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。

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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