。

整个分束器座可绕上顶尖螺钉4-4、和下顶尖螺钉4-1的轴线转动，以调节分光镜和演示屏之间的倾角，从而可调节演示屏上光线的长度和亮度。

调节时，只需要转动分束器座上的调节螺钉（在分束器后面，在图2中未画出）即可。

整个分束器可沿演示器屏上槽作上下移动以适应各种需要。

转动分束器的上、下两只顶尖螺钉还可使分束器座作上下微调。

微调前，先要将上、下顶尖螺钉上的锁紧螺母松开，退出（如仪器要作长途运输，则需将锁紧螺母锁紧，以免上下顶尖螺钉因震动而跌落）然后转动上下两只顶尖螺钉，一只退，一只进。

注意，不要将螺钉顶得过紧，以免损坏零件。

许多光学组件都可插入度盘中间的圆孔中，组件可相对于度盘转动（但注意不要擦伤油漆），以固定在适当位置，度盘连同光学组件还可一起转动。

夹持架可作上下及左右移动，以调节光束和实验元件之间的相对位置。

使用中出现异常情况（异常噪音、气味、温升、烟雾等）时应迅速切断电源。

[实验内容]
（一）平行光的获得
1．平行光源的调整
当灯丝在凸透镜的焦点处且灯丝方向与狭缝方向一致时，才能得到平行光。

调整与检测方法：首先调整灯泡与透镜间的距离，在光源前垂直主光轴放一张白纸，沿主轴方向前后移动，观察白纸上光斑大小不变时，则灯泡与透镜距离合适。

再转动灯泡方向使白斑中灯丝的像与狭缝方向一致。

此时，便可将灯泡固定。

2．用日光获得平行光束
可用两只有支架的平面镜，一只放在室内，一只放在室外。

调节镜架的方向与镜面的倾角，使日光经过两面镜子的反射，获得要求的平行光束。

（二）研究演示凸透镜成像光路的显示和改变方法，并总结出凸透镜成像的规律。

实验1 用光具盘做演示
将平行光照到平行狭缝的光束通过光盘的中央标记线，放上透镜以后，调节透镜的高度位置，使这一光束经过透镜折射以后仍通过
中央标记线，如图3-5。

这一光束就可作为光路中的主光轴。

再用两个小平面镜插在平行狭缝之后，将一条从狭缝射入的光束，经二次反射后，倾斜入射到透镜上。

从另一条狭缝射入的平行光束作为平行于主光轴的入射光线，它与倾斜入射光线的交点A 即作为演示的物点。

这两条光线在透镜后的交点A ′，即为对应于物点的象点。

不需要让光入射的狭缝可插上插片将光挡住。

图3-5
实验 2 用光学实验组合教
具箱做演示
将平行光源照射三缝铁皮屏
的狭缝，在烟箱中放上光具座并
装上凸透镜。

让从三缝铁皮屏中
最下边一条缝入射的光作为主光
轴，如图3-6。

（三）研究演示光的反射、折射和全反射现象
实验3 用带角度标志的圆光盘进行实验
实验时，先调节由平行光源狭缝射出的扁平的光刃，使它射向圆光盘中心。

再将棱镜或平面镜固定在圆光盘上，并让反射面通过光盘中心。

则在光盘上就可显示入射线、反射角。

如图3-7。

在光盘中心固定棱镜时，从光射入棱
镜界面后折射的方向，可以演示光的折射。

如果将棱镜或半圆形玻璃砖固
定在光盘上，改变从玻璃射向空气
的入射光束方向就可以观察到全反
射现象（实验方法根据原理及实验
条件，自行设计。

记录测量玻璃的
临界角）。

改用激光器作光源，让激光束经柱面透镜折射后产生扁平光刃，做上述实验，比较一下实验的效果。

实验4 用长方形水槽进行实验
在至少有一正面和有侧面透明的长方水
槽中，装有半满的水。

在水面上的空气中喷
烟，在水内混入少量的牛乳或染料等物质，
使产生悬浮的微粒。

用平行光源产生一束扁
平的入射光束，射向水面，如图3-8，则在空
气中可以看到入射现象。

实验中比较一下在
水中掺有荧光物质时，光路的明显程度，并
注意光路的色彩。

如果让光从水射向水与空气的分界面，
改变入射光线的方向，则可以在一定条件下看到全反射现象（记录测量水的临界角）。

为控制入射光线的方向变化，可以在水中浸入一个可调节的平面镜，将光从侧面射入，经平面镜反射后射击对向界面，改变平面镜的方位，就可得到从不同方向射向水和空气交界面的光线，如同9-9（a ），也可以按图4-9（b ），用平面镜改变从平行光源射来的方向来获得此现象。

图
3-6
图3-7 °
图3-8
用激光器作光源，让光束射向水槽，重复一下光的反射、折射和全反射实验，比较一下实验的效果。

（四）研究光的色散与复合演示
实验5 光的色散
1．如图3-10，将平行光通过狭缝形成片状光束，照射到棱镜上，使其入射角约为50°，则在光屏上可见到从红到紫的彩色光带。

若把光屏放在三棱镜前，看到入射光束为白色。

从而得出结论：白光经过三棱镜后分解成各种颜色的色光。

2．将片状光束投到水盆里的平面镜上，再反射到天花板上，也可见到彩虹般的光带，如图3-11，研究光束入射方向及平面镜放置角度，对演示效果的影响。

实验6 色光复合为白色光的演示
色光复合为白色光光路如图3-12。

在上述色散实验的光路基础上，再加上一个反向放置的三棱镜，即可将色散后的各色光再复合为白光。

细心研究棱镜放置
通常按下述方法进行调节。

（1）首先做好色散的实验，
改变第一个棱镜相对而言于白光束的方向，时色散光清晰且光强较
强（为什么入射光的方向对出射光的强度有影响？）。

（2）确定入射光经过第一个棱镜后的路径，在此路径上放置第二个棱镜。

第二个棱镜的位置应比较靠近第一棱镜，且使相邻近的两边基本平行。

确定光路的实验方法有两种：一种是插针法，即在入射光的光路上插2根大头针，在出射光的可能范围对棱镜方向观察，直到使两根针的像重合，观察点即在出射线上；另一种是用一张纸屏拦截光束，以判断光的路径。

图3-9 图3-11
（3）用与（2）相同的方法找出光经过第二棱镜后的偏折方向把光屏放在此光路上，并前后移动位置，使光屏上显示清晰的白光光斑。

（五）研究用激光光学演示仪操作演示几何光学和物理光学实验
实验六激光光学演示仪操作演示内容（按照仪器使用说明书练习操作演示实验内容的中1~2个并进行详细说明（如：用具、步骤等））。

1．光的直线传播定律
2．光的独立传播定律
3．光的反射定律
4．透镜扩束
5．柱面透镜扩束
6．分束器分光
7．光栅分束
8．光在两种介质上的定向反射
9．平面镜对会聚光线成实像
10．平面镜对发散光线成虚像
11．平面镜转角和出射光线转角之间关系的测定
12．双平面镜成像特性测定
13．光的漫反射
14．光的折射现象、折射定律和光的可逆性测定
15．光的掠射、全反射现象及临界角的测定
16．光的全反射现象的应用
17．潜望镜原理的演示
18．棱镜最小偏向角及其材料折射率n的测定
19．光通过平行平板时平行位移量测定
20．光导纤维原理
21．凹面镜的会聚作用、焦点、焦距的测定
22．通过凹面镜球心c的光线经反射后按原路返回
23．物体到凹面镜距离大于二倍焦距时所成的像
24．物体到凹面镜距离大于一倍焦距小于二倍焦距时所成的像
25．物体位在凹面的焦面上，其像无穷远
26．物体位在凹面镜焦点以内时所成的像
27．凸面镜的发散作用及虚焦点的测定
28．经过凸面镜的球心的光线，按原路返回
29．凸面镜成像
30．通过透镜节点的光线方向不变
31．正透镜物方焦点的演示
32．正透镜的会聚作用，像方焦点F’、焦面和焦距f`’的测定
33．照相机成像原理
34．-1x转像系统成像原理
35．投影放映系统成像原理
36．平行光管原理
37．放大镜成像原理
38．虚物位于正透镜的像方焦点F’之内时的成像特性
39．虚物位于正透镜的像方焦面上时的成像特性
40．虚物位于正透镜二倍像方焦距处的成像特性
41．虚物位于正透镜二倍像方焦距之外时的成像特性
42．虚物位于透镜像方无穷远时的成像特性
43．负透镜的发散作用、虚焦点F、虚焦面及其变距f`’测定
44．实物经棱镜成虚像
45．伽利略望远镜成像原理
46．无穷远轴外物点对伽利略望远镜所成的像
47．近视眼矫正原理
48．远视眼矫正原理
49．牛顿环干涉
50．劈尖干涉
51．偏振器
52．杨氏双缝干涉
53．单缝衍射54．双缝衍射
55．三缝衍射56．四缝衍射
57．光栅衍射58．圆孔衍射
59．方孔衍射60．矩孔衍射
61．三角孔衍射
[注意事项]
1．激光束系高亮度、高能量光束，严禁直接射入人眼，以免损伤眼睛。

2．更换激光管或维修电路时，必须切断电源，并使电容放电，经防电击。

3．做实验时，手指勿接触光学零件的通光面，以免留下指纹，弄污光学零件。

当通光面上有灰尘和油脂时，先用脱脂棉花轻轻掸去灰尘，然后用新的脱脂棉花蘸小量酒精乙醚1∶1混合液，轻轻揩洗掉油脂。

4．演示屏、度盘系白色烤漆喷涂，若有弄污，可用湿布蘸肥皂液擦洗干净。

5．仪器使用完毕后，将扩束器上的保护罩壳按倒，把孔盖住，整机应套上塑料罩，以防灰尘。

并将仪器置于阴凉、通风、干燥处，切勿与化学药品和有腐蚀性的气体接触。

[实验作业]
1．分析你所做的演示实验中，光路的明显程度如何？
2．根据你的实验经验，怎样做好光的色散和复合的演示实验？。