实验32 分光计的调节和使用
分光计是用来精确测量角度的光学仪器，物理实验中常用来测量三棱镜的顶角，折射率，研究光栅衍射特性，测光波波长等。每一种应用都需要对分光计进行精确的调节，分光计的结构复杂而精密，调节难度大，其调节是本实验的重点和难点。因此，熟悉分光计的基本结构和掌握它的基本调节要求和方法，对调整和使用其它光学仪器具有普遍的指导意义。
【实验目的】
1. 了解分光计的结构和各部分的作用；
2. 学会用“二分之一调节法”正确调节分光计；
3. 掌握用分光计测角的方法，并测量三棱镜的顶角A。
【实验仪器、用具】
分光计，单色光源，双平面反射镜，三棱镜等。
【实验原理】
1. 分光计的结构与角度测量原理
分光计由望远镜、平行光管、刻度盘、载物台与底座５个部分组成。如图32-1所示。
1-望远镜锁紧螺钉，2-望远镜，3-载物台水平调节螺钉，4-三棱镜，5-分光计主轴，6-载物台，7-平
行光管，8-平行光管狭缝锁紧螺钉，9-平行光管水平调节螺钉，10-游标盘止动螺钉，11-底座，12-
望远镜止动螺钉，13-刻度盘与望远镜固定螺钉，14-刻度盘与游标盘，15-望远镜水平调节螺钉
图32-1 分光计结构示意图
1.1 望远镜
望远镜是由一个长焦距的物镜和一个短焦距的目镜组成。物镜的像方焦点(焦平面)与目镜的物方焦点(焦平面)几乎重合，在它们的共同焦平面处装有一块分划板，用以对望远镜进行调焦。物镜和目镜均为凸透镜的望远镜称为开普勒望远镜，目镜为凹透镜的称为伽利略望远镜。
分光计中望远镜的基本结构与开普勒望远镜一样，不同的是在其分划板上贴有一个特制的直角小棱镜及对分划板的特殊设计(如图32-2)，棱镜的一个直角面紧贴在分划板上，面上除留有一个“╋”字形透光孔以外，其余部分为不透光面。棱镜的另一个直角面朝向镜筒下方，可以从其下方的开孔处射入照明光线(常用发光二极管发出的绿色光)，用以照亮“╋”字窗。分划板上的调焦准线形状为“”形，即在图
形视野中的一个居中“┼”分划线的上半部分的一半处，又有一较短的横线，短横线与竖直线形成的“┼”字(称为调节“┼”字)形与小棱镜的透光“╋”字窗关于水平长线为镜面对称。这种特制的准线是为了调节望远镜严格水平而设计的。称这种结构的望远镜为自准直望远镜，即可以用自准直法进行调节的望远镜，如图32-3所示。
图32-2 自准直望远镜结构图示意图
小棱镜
图32-3 望远镜自准直法调节光路图
1.2 平行光管
平行光管是用来产生平行光的装置。分光计中的平行光管比较简单，即由两个套在一起并可以相对移动的圆筒组成，如图
32-4所示。在图中左侧圆筒的外端面上装有一个可以调节宽度的狭缝装置，调节狭缝的两个刀口之间的距离，可以获得一条很细的线光源。在图中右侧的圆筒的外端面上，装有一个凸透镜。通过调节旋钮调节两筒的相对位置，使狭缝正好位于透镜的焦平面上，因为狭缝上各点与透镜主光轴的距离都不远，则从透镜出射的光可以看成是平行光。
图32-4 平行光管结构示意图 1.3 角度测量装置及其角度测量原理
角度测量装置包括望远镜支架、载物台与刻度盘。
在分光计的底座上装有一个竖直的轴，称为分光计的主轴。望远镜、刻度盘、载物台都可以绕主轴转动，也可以用锁紧螺钉使其固定而不再能绕主轴转动。
（1）望远镜支架
如图32-1所示，望远镜通过套在主轴上的支架可以绕主轴转动，锁紧螺钉13可使望远镜与刻度盘构成一个整体(即转动望远镜时带动刻度盘一起转动)；锁紧螺钉12则望远镜不能绕主轴转动，此时可通过下方微调旋钮小范围微调其位置；螺钉15用于调节望远镜水平；调节望远镜前端的水平位置调节螺钉可使其对
反射像
准载物台中心。
（2）载物台
载物台用来放置光学器件，如平面镜、三棱镜、光栅等。它由两个圆形平板和连接两个平板的3个可调螺钉构成。下面的一个平板固定于套在主轴上的套筒上，上面的一个平板可以通过调节3个可调螺钉调节其高度和表面水平。
（3）刻度盘(角游标)与分光计角度测量原理
刻度盘一个套装在主轴上的大圆环上，称为刻度盘。刻度盘沿其内圆周边进行了角度刻度(720分格，360o)，其分度为0.5o(30′)。另一个套装在主轴上的小圆盘上，称为游标盘。游标盘与刻度盘共面，其圆周与刻度盘的内圆周相切（紧密接触，但可以相对移动），在圆盘的圆周上装有两个游标，构成两个读数窗口，两个游标间对应点的角度差为180o。游标的刻度与刻度盘的角度刻度相互接触，便于读数。游标读数的分度值为1′，即游标的30个小格对圆盘中心所张的角度与刻度盘上29个小格对圆盘中心所张的角度相等(即二者每格的张角相差1′) 。读数方法按游标原理读取，读数时，先看游标零刻度线指示的主刻度盘的角度值，再由游标与主刻度盘上的刻线对得最准的第n 条线给出30′以下的角度值
n (03' n )，然后二者相加。读数示例见图32-5，刻度盘上读数为03139'?，游标上刻线14与刻度盘
刻线重合，故读数为44139'?。
图32-5 分光计角度读数示意图
当用调节好的分光计测量某一光线所在角位置时，先将望远镜与入射光线(平行光管轴线)对准，记下此时两个窗口的角度读数。然后连同望远镜一起转动刻度盘，找到待测光线以后，再次记下两窗口的角度读数。以第一次读数为零点，两次读数之差即为光线偏离入射方向的角度，这就是分光计测量角度的原理。
（4）消偏心差
测量光线的角位置时，为了提高读数精度，每次读数都必须读取两个游标刻度所指示的角度值，然后求平均。目的是为了消除由于刻度盘刻划中心O 与其旋转中心'O （即仪器
主轴）不重合所引起的偏心差。如图32-6，望远镜实际转角为?，由于偏心从刻度盘上读出的角度是
1?和2?，由几何关系可得
12
2
???+=
即11221
['']2
?θθθθ=-+- （32-1） 式中，
1θ、2θ分别是望远镜初始位置的游标“1”和游标“2”的读数；
1'θ、2'θ分别是望远镜转过?角后游标“1”和游标“2”的读数。
图32-6 偏心差原理图
2. 分光计光学系统的水平调节
由分光计测量角度的原理可知，能够进行角度测量的前提条件是入射光线和经光学器件后的出射光线所在的平面必须与望远镜的光轴平行，这就要求平行光管、望远镜和载光物台与分计主轴垂直，且平行光管和望远镜基本等高，同时载物台的高度能使光线射到放在其上的光学器件上，最好在器件的中部位置。这一工作为分光计光学系统的水平调节，简称为分光计的调节，其中关键是调节望远镜光轴与分光计主轴垂直。
调节分光计的望远镜光轴与主轴垂直是用自准直法成像原理(见实验31)进行的。
将平面反射镜放置在载物台上，放置方法如图32-7示。当使发光二极管发出的绿色光从贴在望远镜分划板上的小三棱镜的入射光孔射入小棱镜后，由45o斜面反射，照亮“╋”字透光窗。由透光窗上每一点出射的光经过物镜折射后成为平行光，当在望远镜前方的载物台上竖直放置一个反射平面镜M 时，经M 反射的光仍为平行光，只是其方向角发生了改变，反射光经物镜再次折射后又会聚在分划板上，即物镜的焦平面上，因而通过目镜可以在分划板上看到“╋”字透光窗的自准直反射像。如果载物台平面与望远镜光轴已经都处于水平状态(即与主轴垂直)，则所成的像应位于分划板上半视野中的“┼”字即调节“┼”字处，如图32-3所示。(想想为什么？)
若望远镜的光轴、载物台平面不与主轴垂直，则透光窗的像将不会位于分划板上的调节“┼”处，此时须反复同时调节望远镜的光轴方向和载物台平面的倾斜度，直到使透光窗的像位于分划板上的调节“┼”处，具体做法为如图32-8所示。先调节望远镜水平调节螺钉，见图32-1（15），使“╋”字像向调节“┼”字靠近一半，再调节载物台靠近望远镜一侧的高度调节螺钉(图32-7螺钉2或3)，使其再次向调节“┼”字靠近一半，通过两次一半高度的调节使两十字重合。称此方法为二分之一调节法。
图32-7 平面镜反射镜放置示意图 图32-8 十字重合调节示意图
由于载物台是由两个平板组成的，下面的平板是固定在望远镜的主轴上，而上面板并没有套装在主轴上，只是由安装在下面板上的3个螺钉顶起，以上的调节并不能保证望远镜的光轴与分光计的主轴垂直。只有载物台的两个平板相互平行了，才能表明望远镜的光轴与载物台平行且与分光计的主轴垂直了。为了调节载物台的两个平面平行，在平面反射镜的一个面调整完毕后，将载物台旋转180o，另一面也能反射回一个十字，通过前述各调一半的方法调整两十字重合。反复旋转载物台调节3～5次后可达到望远镜光轴与载物台平行的目的，即望远镜光轴与分光计的主轴垂直。
【实验内容、步骤】 1. 分光计的调节 1.1 分光计调节要求
调节分光计应满足以下三个要求：
（1）平行光管发出平行光，标志为：在已经调好的望远镜的目镜中可看到狭缝的清晰像。
12
3
（2）望远镜接收平行光，或称望远镜对无穷远聚焦，标志为：从目镜中观察分划板上的叉丝和小绿“╋”字像同时清晰。
（3）平行光管和望远镜的光轴与分光计的主轴相互垂直。标志为：无论转动载物台多少度（一般是每次转180度）绿“╋”字像总是落在分划板调节“┼”字上，如图32-3所示。
1.2 具体调节步骤
1.2.1 调节前的准备工作
熟悉仪器，对照分光计的外型图及实物，熟悉各部分的结构及使用方法，尤其要弄清各螺钉的功能和作用。先把分光计的电源接上，点亮照明小灯，对照图32-1将各个螺钉逐一轻轻扭动,了解其作用，可转动部分逐一松开、转动、锁紧、微动，了解各部分的机械功能后，就可进行正式调节。具体是：（1) 望远镜单独转动；
（2) 外分度盘与望远镜一起转动，通过紧固望远镜和度盘之间紧固螺钉图32-1(13)来实现；
（3) 游标盘转动，松开游标盘止动螺钉图32-1(10)；
（4) 游标盘固定不动，通过底座和游标盘间止动螺钉图32-1(10)实现；
（5) 载物台单独转动、升降；
（6) 载物台与游标盘固联并与游标盘一起动、静，通过旋紧载物台紧固螺钉实现。
1.2.2 目测粗调
首先将平行光管对准光源，用眼睛估测，调节平行光管、望远镜使其光轴通过载物台的转轴中心。调节载物台下的三个调节螺钉，使载物台大致水平，尽量垂直于旋转主轴，调节平行光管、望远镜使其光轴与载物台平面大致平行，也就是使平行光管、望远镜和载物台大致处于水平状态。旋紧望远镜紧固螺钉，以便进行下一步调节。
目测粗调很重要，此步做得是否到位将决定整个调节是否顺利，并可减少后面细调的盲目性。
1.2.3 调节望远镜聚焦无限远（自准直法）
（1）将分划板上的叉丝（“”字形线）调清晰：只要转动望远镜视度调节手轮就可以将叉丝调清晰，调好后调节手轮以后不再旋动。
（2）将绿“╋”字像调清晰：借助与本机自带的小光源发出的光经物镜变为平行光，由物镜前置于载物台上的平面镜将平行光反射回来，就会在分划板上成绿“╋”字光源的像，如果像（绿“╋”字）是清晰的，说明入射到望远镜的光是平行光，具体调节方法是把平面镜放在望远镜的物镜端的载物平上(如图32-5)，松开目镜筒锁紧螺钉时，伸缩目镜筒使绿“╋”字像清晰，调好后锁紧，目镜筒被固定（叉丝也被固定），至此“”字形叉丝和绿“╋”字像都调清晰了，望远镜的调焦操作就完成了。
1.2.4 调节望远镜的光轴与分光计主轴垂直
将载物台旋转180°，要求在望远镜中依然能看到绿“╋”字像。若看不到，则是由于望远镜的视场很小，当分光计的转轴与望远镜光轴的不垂直度偏差较大，或者分光计的转轴与平面镜法线不垂直时，便不能从望远镜视场中找到绿“╋”字反射像。这时，如果毫无目的地随便调节，就会越调越乱，根本无法
找出反射像。在这种情况下，若使望远镜和载物台暂时不动，而用眼睛在望远镜附近上下左右扫描，因眼睛视野大，上下左右扫描灵活，容易发现反射像的位置——这是寻找“╋”字反射像的关键，一定要耐心寻找。找到反射像后，进一步判断看到的“╋”字像是在望远镜的上方还是下方。然后，眼睛跟踪着“╋”字像，先调望远镜的倾斜螺钉，使角距离减小一半，再调节载物台下面的调节螺钉，使角距离减小为零。再把载物台和望远镜之间的方位角略加调节，就能够从望远镜中看到反射回来的绿“╋”字像。再将载物台旋转180°，若仍能看到绿“╋”字像，再反复同时调节望远镜的光轴方向和载物台平面的倾斜度，直到使透光窗的像位于分划板上的调节“┼”处，具体做法为如图32-8所示。先调节望远镜水平调节螺钉，见图32-1（15），使“╋”字像向调节“┼”字靠近一半，再调节载物台靠近望远镜一侧的高度调节螺钉(图32-7螺钉2或3)，使其再次向调节“┼”字靠近一半，从而使两十字重合。反复旋转载物台调节3～5次后可达到望远镜光轴与分光计的主轴垂直的目的。
1.2.5 调节平行光管光轴与分光计主轴垂直并产生平行光
用光源照亮狭缝，转动望远镜对准平行光管观察。将狭缝转至水平位置，前后移动狭缝套筒，使狭缝位于物镜的焦平面上，从望远镜中能看到清晰的狭缝像，并且狭缝像与分划板刻线间无视差。这时，平行光管可发出平行光。用已调好的望远镜光轴为标准，只要平行光管光轴与望远镜光轴平行，则平行光管光轴与分光计主轴就一定垂直。其方法是调节平行光管的水平调节螺钉图32-1(9)，使狭缝的像与望远镜分划板的中央水平刻线重合，这时平行光管光轴便与望远镜光轴平行，即垂直于分光计主轴。再将狭缝转至竖直位置，前后移动狭缝套筒，使狭缝位于物镜的焦平面上且与望远镜分划板的中央竖直刻线平行(或重合)，拧紧狭缝装置锁紧螺钉图32-1(8)。
至此，分光计已调整到正常使用状态。必须注意，上述每调节完一步，应及时将相应的紧固螺钉拧紧。 2. 测量三棱镜顶角A
*（1）自准直法测三棱镜顶角 自准直法测三棱镜顶角的实验 布置如图32-9所示。当望远镜的 光轴与三棱镜的光学面垂直时，由 三棱镜光学面反射回来的“╋”字 像就会与望远镜分划板上半视野的
调节“┼”字重合。设望远镜在1T 图32-9 自准直法测三棱镜顶角光路
位置时角度盘的两个游标的读数为1α、1β，在2T 位置时两个游标的读数为2α、2β。则望远镜两次位置夹角为
)(2
1
1212ββααφ-+-=
(32-2) 由图32-9和式(32-2)得三棱镜顶角为
)(2
1
1801801212ββααφ-+--?=-?=A (32-3)
（2) 反射法测三棱镜顶角
将三棱镜置于载物台中央偏后，如图32-10所示。按照反射定律，由平行光管射向三棱镜顶角A 的平
1
T 2
T φ
A
行光，会被三棱镜的两个光学面反射，用望远镜来寻找由三棱镜光学面反射的光线。设望远镜在1T 位置时，角度盘的两个游标的读数为1α、1β，在2T 位置时两个游标的读数为2α、2β。
图32-10 平行光法测三棱镜顶角光路图 则望远镜两次位置夹角为
)(2
11212ββαα?-+-= (32-4)
由图32-10和式(32-4)得三棱镜顶角为
)(4
1
211212ββαα?-+-==A (32-5)
【数据记录参考表格】
1. 反射法测三棱镜顶角A 望远镜接受三棱镜光学表面反射光 测量
次数 望远镜位置1T
望远镜位置2T
左游标读数1β 右游标读数1β' 左游标读数2β 右游标读数2
β' 1 2 3
*2. 自准直法测三棱镜顶角A 望远镜与三棱镜光学表面垂直 测量 次数 望远镜位置1T
望远镜位置2T
左游标读数1β 右游标读数1β' 左游标读数2β 右游标读数2
β' 1 2 3
【注意事项】
1. 拿光学元件（平面镜、三棱镜）时，禁止用手触摸光学面，只能拿毛面，且需轻拿轻放；
2. 分光计调节时动作要轻缓，锁紧和打开各个螺钉时要注意不能用力过大以免损坏螺纹；
2
T ?
1
T A
3. 分光计调节好后，不能再随意调动调节好的螺钉，否则前功尽弃；
4. 调节狭缝宽度时，应该对着亮光缓慢调节，不可将狭缝拧得太紧和太开以免损坏狭缝； 5．在测量数据前务须检查分光计的几个制动螺丝是否锁紧，若未锁紧，取得的数据会不可靠； 6．在游标读数过程中，由于望远镜可能位于任何方位，故应注意望远镜转动过程中是否过了刻度的零点；
7．一定要认清每个螺丝的作用再调整分光计，不能随便乱拧。掌握各个螺丝的作用可使分光计的调节与使用事半功倍；
8．钠光灯在使用时不要频繁启闭，否则会降低其寿命。 【思考题】
1.分光计由哪几部分组成?它们各起什么作用?
2.一台处于正常使用状态的分光计应满足什么要求?如何调节才能达到这些要求? 5．读取两游标读数为什么可以消除仪器的偏心差？计算角度时，应特被注意什么？ 6．分光计既然已调好，测顶角A 时，为什么还要调节三棱镜的主截面使之垂直于仪器主轴？ 8．转动望远镜时，如果一游标由1θ转到1'θ，中间经过了刻度盘中0
0（0
360），那么该如何利用式（36-1）计算?值？
实验58 测凹透镜焦距实验研究
【实验目的】
1. 研究测量凹透镜焦距的最佳方法；
2. 进一步掌握简单光路的分析和光学元件等高共轴调节的方法。 【实验仪器、用具】
光学平台，凸透镜，凹透镜，光源，物屏，像屏，平面反射镜等。 【实验原理】
凹透镜是一种发散透镜。物体发出的光线经过凹透镜的折射无法形成实像。因此测量凹透镜焦距要用一个凸透镜辅助测量。一般有自准直法、物距－像距法等几种方法。
1. 物距像距法测凹透镜的焦距 物距像距法测凹透镜的光路如图58-1所示，先使物AB 发出的光线经凸透镜1L 后形成一大小适中的实像
B A ''，然后在1L 和B A ''之间放入待
图58-1 辅助透镜成像法测凹透镜焦距
测凹透镜2L ，就能使虚物B A ''产生一实像B A ''''。分别测出L 2到B A ''和B A ''''之间距离2s 、2
s '，根据薄透镜成像的高斯公式有
2
222
2s s s s f '-?'=
' (58-1) 由式(58-1)即可求出2L 的像方焦距2f '。 2. 自准直法测凹透镜的焦距
自准直法测量凹透镜焦距的光路如图58-2所示。
图58-2 自准直法测凹透镜的焦距
将物点A 安放在凸透镜 1L 的主光轴上，测出的成像位置为F ；固定凸透镜1L ，并在1L 和像点F 之间插入待测的凹透镜2L 和一个平面反射镜M ，使2L 、1L 的光心2O 、1O 在同一轴上。移动2L 可使由平面镜M 反射回去的光线经2L ，1L 后仍成像于A 点。此时，从凹透镜射向平面镜上的光是一束平行光，F 点就是凹透镜的焦点。测出2O 的位置，则间距F O 2即为该凹透镜的焦距。
【设计要求】
该实验原理简单明了，但如果光路设计中辅助透镜位置不同，测量结果会相差很大，因而要求 1. 设计物距像距法测凹透镜焦距的操作方案（建议从凸透镜辅助成像入手）； 2. 通过实验数据分析，研究最佳测量方案； 3. 探究自准直法测量凹透镜焦距最佳操作方案。 【注意事项】
透镜成像原理的光路分析和光学元件等高共轴调节是该实验设计的关键。 【实验报告与要求】 1. 认真完成设计实验报告；
2. 如何用简单的光学方法判断透镜的凸凹?
实验59 用最小偏向角法测玻璃三棱镜的折射率和色散曲线
【实验目的】
1．进一步掌握分光计的结构和调节、使用分光计的方法； 2．用最小偏向角法测定棱镜玻璃的折射率和色散曲线。 【实验仪器】
分光计（JJY 型1'），双面镜，汞灯，三棱镜等。 【实验原理】 1. 最小偏向角
用分光计测棱镜的折射率是一种间接(转换)测量，是通过用分光计测棱镜的最小偏向角和顶角来求得棱镜的折射率。
图59-1所示等腰三角形ABC 表示三棱镜的截面；AB 和AC 是透光的光学表面；BC 为毛面(三棱镜的底面),A 为三棱镜的顶角。假设有一束单色光以入射角1i 入射到AB 面上，经三棱镜的两次折射后，以4i 折射角从AC 面出射。入射光线和出射光线之间的夹角称为偏向角，以δ表示。对同一波长的入射光线来说，若改变入
C
B
4
i 1
i A
入射光
出射光
δ
3
i 2
i α
图59-1 光线的偏转
射角1i ，折射角4i 也相应改变，则偏向角δ亦随之改变。实验和理论都证明，在入射光线和出射光线处于光路对称的情况下，即41i i =时，偏向角最小，称为最小偏向角，记为min δ。
2. 最小偏向角与折射率的关系
由图59-1可知
)()(3421min i i i i -+-=δ
利用关系41i i =、32i i =得 )(221min i i -=δ 因为
A A i i i =--=-==+)(2232ππαπ 所以有
22A
i =
，2
min 1δ+=A i （59-1） 由折射定律
2
1
sin sin i i n =
（59-2） 得到棱镜的折射率n 与棱镜顶角A 、最小偏向角min δ的关系为
2
sin
2sin
min
A A n δ+=
(59-3) 因此，只要测出顶角A 和最小偏向角min δ即可按(59-3)式求出棱镜的折射率n 。
透明材料的折射率是光波波长的函数，同一棱镜对不同波长的光具有不同的折射率。所以当复色光经棱镜折射后，不同波长的光将以不同的偏向角而被分散开。通常在不考虑色散的情况下，棱镜的折射率是对钠光波长m 9
103.589-?而言。
【设计要求】
1. 设计利用最小偏向角法测定玻璃三棱镜对不同波长光波的折射率和色散曲线的光路；
2. 明确测量的物理参数，设计操作的基本步骤；
3. 进一步熟悉分光计的调节和使用方法。 【注意事项】
1．望远镜、平行光管上的镜头，三棱镜、平面镜的镜面不能用手触摸。如发现有尘埃时，应该用镜头纸轻轻揩擦。三棱镜、平面镜不准磕碰或跌落，以免损坏；
2．分光计是较精密的光学仪器，要加倍爱护，不应在制动螺丝锁紧时强行转动望远镜，也不要随意拧动狭缝；
3．在测量数据前务须检查分光计的几个制动螺丝是否锁紧，若未锁紧，取得的数据会不可靠； 4．测量中应正确使用望远镜转动的微调螺丝，以便提高工作效率和测量准确度；
5．在游标读数过程中，由于望远镜可能位于任何方位，故应注意望远镜转动过程中是否过了刻度的零点；
6． 望远镜的调整是分光计调节的一个重点。首先转动目镜手轮看清分划板上的十字线，而后伸缩目镜筒看清亮十字。
【实验报告与要求】 1. 认真完成设计实验报告；
2. 一束非单色平行光以某一角度入射到三棱镜上时，若出射光束某一谱线处于最小偏向角位置，此时其它谱线是否也处于最小偏向角位置？为什么？实验中可否先测出入射光线的方位角，然后再分别测出各条谱线出射光的方位角？为什么？
实验36 迈克耳孙干涉仪测He-Ne 激光的波长
迈克尔孙干涉仪是1883年美国物理学家迈克尔孙和莫雷合作设计制作出来的精密光学仪器。它利用分振幅法产生双光束以实现光的干涉，可以用来观察光的等倾、等厚和多光束干涉现象，也可以用来研究许多物理因素（如温度、压强、电场、磁场、以及媒质的运动等）对光的传播的影响，同时还可以用来测定单色光的波长和光源的相干长度以及透明介质的折射率等。在近代物理和计量技术中有着广泛的应用。
【实验目的】
1．了解迈克尔孙干涉仪的结构、原理和特点； 2．掌握迈克尔孙干涉仪的调节使用方法； 3．学习用迈克尔孙干涉仪测量单色光波长的方法。 【实验仪器、用具】
GSZF-4型迈克尔孙干涉仪，GY 一10型He-N e 激光器。 【实验原理】
1. 迈克尔孙干涉仪工作原理 如图36-1所示，在图中S 为光源，G 1是分束板，G 1的一面镀有半反射膜，使照在上面的光线一半反射另一半透射。G 2是补偿板，M 1、M 2为平面反射
分束板
激光器
S
1
M 2
M 2
G 1G L
E
图36-1 迈克尔孙干涉仪原理图
补偿板
镜。
光源H e -N e 激光器S 发出的光经会聚透镜L 扩束后，射入G 1板，在半反射面上分成两束光：光束(1)经G 1板内部折向M 1镜，经M 1反射后返回，再次穿过G 1板，到达屏E ；光束(2)透过半反射面，穿过补偿板G 2射向M 2镜，经M 2反射后，再次穿过G 2，由G 1下表面反射到达屏E 。两束光相遇发生干涉。
补偿板G 2的材料和厚度都和G 1板相同，并且与G 1板平行放置。考虑到光束(1)两次穿过玻璃板，G 2的作用是使光束(2)也两次经过玻璃板，从而使两光路条件完全相同，这样，可以认为干涉现象仅仅是由于M 1镜与M 2镜之间的相对位置引起的。使不同波长的光具有相同的光程差，所以有利于白光的干涉。
为清楚起见，光路可简化为图36-2所示，观察者自E 处向G 1板看去，透过G 1板，除直接看到M 1镜之外，还可以看到M 2镜在G 1板的反射像M 2'，M 1镜与M 2'构成空气薄膜。事实上M 1、M 2镜所引起的干涉，与M 1、M 2'之间的空气层所引起的干涉等效。
2．干涉法测光波波长原理
考虑M 1、M 2'完全平行，相距d 时的情况。点光源S 在镜M 1、M 2'中所成的像s '、s ''构成相距d 2的相干光源，光路如图36-3所示。这种情况下，干涉现象发生在两光相遇的所有空间中，因此干涉是
非定域的。对于屏幕上任意一点P 处，设s ''到O 点的距离为h 。两像光源发出的光相遇时的光程差为δ，P 点处发生相长干涉的条件为：
λ=θ-θ+=
δk h
d 2h 2
1cos cos (36-1)
由(36-1)式，结合图36-3可以看出，保持h 与d 不变，令P 点向外移动时，1θ、
2θ将增大，对应级次K 将伴随δ减小，所以中央条纹的级次高。
对于屏幕中心，021=θ=θ，(36-1)式简化为：
λ=k d 2 (36-2)
实验中，d 随M 2镜的移动而变化。伴随d 的增大，级数K 随之增大，也就是
有新的干涉条纹从中心冒出；伴随d 的减小，级数K 随之减小，干涉条纹向中心缩进。“冒出”或“缩进”的条纹数K ?与M 2位置变化d ?之间的关系为：
2/d K λ=?? (36-3)
而动镜M 2移动距离Δd 与螺旋测微器读数差Δe 的关系为Δd =Δe/20，所以
10e
K
λ?=
? （36-4） 可见只要测定M 2镜的位置改变量e ?和相应的级次变化量K ?，就可以用式(36-4)算出光波波长。 【实验内容、步骤】 1．观察非定域干涉现象
在了解迈克尔孙干涉仪的调节和使用方法之后进行以下操作。
(1) 将扩束器转移到光路以外，毛玻璃屏安置在图36-1E 处，调节He-Ne 激光器支架，使光束平行于仪
1
M 2
M '2
M ()
1()
2S
E
1
G 图36-2 迈克尔孙干涉仪简化光路
d
1M 2
M 'E
p o
1
θ2
θs '
'图36-3干涉光程计算
d
2h
s '
器的台面，从分束器平面的中心入射，使各光学镜面的入射和出射点至台面的距离约为70mm ，并以此为准，调节平面镜M 1和M 2的倾斜，使毛玻璃屏中央两组光点重合。然后再将扩束器置入光路，即可在毛玻璃屏上获得干涉条纹。
(2) 继续微调M 1、M 2背面的三个螺钉，使干涉条纹位置适中。
(3) 轻轻转动测微螺旋，使M 2前后平移，可看到条纹的“冒出”或“缩进”，观察并解释条纹的粗细，密度与d 的关系。
2．测量He-Ne 激光的波长
(1) 慢慢转动测微螺旋，可观察到条纹一个一个地“冒出”或“缩进”，待操作熟练后开始测量。记下螺旋测微器的初始读数0d ，每当“冒出”或“缩进”N=50个圆环时记下i d ，连续测量9次，记下9个i d 值，每测一次算出相应的1i i e d d +?=-，以检验实验的可靠性。
(2) 采用逐差法求出对应环数变化250K ?=时，螺旋测微器读数的变化e ?，从而由式（36-4）计算出He-Ne 激光波长λ。
*3．观察等厚干涉的变化
在利用等倾干涉条纹测定He-Ne 激光波长的基础上，继续增大或减少光程差，使d →0(即转动测微螺旋，使M 2、G 1镜的距离逐渐等于M 1、G 1镜之间的距离)，则逐渐可以看到等倾干涉条纹的曲率由大变小(条纹慢慢变直)，再由小变大(条纹反向弯曲又成等倾条纹)的全过程。
【数据记录参考表格】
测量He-Ne 激光的波长数据表 N=50 单位：mm
序号 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 读数i d
i i d d e -=?+5
-
-
-
-
-
e ?
【注意事项】
1．使用He-Ne 激光器做光源时，眼睛不可以直视激光束，接收和观察干涉条纹，应使用毛玻璃屏，不要用肉眼直接观察，以免伤害视网膜。
2．操作时动作要轻，避免损坏仪器。禁止用手触摸光学表面。 【思考题】
1. 什么是定域干涉和非定域干涉？
2. 为什么在观察到等倾干涉后，在不改变M 1、M 2镜倾角的前提下（保持原来方位不变），继续改变光程差，使δ=0，会出现等厚干涉条纹？这两者是否矛盾？
3. 指出迈克尔孙干涉圆环与牛顿干涉环的区别与联系。
2．怎样判断1M 与2M '重合，1M 处于2M '之前（2M '与1P 之间）还是其后？
3．怎样验证扩展光源产生的等倾干涉条纹定域在无穷远处以及等厚条纹定域在镜面附近？
说明：每个班按学号顺序分三组，三个实验同时开出，依次完成三个实验，《分光计的调节和使用》已于上学期做了，但必须认真看，否则分光计就调不好，实验无法进行！
由学习委员进一步强调！！分组要明确！！！
0210402班分组：
第一组：021040202 021040203 021040204 021040205 021040206 021040207
第二组：021040208 021040209 021040210 021040211 021040212 021040213
第三组：021040214 021040215 021040216 021040217 021040219 021041308
0210401班分组：
第一组：021040101 021040102021040103 021040104 021040105 021040107
第二组：021040109 021040110 021040111 021040112 021040113 021040114
第三组：021040115 021040116 021040117 021040118 021040119 021040120
021040121
（浙江专用版）高考物理二轮复习专题七实验题题型强化第16讲力学和光学实验讲义 力学和光学实验 专题定位 1.熟知各种器材的特性.2.熟悉课本实验，抓住实验的灵魂——实验原理，掌握数据处理的方法，熟知两类误差分析.3.利用所学过的知识，对实验器材或实验方法加以重组，完成新的实验设计． 第16讲 力学和光学实验 1．纸带的三大应用 (1)利用逐差法求解平均加速度(如图) a 1＝x 4－x 13T 2，a 2＝x 5－x 23T 2，a 3＝x 6－x 33T 2?a ＝a 1＋a 2＋a 33 (2)利用平均速度求瞬时速度：v n ＋1＝ x n ＋x n ＋12T (3)利用速度—时间图象求加速度． 2．光电门的应用 (1)求瞬时速度：把遮光条(宽度为d )通过光电门的时间Δt 内的平均速度看做遮光条经过光电门的瞬时速度，即v ＝d Δt . (2)求加速度：若两个光电门之间的距离为L ，则利用速度与位移的关系可求加速度，即a ＝v 22－v 122L . 3．实验的技巧 (1)要根据实验原理来判断是否需要平衡摩擦力，知道正确平衡摩擦力的方法． (2)要清楚钩码(或沙桶)与小车之间的质量关系，并且要清楚在仪器创新或实验原理创新的情形下，该条件是否需要调整． (3)要知道实验数据、图象的处理方法和运用数学知识解题的技巧． 例1 (2019·新高考研究联盟二次联考)如图甲所示，某同学用力传感器探究在小车及传感
器总质量不变时加速度跟它们所受拉力的关系． (1)实验中使用的电火花计时器，应接________电源． A ．交流4～6V B ．交流220V (2)该同学将实验器材如图甲所示连接后，沙桶的质量________(填“需要”或“不需要”)远小于小车及传感器总质量，实验时如将细线拉力当成小车及传感器的合外力，则________(填“需要”或“不需要”)先平衡摩擦力． (3)先接通电源，小车由静止释放，获得的一条纸带如图乙，每打5个点取一个计数点，x 1＝ 3.62cm ，x 4＝5.12cm ，由图中数据可求得：2、3两点的距离(即x 3)约为________cm.(结果保留三位有效数字) (4)在实验中，甲、乙两位同学根据实验数据画出如图丙所示的小车的加速度a 和小车所受拉力F 的图象分别为图中的直线Ⅰ和直线Ⅱ，下面给出了关于形成这种情况原因的四种解释，其中可能正确的是________．(多选) A ．实验前甲同学没有平衡摩擦力 B ．甲同学在平衡摩擦力时把长木板的右端抬得过高了 C ．实验前乙同学没有平衡摩擦力 D ．乙同学在平衡摩擦力时，把长木板的右端抬得过高了 答案 (1)B (2)不需要 需要 (3)4.62 (4)BC 解析 (1)电火花计时器，需接220V 交流电源． (2)实验时如将细线拉力当成小车及传感器的合外力，不需要沙桶的质量远小于小车及传感器的总质量，但必须平衡摩擦力，否则细线的拉力不是合力． (3)相邻0.1s 内位移差Δx ＝x 4－x 1 3＝0.50cm ，又x 4－x 3＝Δx 故x 3＝x 4－Δx ＝5.12cm －0.50cm ＝4.62cm.
光学专题复习——平面镜成像和凸透镜成像 姓名:___________________ 一．历年平面镜杭州中考题 (10年）36．（4分）右图为一辆轿车的俯视示意图。O点为司机眼部所在位置， 司机在右侧的后视镜AB(看作平面镜)中能看到车尾c点。 （12年）35．（6分）自行车的尾部安装一种塑料制成的反光镜，夜间骑车时，在车灯照射下，能把光 线按原来方向返回。反光镜结构如右图所示，两手面镜相互垂直，当一条光线AB人射到其中一平面镜，（1）作出所有反射光线的光路图。（2）证明经过两次反射后的反射光线会逆向射回。 （14年）34．（7分）右图为发光点S和竖直放置的平面镜的位置情况。根据光的 反射定律完成下列两小题：（1）在图中用光路图作出发光点S的像点S＇（2）推导证明S′点和S点到平面镜距离相等． 二、平面镜成像实验： 某同学做“平面镜成像的特点”实验时，将一块玻璃板竖直架在一把直尺的上面，再取两段等长的蜡烛A 和B一前一后竖放在直尺上，点燃玻璃板前的蜡烛A，用眼睛进行观察，如图所示．在此实验中： 1.直尺的作用是便于比较物与像______________关系； 2. 实验中要求蜡烛A和蜡烛B ，目的是为了比较______________关系； 3.移去蜡烛B，并在像A＇的位置上放一光屏，则光屏上_______接收到蜡烛A的烛焰 的像(填“能”或“不能”)．这说明平面镜成的是_______像． 4.实验中应选择___________来研究平面镜成像特点(填“平面镜”或“平板玻璃”) 目的是为了_________________________________, 5.观察像时，细心的同学会发现两个几乎重叠的像，这是__________________造成的；所以应选择较______的玻璃做实验。如果有3mm厚和2mm厚的两块玻璃板，应选择________mm厚的玻璃板做实验效果好； 6.如果将蜡烛向靠近镜面的方向移动，那么像的大小将______(填“变大”、“变小”或“不变”)。 7.为便于观察，该实验最好在_______环境中进行（选填“较明亮”或“较黑暗”）；此外，采用透明玻璃板代替平面镜，虽然成像不如平面镜清晰，但却能在观察到A蜡烛像的同时．也能观察到_____________，巧妙地解决了确定像的位置和大小的问题 8.点燃A蜡烛，小心地移动B蜡烛，直到与A蜡烛的像完全重合为止，这时发现像与物的大小_______；进一步观察A、B两支蜡烛在直尺上的位置发现，像和物的连线与玻璃板_______．像和物到玻璃板的距离_______．将蜡烛逐渐远离玻璃板时．它的像（填“变大”、“变小”或“不变”). 9.在探究活动中对玻璃板放置的要求是如果玻璃板没有放正，将对实验产生什么影
几何光学实验讲义 1.薄透镜焦距测量 实验目的 1.掌握薄透镜焦距的常用测定方法，研究透镜成像的规律。 2.理解明视距离与目镜放大倍数定义； 3.掌握测微目镜的使用。 实验仪器 1.LED白光点光源（需加毛玻璃扩展光源） 2.毛玻璃 3.品字形物屏 4.待测凸透镜（Φ = 50.8mm，f = 150，200mm） 5.平面反射镜 6.JX8测微目镜（15X，带分划板） 7.像屏2个（有标尺和无标尺） 8.干板架2个 9.卷尺 10.光学支撑件（支杆、调节支座、磁力表座、光学平台） 基础知识 1.光学系统的共轴调节 在开展光学实验时，要先熟悉各光学元件的调节，然后按照同轴等高的光学系统调节原则进行粗调和细调，直到各光学元件的光轴共轴，并与光学平台平行为止。 1、粗调：将目标物、凸透镜、凹透镜、平面镜、像屏等光学元件放在光具座（或光学平台）上，使它们尽量靠拢，用眼睛观察，进行粗调（升降调节、水平位移调节），使各
元件的中心大致在与导轨（平台）平行的同一直线上，并垂直于光具座导轨（平台）。 2、细调：利用透镜二次成像法来判断是否共轴，并进一步调至共轴。当物屏与像屏距离大于4f时，沿光轴移动凸透镜，将会成两次大小不同的实像。若两个像的中心重合，表示已经共轴；若不重合，以小像的中心位置为参考（可作一记号），调节透镜（或物，一般调透镜）的高低或水平位移，使大像中心与小像的中心完全重合，调节技巧为大像追小像，如下图所示。 图1-1 二次成像法中物与透镜位置变化对成像的影响 图1-1(a）表明透镜位置偏低（或物偏高），这时应将透镜升高（或把物降低）。而在图(b）情况，应将透镜降低（或将物升高）。水平调节类似于上述情形。当有两个透镜需要调整（如测凹透镜焦距）时，必须逐个进行上述调整，即先将一个透镜（凸）调好，记住像中心在屏上的位置，然后加上另一透镜（凹），再次观察成像的情况，对后一个透镜的位置上下、左右的调整，直至像中心仍旧保持在第一次成像时的中心位置上。注意，已调至同轴等高状态的透镜在后续的调整、测量中绝对不允许再变动 2.薄透镜成像公式 透镜分为会聚透镜和发散透镜两类，当透镜厚度与焦距相比甚小时，这种透镜称为薄透镜．值得注意的是，若透镜太厚，光在透镜中的传播路径便无法忽略，光在透镜里的传播路径就必须做进一步的考虑。 在实验中，必须注意各物理量所适用的符号法则。运算时已知量须添加符号，未知量则根据求得结果中的符号判断其物理意义。在讨论成像前，我们约定正负号定义（1）光由左往右前进定义为正方向传播。 （2）物体若放在透镜的左方，其物距为负，反之为正。 （3）像若形成在透镜的右方，其像距为正，反之为负。 （4）若是光线与光轴线相交，且相交的锐角是由光线顺时针方向朝光轴线方向旋转扫出来的，这个锐角定义为正，反之为负。
信息光学是现代光学前沿阵地的一个重要组成部分。 信息光学采用信息学的研究方法来处理光学问题，采用信息传递的观点来研究光学系统，这之所以成为可能，是由于下述两方面的原因。 首先，物理上可以把一幅光学图象理解为一幅光学信息图。一幅光学图象，是一个两维的光场分布，它可以被看作是两维空间分布序列，信息寓于其中。而信息学处理的电信号可以看作是一个携带着信息的一维时间序列，因此，有可能采用信息学的观点和方法来处理光学系统。 然而，仅仅由于上述原因就把信息学的方法引入光学还是远远不够的。在光学中可以引入信息学方法的另一个重要原因是光学信号通过光学系统的行为及其数学描述与电信号通过信息网络的行为及其数学描述有着极高的相似性。在信息学中，给网络输入一个正弦信号，所得到的输出信号仍是一个正弦波，其频率与输入信号相同，只不过输出波形的幅度和位相（相对于输入信号而言）发生了变化，这个变化与、且仅与输入信号的性质以及网络特点有关。在光学中，一个非相干的光强按正弦分布的物场通过线性光学系统时，所得到的像的光强仍是同一频率的正弦分布，只不过相对于物光而言，像的可见度降低且位相发生了变化，而且这种变化亦由、且仅由物光的特性和光学系统的特点来决定。很显然，光学系统和网络系统有着极强的相似性，其数学描述亦有共同点。正因为如此，信息学的观点和方法才有可能被借鉴到光学中来。 信息学的方法被引入光学以后，在光学领域引起了一场革命，诞生了一些崭新的光学信息的处理方法，如模糊图象的改善，特征的识别，信息的抽取、编码、存贮及含有加、减、乘、除、微分等数学运算作用的数据处理，光学信息的全息记录和重现，用频谱改变的观点来处理相干成像系统中的光信息的评价像的质量等。这些方法给沉寂一时的光学注入了新的活力。 信息光学和网络系统理论的相似是以正弦信息为基础的，而实际的物光分布不一定是正弦分布，因此，在信息光学中自然必须引入傅里叶分析方法。用傅里叶分析法可以把一般光学信息分解成正弦信息，或者把一些正弦信息进行傅里叶叠加。把傅里叶分析法引入光学乃是信息光学的一大特征。在此基础上引入了空间频谱思想来分析光信息，构成了信息光学的基本特色。 信息光学的基本规律仍然没有超出经典波动理论的范围，它仍然以波动光学原理为基础。信息光学主要是在方法上有了进一步的发展，用新的方法来处理原来的光学问题，加深对光学的理解。当然如果这些发展只具有理论的意义，它就不会像现在这样受到人们的重视，它除了可以使人们从更新的高度来分析和综合光现象并获得新的概念之外，还由此产生了许多应用。例如，引入光学传递函数来进行像质评价，全息术的应用等。
中考光学实验专题训练及答案 1、为了探究光反射时的规律，小明进行了如图3所示的实验。 ⑴请在图中标出反射角的度数。 ⑵小明想探究反射光线与入射光线是否在同一平面内，他应如何操 作？ ⑶如果让光线逆着OF 的方向射向镜面，会发现反射光线沿着OE 方向射出，这表明： 2、小红同学在做“探究平面镜成像”的实验时，将一块玻璃板竖直 架在水平台上，再取两段完全相同的蜡烛A 和B ，点燃玻璃板前的蜡烛A ，进行观察，如图4所示，在此实验中： (1)小红选择玻璃板代替镜子进行实验的目的是__________． (2)所用刻度尺的作用是便于比较像与物________关系． (3)选取两段完全相同的蜡烛是为了比较像与物的__________关系． (4)移去后面的蜡烛B ，并在其所在位置上放一光屏，则光屏上__________ 接收到蜡烛烛焰的像(填“能”或“不能”)．所以平面镜所成的像是__________像(填“虚”或“实”)． 图3 图4
(5)小红将蜡烛逐渐远离玻璃板时，它的像__________ (填“变大”、“变小”或“不 变”)． 3、某实验小组在探究光的折射规律时，将光从空气分别射入水和玻璃，测得数 据如下表： 分析表格中的数据，你肯定能得出一些规律。请写出一 条：。 4、在“探究凸透镜成像的规律”的实验中。 图4 (1)实验时，应使烛焰、凸透镜、光屏的中心大致在________。 (2)所用凸透镜的焦距为10 cm。某同学的实验数据如下表。 ①分析1、2、3次实验的数据可知_______、______、_____。 ②在第5次实验中，从_______一侧透过透镜看到在_______一侧放大的像。
信息光学实验讲义（一） 指导教师：刘厚通 安徽工业大学数理学院
实验一 阿贝成像原理和空间滤波 (天津拓扑) 一、实验目的 了解付里叶光学基本原理的物理意义，加深对光学中的空间频谱和空间滤波等概念的理解。 二、实验原理 1、傅立叶变换在光学成像系统中的应用。 在信息光学中、常用傅立叶变换来表达和处理光的成像过程。 设一个xy 平面上的光场的振幅分布为g(x,y)，可以将这样一个空间分布展开为一系列基元函数exp[()]x y iz f x f y π+的 线性叠加。即 (,)()exp[2()]x y x y x y g x y G f f f x f y df df π∞ -∞= +?? (1) x f ，y f 为x,y 方向的空间频率，量纲为1L -； ()x y G f f 是相应于空间频率为x f ，y f 的基元函数的权重，也称为光场的空间频率，()x y G f f 可由下式求得： (,)(,)exp[2()]x y G x y g x y i f x f y dxdy π∞ -∞= -+?? (2) g(x,y)和()x y G f f 实际上是对同一光场的两种本质上等效的描述。 当g(x,y)是一个空间的周期性函数时，其空间频率就是不连续的。例如空间频率为0f 的一维光栅，其光振幅分布展开成级数： 0()exp[2]n n g x G i n f x π∞=-∞= ∑ 相应的空间频率为f=0，0f ，0f 。 2、阿贝成像原理 傅立叶变换在光学成像中的重要性，首先在显微镜的研究中显示出来。E.阿贝在1873年提出了显微镜的成像原理，并进行了相应的实验研究。阿贝认为，在相干光照明下，显微镜的成像可分为两个步骤，第一个步骤是通过物的 衍射光在物镜后焦面上形成一个初级衍射（频谱图）图。第二个步骤则为物镜后焦面上的初级衍射图向前发出球面波，干涉叠加为位于目镜焦面上的像，这个像可以通过目镜观察到。 成像的这两步骤本质上就是两次傅立叶变换，如果物的振幅分布是
实验一光学实验主要仪器、光路调整与技巧 1.引言 不论光学系统如何复杂，精密，它们都是由一些通用性很强的光学元器件组成的，因此，掌握一些常用的光学元器件的结构，光学性能、特点和使用方法，对于安排实验光路系统时，正确的选择和使用光学元器件具有重要的作用。 2.实验目的 1)掌握光学专业基本元件的功能； 2)掌握基本光路调试技术，主要包括共轴调节和调平行光。 3.实验原理 3.1光学实验仪器概述: 光学实验仪器主要包括：光源，光学元件，接收器等。 3.1.1常用光源 光源是光学实验中不可缺少的组成部分，对于不同的观测目的，常需选用合适的光源，如在干涉测量技术中一般应使用单色光源，而在白光干涉时又需用能谱连续的光源（白炽灯）；在一些实验中，对光源尺寸大小还有点、线、面等方面的要求。光学实验中常用的光源可分为以下几类： 1）热辐射光源 热辐射光源是利用电能将钨丝加热，使它在真空或惰性气体中达到发光的光源。白炽灯属于热辐射光源，它的发光光谱是连续的，分布在红外光、可见光到紫外光范围内，其中红外成分居多，紫外成分很少，光谱成分和光强与钨丝温度有关。热辐射光源包括以下几种：普通灯泡，汽车灯泡，卤钨灯。 2）热电极弧光放电型光源 这类光源的电路基本上与普通荧光灯相同，必须通过镇流器接入220V点源，它是使电流通过气体而发光的光源。实验中最常用的单色光源主要包括以下两种：纳光灯（主要谱线：589.3nm、589.6nm），汞灯（主要谱线：623.4nm、579.0nm、577.0nm、546.1nm、491.6nm、435.8nm、407.9nm、404.7nm） 3）激光光源 激光（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation，缩写：LASER)，是指通过辐射的受激辐射而实现光放大，即受激辐射的光放大。激光器作为一种新型光源，与普通光源有显著的差别。它是利用受激辐射的原理和激光腔的滤波效应，使所发光束具有一系列新的特点。①激光器发出的光束有极强的方向性，即光束的发散角很小；②激光的单色性好，或者说相干性好，其相干长度可以达十米甚至数百米；③激光器的输出功率密度大，即能量高度集中。所以激光光源是一种单色性和方向性都好的强光源，已应用于许多科技及生产领域
专题八：光学实验及其应用 考点一：探究平面镜成像特点 1.如图是验证“平面镜成像特点”的实验装置,其中A为玻璃板前点燃的蜡烛,B为玻璃板后未点燃的蜡烛。有关本实验的说法错误的是( ) A.玻璃板应该与桌面垂直 B.实验宜在较暗的环境中进行 C.眼睛应从B一侧观察成像情况 D.蜡烛燃烧较长时间后像物不再重合 2.实验室中探究“平面镜成像特点”实验时,用薄玻璃板代替平面镜做实验的情景如图所示。眼睛在A侧看到的蜡烛的像是由光的(选填“反射”或“折射”)形成的,实验中将蜡烛靠近玻璃板,像的大小。 3.（2019阜新）在“探究平面镜成像特点”实验中： （1）平面镜成像原理是_____。 （2）实验中用玻璃板代替平面镜的原因_____。
（3）为了比较像与物大小关系，选取两支_____的蜡烛。 （4）无论怎样水平移动蜡烛B，都不能与蜡烛A的像重合，原因是_____。 （5）判断平面镜成虚像的方法是_____。 （6）平面镜成像时像和物到平面镜的距离_____。 考点二：平面镜成像的应用 1.小丽面向穿衣镜,站在镜前60cm处,镜中的像与她相距( ) A.30cm B.60cm C.90cm D.120cm 2.在鞋店试穿新鞋时,小明直立面向竖直放置在地面上的“试鞋镜”,看不到镜中自己脚上的新鞋。小明做以下动作,能够让他看到镜中自己脚上的一只鞋或者两只鞋的是( ) A.站在原地下蹲 B.保持直立靠近“试鞋镜” C.站在原地竖直向上提起一只脚 D.保持直立远离“试鞋镜” 3.汽车夜间行驶,一般车内不开灯,这是因为( ) A.要节约用电 B.假如车内开灯,司机前面的玻璃会产生车内物体的像,影响司机行车安全 C.车内开灯形成漫反射,光线刺眼,影响司机视线 D.车内开灯,光射到车外的后视镜上,反射到司机眼中,影响司机行车安全 4.小明以0.5m/s的速度沿平行于平面镜的方向走动过程中,他在镜中的像相对小明的速度为m/s,若小明身高 1.8m,平面镜高度小于0.9m,他在这个平面镜中(选填“能”“不能”或“有时能”)看到自己的全身像。 5.一棵小树生长在水塘中,图中用带箭头的线段AB表示小树露出水面的部分。请在图中画出AB通过水面反射所成的像A'B'。
实验一：单镜头设计(Singlet) 实验目的： 1、学习如何启用Zemax 2、学习如何输入波长（wavelength）、镜头数据（lens data） 3、学习如何察看系统性能（optical performance），如ray fan，OPD，点列图（spot diagrams）， MTF等。 4、学习如何定义thickness solve以及变量（variables） 5、学习如何进行优化设计（optimization） 实验仪器：微机、zemax光学设计软件 实验步骤： 1、设计一个孔径为F/4的单镜头，物在光轴上，其焦距（focal length）为100mm，波长为可见光， 用BK7玻璃为材料。 2、首先运行ZEMAX，将出现ZEMAX的主页，然后点击lens data editor(LDE)。什么是LDE呢？它是你要 的工作场所，在LDE的扩展页上，可以输入选用的玻璃，镜片的radius，thickness，大小，位置等。 3、然后输入波长，在主菜单的system下，点击wavelengths，弹出波长数据对话框wavelength data，键入你 要的波长，在第一行输入0.486，它是以microns为单位，此为氢原子的F-line光谱。在第二、三行键入 0.587及0.656，然后在primary wavelength上点在0.587的位置，primary wavelength主要是用来计算光学 系统在近轴光学近似(paraxial optics，即first-order optics)下的几个主要参数，如focal length，magnification，pupil sizes等。 4、确定透镜的孔径大小。既然指定要F/4的透镜，所谓的F/#是什么呢？F/#就是光由无限远入射所形成的 effective focal length F跟paraxial entrance pupil的直径的比值。所以现在我们需要的aperture就是100/4=25(mm)。于是从system menu上选general data，aperture type里选择entrance pupil，在apervalue 上键入25，然后点击ok。 5、回到LDE，可以看到3个不同的surface，依序为OBJ，STO及IMA。OBJ就是发光物，即光源，STO 即孔径光阑aperture stop的意思，STO不一定就是光照过来所遇到的第一个透镜，你在设计一组光学系统时，STO可选在任一透镜上，通常第一面镜就是STO，若不是如此，则可在STO这一栏上按鼠标，可前后加入你要的镜片，于是STO就不是落在第一个透镜上了。而IMA就是imagine plane，即成像平面。回到我们的singlet，我们需要4个面(surface)，于是点击IMA栏，选取insert，就在STO后面再插入一个镜片，编号为2，通常OBJ为0，STO为1，而IMA为3。 6、输入镜片的材质为BK7。在STO行中的glass栏上，直接键入BK7即可。 7、孔径的大小为25mm，则第一镜面合理的thickness为4，在STO行中的thickness栏上直接键入4。Zemax 的默认单位是mm 8、确定第1及第2镜面的曲率半径，在此分别选为100及-100，凡是圆心在镜面之右边为正值，反之为负 值。再令第2面镜的thickness为100。 9、现在数据已大致输入完毕。如何检验你的设计是否达到要求呢？选analysis中的fans，然后选择其中的 Ray Aberration，将会出现如图1-1所示的TRANSVERSE RAY FAN PLOT。
%圆孔的夫琅禾费衍射： N=512; r=3; %衍射圆孔的半径 I=zeros(N,N); [m,n]=meshgrid(linspace(-N/16,N/16-1,N)); D=(m.^2+n.^2).^(1/2); I(find(D<=r))=1; subplot(1,2,1),imshow(I); title('生成的衍射圆孔'); % 夫琅禾费衍射的实现过程 L=500; [X,Y]=meshgrid(linspace(-L/2,L/2,N)); lamda_1=630; % 输入衍射波长; lamda=lamda_1/1e6 k=2*pi/lamda; z=1000000; % 衍射屏距离衍射孔的距离h=exp(1j*k*z)*exp((1j*k*(X.^2+Y.^2))/(2*z))/(1j*lamda*z);%脉冲相应 H =fftshift(fft2(h)); %传递函数 B=fftshift(fft2(I)); %孔径频谱 G=fftshift(ifft2(H.*B)); subplot(1,2,2),imshow(log(1+abs(G)),[]); title('衍射后的图样'); figure meshz(X,Y,abs(G)); title('夫琅禾费衍射强度分布')
%单缝的夫琅禾费衍射： N=512; a=25; % 单缝的宽度 b=1000;% 单缝的长度 I=zeros(N,N); [m,n]=meshgrid(linspace(-N/4,N/4,N)); I(-a 3.光学实验专题复习（3课时） 1.探究：光反射时的规律 一、知识考点 实验目的探究光反射时遵循什么规律 实验器材平面镜、纸板、激光电筒、、笔。 实验装置 ' 实验步骤①把平面镜放在桌面上，把纸板竖直地立在平面镜上，纸板上的直线ON垂直于镜面； 】 ②让一束光贴着纸板沿着某一角度射到o点，经平面镜反射，沿另一个方向射出，在纸板上用笔描出和的路经； ③改变光束的入射方向，重做一次，用另一种颜色的笔描出入射光和反射光的路经； ④取下纸板，用分别测量两次的入射角和反射角，记录在下表中； ⑤把纸板一半向前折或向后折，不能看到反射光线； , 实验数据* 实验次数入射角i反射角r 1— 30° 30°245° 360° 实验结论 （1）在反射现象中，反射光线、入射光线和法线都在同一个 ； （2）反射光线，入射光线分居在法线的 ； （3）反射角 入射角。 二、解答方法 " 做到“七会”： 1.会提出探究的问题； 2.会选择实验器材； 3.会安装实验装置； 4.会设计实验表格； 5.会操作实验步骤； 6.会分析实验数据得出结论； 7.会对实验进行评估。 三、典型例题 例题.如图所示，小明和小刚两位同学用激光手电、平面镜、白色硬纸板和量角器做光的反射规律实验，实验数据如下表： ， 从这些数据得出的结论是： （1）入射光线偏离法线，反射光线_____ 法线；入射角增大，反射角________ ； （2）反射角_______ 入射角。（填“大于、小于、等于”）； （3）当把纸板B 向后折，不能看到反射光线，说明 ； （4）入射光线垂直平面镜时，反射角为_______ 度。 四、达标检测 、 1.如图是小明探究光的反射规律的实验装置，在平面镜上放置一块硬纸板，纸板由可以 绕ON 转动的E 、F 两部分组成。 入射光线与法线的夹角 反射光线与法线的夹角 450 ， 45 300 300 600 600 实验32 分光计的调节和使用 分光计是用来精确测量角度的光学仪器，物理实验中常用来测量三棱镜的顶角，折射率，研究光栅衍射特性，测光波波长等。每一种应用都需要对分光计进行精确的调节，分光计的结构复杂而精密，调节难度大，其调节是本实验的重点和难点。因此，熟悉分光计的基本结构和掌握它的基本调节要求和方法，对调整和使用其它光学仪器具有普遍的指导意义。 【实验目的】 1. 了解分光计的结构和各部分的作用； 2. 学会用“二分之一调节法”正确调节分光计； 3. 掌握用分光计测角的方法，并测量三棱镜的顶角A。 【实验仪器、用具】 分光计，单色光源，双平面反射镜，三棱镜等。 【实验原理】 1. 分光计的结构与角度测量原理 分光计由望远镜、平行光管、刻度盘、载物台与底座５个部分组成。如图32-1所示。 1-望远镜锁紧螺钉，2-望远镜，3-载物台水平调节螺钉，4-三棱镜，5-分光计主轴，6-载物台，7-平 行光管，8-平行光管狭缝锁紧螺钉，9-平行光管水平调节螺钉，10-游标盘止动螺钉，11-底座，12- 望远镜止动螺钉，13-刻度盘与望远镜固定螺钉，14-刻度盘与游标盘，15-望远镜水平调节螺钉 图32-1 分光计结构示意图 1.1 望远镜 望远镜是由一个长焦距的物镜和一个短焦距的目镜组成。物镜的像方焦点(焦平面)与目镜的物方焦点(焦平面)几乎重合，在它们的共同焦平面处装有一块分划板，用以对望远镜进行调焦。物镜和目镜均为凸透镜的望远镜称为开普勒望远镜，目镜为凹透镜的称为伽利略望远镜。 分光计中望远镜的基本结构与开普勒望远镜一样，不同的是在其分划板上贴有一个特制的直角小棱镜及对分划板的特殊设计(如图32-2)，棱镜的一个直角面紧贴在分划板上，面上除留有一个“╋”字形透光孔以外，其余部分为不透光面。棱镜的另一个直角面朝向镜筒下方，可以从其下方的开孔处射入照明光线(常用发光二极管发出的绿色光)，用以照亮“╋”字窗。分划板上的调焦准线形状为“”形，即在图 信息光学实验讲义（二） 指导教师：刘厚通 安徽工业大学数理学院 实验三全息光栅的制作 引言 光栅是一种重要的分光元件,在实际中被广泛应用。许多光学元件, 例如单色仪、摄谱仪、光谱仪等都用光栅作分光元件;与刻划光栅相比, 全息光栅具有杂散光少、分辨率高、适用光谱范围宽、有效孔径大、生产效率高, 成本低廉等突出优点。 实验目的 1、了解全息光栅的原理； 2、掌握制作全息光栅的常用光路和调整方法； 3、掌握制作全息光栅的方法。 基本原理 （1）全息光栅 当参考光波和物光波都是点光源且与全息干板对称放置时可以在干板上形成平行直条纹图形，这便是全息光栅。采用线性曝光可以得到正弦振幅型全息光栅。从光的波动性出发，以光自身的干涉进行成像，并且利用全息照相的办法成像制作全息光栅，这是本节的内容。 （2）光栅制作原理与光栅频率的控制 用全息方法制作光栅, 实际上就是拍摄一张相干的两束平行光波产生的干涉条纹的照相底片，当波长为λ的两束平行光以夹角 交迭时, 在其干涉场中放置一块全息干版, 经曝光、显影、定影、漂白等处理, 就得到一块全息光栅。相邻干涉条纹之间的距离即为光栅的空间周期d (实验中常称为光栅常数) 。如图2-1所示： 图2-1全息光栅制作原理示意图 有多种光路可以制作全息光栅。其共同特点是①将入射细光束分束后形成两个点光源，经准直后形成两束平面波；②采用对称光路，可方便地得到等光程。如图2-2和图2-3所示。 Ⅰ 图 2-2 全息光栅制作实验光路图 图 2-3 全息光栅制作实验光路图 图2-2采用马赫-曾德干涉仪光路,它是由两块分束镜（半反半透镜）和两块全反射镜组成，四个反射面接近互相平行，中心光路构成一个平行四边形。从激光器出射的光束经过扩束镜及准直镜，形成一束宽度合适的平行光束。这束平行光射入分束板之后分为两束。一束由分束板反射后达反射镜，经过其再次反射并透过另一个分束镜，这是第一束光；另一束透过分束镜，经反射镜及分束镜两次反射后射出，这是第二束光。在最后一块分束镜前方两束光的重叠区域放上屏P。若Ⅰ，Ⅱ两束光严格平行，则在屏幕不出现干涉条纹；若两束光在水平方向有一个交角，那么在屏幕的竖直方向出现干涉条纹，而且两束光交角越大，干涉条纹越密。当条纹太密时，必须用显微镜才能观察得到。在屏平面所在处放上全息感光干版，记录下干涉条纹，这就是一块全息光栅。 为了保证干涉条纹质量，光束I和II需要严格水平于光学平台，可在图中最后一个分束镜后面两束光的重叠区内放一透镜，将屏移到透镜的后焦面。细调两块反射镜使光束I和II在屏上的像点处于同一水平线上，这样I、II严格水平于平台。 实验一薄透镜焦距测定05-06-2 1.下面哪项实验结果可能是对凹透镜焦距测定数据正确的表示？（-59.95cm） 2.光学实验中常把各种光学元件组合成光学系统调整到各元件主轴等高和共轴， 一般细调使用的方法可以称为：大像追小像 3. 4.采用“虚物成实像法”测定发散透镜焦距时，对于像距，应取正值。 5.薄透镜焦距测量实验要求成像必须尽可能清晰，以下哪项不是清晰像的判据： 成像大 6.在实验中常把各种光学元件组合成光学系统，按照一般光学光路通用调节方 法，首要任务是调整好各元件主轴的等高和共轴；调节分两步：一般先粗调,后微调。 7.薄透镜焦距测定中用到低压汞灯，汞灯属于气体放电光源，发出复合光。使 用时需要启动预热,断电后需要冷却。 8.透镜成像的高斯公式中各物理量的符号法则是：距离自参考点（薄透镜光心） 量起，与光线行进方向一致时为正,反之为负。 9.薄凸透镜焦距测定主要的三种方法有：物距像距法，大像小像（二次成像） （共轭法）法，自准直法。 10.远方物体经过透镜成像的像距为什么可以视为焦距？ [参考答案] 根据高斯公式（成像公式），物距为无穷远，代入得焦距等于像距。 11.用自准直法测量凸透镜焦距时，透镜光心偏离底座中心坐标时，应如何解决？ [参考答案] 由于透镜的光心不一定在底座刻线的平面内，所测结果可能偏大或偏小，要消除这一系统误差，可将透镜反转180度，再测量一次，然后取其平均值。 12.不同物距的物体经过凸透镜成像时，像的清晰区大小是否相同？ [参考答案]不相同，原因有二：一是不同区间的物成像区间范围不相同，二是由于近轴光线条件不能满足，致使存在色像差。 13.在等高共轴调节中可以小像追大像吗？ [参考答案] 不可以，越调越远 14.测量薄凹透镜焦距主要有哪些方法？ [参考答案] （1）虚物成实像法；（2）有平面镜辅助确定虚像位置法。 15.光学系统的等高共轴调节方法是什么？ [参考答案] 关键词：粗调细调二次成像法，大像追小像 16.测透镜焦距时存在误差的主要原因有哪些？ [参考答案] （1）等高共轴调节不好；（2)成像清晰范围找得不准；（3）由于物屏所放位置不能测量或者倾斜没有进行修正。 五、光的反射实验 （1）实验目的：探究反射光线沿什么方向射出 （2）器材：可折叠的白纸板，平面镜、刻度尺、量角器、笔 （3）步骤：①将平面镜放在“水平桌面”上，白纸板“垂直”立在平面镜上。 平面镜：充当反射面，可以使反射光线更加明亮，易于观察和记录 白纸板：发生漫反射，显示光的传播径迹，记录实验数据，验证“三 线共面”。 ②将一束光AO 紧贴E 板沿某一个角度声响O 点，观察F 板上出现的 反射光线OB ，保持E 板不动，前后绕着ON 轴转动F 板，观察在F 板上能否看到反射光线OB 。 结论： ①反射时，反射光线、入射光线和法线在同一平面内。 ②反射光线与入射光线分居发现两侧 ③将一束光AO 紧贴E 板沿某一个角度射向O 点，观察F 板上出现的反射光线OB ，在纸板上用铅笔描出入射光线AO 和反射光线OB 的径迹，改变光束入射的角度在做3次，用不同颜色的笔记录每次光的径迹。取下纸板，用量角器量出ON 两侧的∠i 和∠r 的度数，将数据记录在表格中 归纳结论：反射角等于入射角 ④将一束光从F 板射入，会看到反射光线从E 板射出， 结论：反射光线与入射光线分居发现两侧 ⑤将蓝色光束在F 板逆着BO 射入，看到在E 板的反射光线逆着OA 射出。 结论：反射时光路可逆 ⑥将一束光从NO 射入（垂直射入），会看到反射光线逆着原路沿ON 射出，此时∠i=∠r=0o 总结：光的反射定律（略） ⑦如果探究反射角与入射角的关系，则实验要做6次，目的是使结论更趋近于实际关系 六、平面镜成像实验 1、平面镜的作用：（1）改变光路 潜望镜······ （2）成像 2、平面镜成像实验 （1）器材：激光笔、薄玻璃板、支架、大白纸一张、刻度尺、一对一模一样的蜡烛AB 、量角器 （2）方法：等效替代法 用B 蜡烛替代A 蜡烛，与像重合。 （3）步骤： ①将大白纸铺在水平桌面上，用刻度尺在白纸中央画一条直线，用支架将玻璃板垂直立在白纸中央的直线上。 ②将A 蜡烛点燃，放在玻璃板左侧某一位置上，透过玻璃板，看到在玻璃板的右侧出现蜡烛A 的像A ′， ③移动B 蜡烛，使之与A ′重合，在白纸上记录下A 蜡烛与像A ′（即B 蜡烛）对应点的位置。 信息光学研究发展现状 【摘要】从全息思想的提出至今已经有半个多世纪的历史。期间，全息技术的发展取得了很大的成就。梳理一下全息技术的发展以及当今的研究和应用现状，有助于我们深入了解全息技术对生产、生活的重要影响以及其今后的发展方向。 【关键词】全息防伪存储全息透镜 【引言】全息技术一门正在蓬勃发展的光学分支，主要运用了光学原理，是一种不用透镜，而用相干光干涉得到物体全部信息的二部成像技术。如果说全息技术在照相方面的应用与普通照相技术的最大区别，那就是全息技术能够利用激光的相干性原理，将物体对光的振幅和相位反射（或透射）同时记录在感光板上，也就是把物体反射光的所有信息全部记录下来，并能够再现出立体的三维图像。也就是全息技术所记录不是图像，二是光波。全息技术近年来已渗透到社会生活的各个领域并被广泛地应用于近代科学研究和工业生产中，特别是在现代测试、生物工程、医学、艺术、商业、保安及现代存储技术等方面已显示出特殊的优势。随着全息技术的快速发展，全息技术的产品正越来越多地走向市场、应用于现代生活中。 一、全息技术的发展简介 全息照相技术是1948年英国科学家丹尼斯·伽伯(Dennis Gabor)为改善电子显微镜成像质量提出的重现波前的理论，并因此获得了诺贝尔奖。但当时由于缺乏纯净的能够相互干涉的光，全息图的质量很差。直到十二年以后的1960年，激光器问世，美国密执安大学的埃梅蒂·利斯与朱里斯·尤佩尼克拍成了第一张全息相片，全息技术才有了蓬勃快速的发展。 1948年，伽伯为提高电子显微镜的分辨率，在布拉格的“x射线显微镜”、泽尼克的相衬原理的启示下，提出了一种用光波记录物光波的振幅和相位的方法，并用实验证实了这一想法。为了进一步证实其原理，他先后采用电子波与可见光进行了验证，并在可见光中得到了证实，同时制成了第1张全息图。从那时起至20世纪5O年代末期，全息图都是用汞灯作为光源，而且是参考光与物光共 光学实验 类型1探究光的反射定律 1．在光现象的学习过程中，小明进行了如下实验． (1)在“探究光的反射规律”实验中，按图甲所示的装置进行实验，纸板上显示出了入射光AO和反射光OB的径迹，他想把光的径迹保留在纸板上以便研究，请你为他设计一个保留的方法：________________________________．当在图甲上出现反射光OB后，小明将一透明塑料硬板按图乙方式放置，并以ON为轴旋转该塑料硬板，观察塑料硬板上能否出现反射光，他这样设计是为了探究______________________________________．小明让光沿BO 方向入射，发现反射光沿OA方向射出，说明在反射现象中，________________． (2)如图丙所示，在“探究平面镜成像特点”的实验中，小明将点燃的蜡烛A竖直放在薄玻璃板的一侧，此时用另一支完全相同的未点燃的蜡烛B在玻璃板另一侧的水平桌面上移动，发现无论怎样移动都无法让它与蜡烛A的像完全重合，出现这种情况的原因可能是________________________．调整后蜡烛B与蜡烛A的像能够完全重合，说明像与物________，移去蜡烛B，在其原来的位置放置一块光屏，光屏上不能呈现蜡烛A的像，说明________________． 类型2探究平面镜成像的特点 2．艾英同学在做“探究平面镜成像特点”的实验时，所用的实验器材有带底座的玻璃板、白纸、笔、火柴、光屏、刻度尺、两支外形相同的蜡烛A和B. (1)选用玻璃板代替平面镜，主要是为了________________________________________． (2)在竖立的玻璃板前点燃蜡烛A，拿________(填“点燃”或“未点燃”)的蜡烛B竖直在玻璃板后面移动，人眼一直在玻璃板的前侧观察，直至蜡烛B与蜡烛A的像完全重合．这种确定像与物大小的方法是________________(填“控制变量法”或“等效替代法”)． (3)移去蜡烛B，在其原来位置上放置一块光屏，光屏上无法呈现蜡烛的像，这说明平面镜成的是________(填“虚”或“实”)像． (4)当蜡烛A向玻璃板靠近时，像的大小________． (5)为了让坐在右座的同学也能够看清蜡烛的像，艾英只将玻璃板向右平移，则蜡烛像的位置________(填“向右移动”“向左运动”或“不变”)． 类型3探究凸透镜成像的规律 3．如图所示，在探究凸透镜成像特点的实验中，凸透镜的光心、烛焰、光屏中心在同一水平直线上，蜡烛、凸透镜位置如图所示，当光屏移至刻度尺80 cm处时，在光屏上观测到等大、倒立的实像． (1)该凸透镜的焦距是________cm. (2)在题干中成像的情况下，把蜡烛向左移动5 cm，光屏应向________(填“左”或“右”) 实验注意事项（必读） 1．没有弄清楚实验内容者，禁止接触实验仪器。 2．注意激光安全。绝对不可用眼直视激光束，或借助有聚光性的光学组件观察激光束，以免损伤眼睛。 3．注意用电安全。He-Ne激光器电源有高压输出，严禁接触电源输出和激光头的输入端，避免触电。 4．注意保持卫生。严禁用手或其他物品接触所有光学元件（透镜、反射镜、分光镜等）的光学表面；特别是 在调整光路中，要避免手指碰到光学表面。 5．光学支架上的调整螺丝，只可微量调整。过度的调整，不仅损坏器材，且使防震功能大减。 6．实验完成后，将实验所用仪器摆放整齐，清理一下卫生。 Matlab数字衍射光学实验一 计算机仿真过程是以仿真程序的运行来实现的。仿真程序运行时，首先要对描述系统特性的模型设置一定的参数值，并让模型中的某些变量在指定的范围内变化，通过计算可以求得这种变量在不断变化的过程中，系统运动的具体情况及结果。仿真程序在运行过程中具有以下多种功能： 1）计算机可以显示出系统运动时的整个过程和在这个过程中所产生的各种现象和状态。具有观测方便，过程可控制等优点； 2）可减少系统外界条件对实验本身的限制，方便地设置不同的系统参数，便于研究和发现系统运动的特性； 3）借助计算机的高速运算能力，可以反复改变输入的实验条件、系统参数，大大提高实验效率。因此．计算机仿真具有良好的可控制性(参数可根据需要调整)、无破坏性(不会因为设计上的不合理导致器件的损坏或事故的发生)、可复现性(排除多种随机因素的影响，如温度、湿度等)、易观察性(能够观察某些在实际实验当中无法或者难以观察的现象和难以实现的测量，捕捉稍纵即逝的物理现象，可以记录物理过程的每一个细节)和经济性(不需要贵重的仪器设备)等特点。 Matlab是MathWorks公司于1982年推出的一套高性能的数值计算和可视化软件。它集数值分析、矩阵运算、信号处理和图形显示于一体，构成了一个方便、界面友好的用户环境。它还包括了ToolBox(工具箱)的各类问题的求解工具，可用来求解特定学科的问题。Matlab的长处在于数值计算，能处理大量的数据，而且效率比较高。MathWorths公司在此基础上开拓了符号计算、文字处理、可视化建模和实时控制能力，增强了Matlab的市场竞争力，使Matlab成为市场主流的数值计算软件。Matlab产品族支持概念设计、算法开发、建模仿真、实时实现的理想的集成环境。其主要功能有：数据分析、数值和符号计算、工程与科学绘图、控制系统设计、数字图像信号处理、财务工程，建模、仿真、原型开发，应用开发，图形用户界面。 在光学仪器设计和优化过程中，计算机的数值仿真已经成为不可缺少的手段。通过仿真计算，可以大幅度节省实验所耗费的人力物力，特别是在一些重复实验工作强度较大且对实验器材、实验环境等要求较苛刻的情况下。如在大型激光仪器的建造过程中，结合基准实验的仿真计算结果可为大型激光器的设计和优化提供依据。仿真光学实验也可应用于基础光学教学。光学内容比较抽象，如不借助实验，很难理解，如光的干涉、菲涅耳衍射、夫琅禾费衍射等。传统的光学实验需要专门的实验仪器和实验环境。其操作比较烦琐，误差大现象也不明显，对改变参数多次观察现象也多有不便。MATLAB是当今国际上公认的在科技领域方面最为优秀的应用软件和开发环境。利用它对光学实验仿真可避免传统实验中的缺点，强大的功能使光学实验变得简便准确。基于MATLAB的科学可视化功能对光学仿真实验现象进行计算机模拟的效果更加准确明显。 1.实验目的: 掌握基本的Matlab编程语言，了解其编程特点；模拟几种常用函数，了解其编程过程及图像显示命令函数，掌握Matlab画图方法；通过设计制作一系列光学研究物体掌握其编程方法；掌握光波的matlab编程原理及方法，初步了解Matlab初中物理光学实验专题复习知识点考点梳理和练习
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