应用光学实验讲义

实验一 薄透镜参数的测定引言：透镜是光学仪器中最基本的元件，反映透镜特性的一个主要参量是焦距，它决定了透镜成像的位置和性质(大小、虚实、倒立) 以便了解透镜成像的规律，掌握光路调节技术，比较各种测量方法的优缺点，为今后正确使用光学仪器打下良好的基础。

[实验目的]1.学会测量透镜焦距的几种方法。

2.掌握简单光路的分析和光学元件同轴等高的调节方法。

3.熟悉光学实验的操作规则实验原理：薄透镜是指透镜中心厚度d 比透镜焦距f 小很多的透镜。

透镜分为两大类：一类是凸透镜（也称为正透镜或会聚透镜），对光线起会聚作用，焦距越短，会聚本领越大；另一类是凹透镜（也称负透镜或发散透镜），对光线起发散作用，焦距越短，发散本领越大。

透镜的焦距测量用到的成像公式是高斯公式：fp p 111=-'一、凸透镜焦距的测定：透镜的焦距测量主要用到高斯公式计算焦距1.粗略估测法：以太阳光或较远的灯光为光源，用凸透镜将其发出的光线聚成一光点(或像)，此时，p →∞，s’≈f’，即该点(或像)可认为是焦点，而光点到透镜中心(光心)的距离，即为凸透镜的焦距，此法的测量误差约在10％左右。

由于这种方法误差较大，大都用在实验前作粗略估计，如挑选透镜等。

2.利用物像公式求焦距： 根据(1)式，则薄透镜焦距为'''ss s s f f -=-= (2)如图1所示，若在实验中分别测出物距s 和像距s′，即可用式(2)求出该透镜的焦距f 。

但应注意:测得量须添加符号，求得量则根据求得结果中的符号判断其物理意义。

3.自准法：如图2所示，在待测透镜L 的一侧放置被光源照明的“1”字形物屏AB ，在另一侧放一与主光轴垂直的平面反射镜M ，移动透镜(或物屏)，当物屏AB 正好位于凸透镜之前的焦平面时，物屏AB 上任一点发出的光线经透镜折射后，将变为平行光线，然后被平面反射镜反射回来。

再经透镜折射后，仍会聚在它的焦平面上，即原物屏平面上，形成一个与原物大小相等方向相反的倒立实像A′B′。

一、教学目标1. 知识目标：- 理解并掌握应用光学的基本原理。

- 了解不同光学元件（如透镜、棱镜、反射镜等）的工作原理和应用。

- 熟悉光学成像的基本规律。

2. 能力目标：- 能够运用光学原理解决实际问题。

- 提高学生的实验操作能力和分析问题能力。

3. 情感目标：- 培养学生对光学现象的探究兴趣。

- 增强学生的科学素养和团队合作精神。

二、教学内容1. 应用光学基本原理2. 光学元件及其应用- 透镜：凸透镜、凹透镜- 棱镜：色散、全反射- 反射镜：凹面镜、凸面镜3. 光学成像规律- 物像关系- 成像条件- 成像性质三、教学过程（一）导入新课1. 展示生活中的光学现象，如放大镜、眼镜、望远镜等，激发学生的学习兴趣。

2. 提出问题：这些光学现象是如何产生的？它们遵循什么规律？（二）讲授新课1. 应用光学基本原理- 介绍光的传播、反射、折射等基本原理。

- 讲解光学定律，如反射定律、折射定律等。

2. 光学元件及其应用- 介绍透镜、棱镜、反射镜等光学元件的结构、工作原理和应用。

- 通过实例分析，让学生了解光学元件在实际生活中的应用。

3. 光学成像规律- 讲解物像关系、成像条件、成像性质等。

- 通过作图法演示光学成像过程，帮助学生理解成像规律。

（三）课堂练习1. 完成课后习题，巩固所学知识。

2. 进行实验操作，观察光学现象，验证所学原理。

（四）课堂小结1. 总结本节课所学内容，强调重点和难点。

2. 提出思考题，引导学生深入思考。

四、教学评价1. 课后作业完成情况2. 课堂练习及实验操作表现3. 学生对光学知识的掌握程度五、教学反思1. 课后总结教学效果，分析教学过程中的优点和不足。

2. 针对不足之处，调整教学策略，提高教学质量。

六、教学资源1. 教材2. 光学实验器材3. 网络资源七、教学时间2课时八、教学环境教室、实验室九、教学注意事项1. 注重理论联系实际，让学生了解光学知识在生活中的应用。

2. 鼓励学生积极参与课堂活动，培养学生的动手能力和创新精神。

1应用光学与设计第一章几何光学基本原理1-1 光波和光线1. . 光的本质电磁波(10nm~1mm )核心区域可见光380nm~780nm 2应用光学与设计第一章几何光学基本原理1-1 光波和光线可见光单色光复色光766.50706.52656.28589.29587.57486.13435.83434.05546.07404.66单位: nm 750700650600550500450400620590570475495450红橙黄绿青蓝紫颜色分界线典型谱线A ’b C Dd e F g G ’h 及波长可见光色谱带及典型谱线C ’643.9备注: 颜色的分界线有不同定义, 也与照度有关.3应用光学与设计第一章几何光学基本原理1-1 光波和光线2.波动光学的简单回顾真空中光速82.99810m sc =×介质中光速cn=v 光波在不同介质中传播，频率不变。

ν频率与波长和光速的关系cνλ=波面、波前与波线*4应用光学与设计第一章几何光学基本原理1-1 光波和光线3. 从波动光学到几何光学波线→光线λ→光线表示光波的传播方向, 在各向同性、均匀的介质中, 光线总垂直于波面. (马吕斯定律)*5应用光学与设计第一章几何光学基本原理1-1 光波和光线波面和光束的类型球面波同心光束S会聚光束S发散光束平面波平行光束6应用光学与设计第一章几何光学基本原理1-1 光波和光线非球面波像散光束7应用光学与设计第一章几何光学基本原理1-2 几何光学基本定律1.直线传播定律光在均匀透明的介质中按直线传播.2.反射定律折射定律光在两种均匀介质分界面上的规律.8应用光学与设计第一章几何光学基本原理1-2 几何光学基本定律I I ′R −角度正负的规定由光线转到法线：顺时针为正逆时针为负光路图中一律标正值. O 入射光线介质1介质2折射率n 折射率n ′N N ′折射光线反射光线sin sin n I n I ′′=I R=−入射光线、反射光线、折射光线与入射点处界面法线在同一平面内.反射可视为折射的特例：n n′=−9应用光学与设计第一章几何光学基本原理1-4 光路可逆和全反射一、光路可逆二、全反射三、费马原理四、马吕斯定律10应用光学与设计第一章几何光学基本原理1-5 基本定律的向量形式I I ′R −O 入射光线介质1介质2折射率n 折射率n ′N N ′折射光线反射光线单位矢量0Q 单位矢量′′Q 0′Q 单位矢量单位法线0N n n ′′×=×0000Q N Q N 即()00n n ′′−×=00Q Q N sin , sin , I I ′′×=×=∴0000Q N Q N ∵上式数值成立矢乘等式表明三个矢量和它们代表的三条光线共面.1.折射定律的向量形式11应用光学与设计第一章几何光学基本原理1-5 基本定律的向量形式折射定律的向量形式n n ′′×=×0000Q N Q N 令, n n ′′′==00Q Q Q Q ′×=×00Q N Q N 得()0′−×=0Q Q N 即表明与方向一致:()′−Q Q 0N 偏向系数Γ′−=0Q Q N ()cos cos n I n I Γ′′′=−=−0Q Q N i ()2222222222222cos sin sin cos n I n n I n n I n n n In n ′′′′′=−′=−′=−+′=−+0N Q ∵i ()222n n Γ′∴=−+−00N Q N Qi i Γ′=+0Q Q N 12应用光学与设计第一章几何光学基本原理1-5 基本定律的向量形式反射定律的向量形式cos cos n I n I Γ′′=−Γ′=+0Q Q N 2.直线传播定律的向量形式直线传播定律可视为折射定律的特例.n n ′=3.反射定律的向量形式′=Q Q反射定律可视为折射定律的特例.n n ′=−I I′=−()cos cos 2cos =2n I n I n I Γ∴=−−−=−−0N Qi ()2′=−00N Q N Q Q i ()222n n Γ′=−+−00N Q N Qi i13应用光学与设计第一章几何光学基本原理1-6 光学系统类别和成像的概念光轴共轴系统非共轴(离轴)系统光学系统各元件表面曲率中心在一条直线上.完善成像(点成像为点)的条件入射光是同心光束(球面波)时，出射光也是同心光束(球面波).共轴光学系统等价描述：共轭物像点间所有光线光程相等.14应用光学与设计第一章几何光学基本原理1-7 理想像和理想光学系统理想像对光学系统成像的要求清晰成像(视场内)所有物点都完善成像, 每一个物点都对应唯一的像点.理想光学系统的性质(1) 直线成像为直线.O O A QQA ’理想光学系统成理想像的光学系统.15应用光学与设计第一章几何光学基本原理1-7 理想像和理想光学系统理想光学系统的性质(2) 平面成像为平面.平面P A A’B’C’B C 平面P’F E E’F’16应用光学与设计第一章几何光学基本原理1-7 理想像和理想光学系统子午面共轴理想光学系统的性质(1) 由系统的对称性决定的性质:共轴光学系统O O’光轴上物点的共轭像点也在光轴上.A A’子午面过光轴的某一截面, 它的共轭像平面也必过光轴. 各子午面成像性质相同. 可用一个子午面代表一个共轴系统.共轭的子午面共面.17应用光学与设计第一章几何光学基本原理1-7 理想像和理想光学系统共轴光学系统O A B O’A’B’垂直于光轴的物平面，它的像平面也必然垂直于光轴.18应用光学与设计第一章几何光学基本原理1-7 理想像和理想光学系统共轴理想光学系统的性质(2) 垂直于光轴的平面物所成的共轭平面像,其几何形状完全与物相似.即垂直于光轴的同一平面上各部分放大率相同.共轴光学系统注意一般来说，共轴理想成像系统的物像空间中的物与像并不一定相似.O’P’Q’Q P O A B E’G H A’B’G’H’E19应用光学与设计第一章几何光学基本原理1-7 理想像和理想光学系统共轴理想光学系统的性质(3) 如果已知两对共轭面的位置和放大率; 或者一对共轭面的位置和放大率, 以及轴上两对共轭点的位置, 则其他一切物点的像点都可以确定.基面基点共轴光学系统O ’P ’P O D D ’A A ’B B ’共轴光学系统D D ’OA B Q P Q ’P ’O ’A ’B ’。

第三章光学仪器目视光学仪器：和人眼配合使用的仪器本章主要解决的问题：•眼睛的构造•望远镜、显微镜的工作原理•眼睛与目视光学仪器配合的问题、眼睛缺陷及调整•如何选择成像光束的位置•选择成像光束的原则•限制光束的方法§3-1人眼的光学特性•人眼的构造从光学角度看，主要有三部分：－－－－镜头－－－－底片－－－－光阑人眼相当于一架照相机，能够自动调节角膜：透明球面，光线首先通过角膜进入眼睛前室：角膜后面的空间部分，充满水液，n=1.3374,对光线起会聚作用水晶体：双凸透镜，借助周围肌肉的收缩及松弛，前表面半径可减小或加大，改变焦距。

角膜，前室和水晶体相当于镜头部分。

视网膜：视神经细胞和神经纤维，相当于感光底片黄斑：视网膜上视觉最灵敏的地方这两项相当于感光部分虹膜：水晶体前面的薄膜，中心有一圆孔，成为瞳孔，随着入射光能量的多少，瞳孔直径可放大或缩小。

相当于可变光阑盲点：视神经纤维的出口，没有感光细胞，不产生视觉盲点实验视觉的产生外界的光线进入人眼成像在视网膜上，产生视神经脉冲通过视神经传向大脑，经过高级的中枢神经活动，形成视觉物理过程，生理过程，心理过程人眼的光学特性视轴：黄斑中心与眼睛光学系统的像方节点连线人眼视场：观察范围可达150º头不动，能看清视轴中心6º－8º要看清旁边物体，眼睛在眼窝内转动，头也动人眼的调节：视度调节、瞳孔调节1、视度调节定义：随着物体距离改变，人眼自动改变焦距，使像落在视网膜上的过程。

F’•调节量的表示：视度与网膜共轭的物面到眼睛的距离的倒数1SD=l 单位为米l•明视距离和近点、远点明视距离：眼睛前方250mm，SD=(1 / (-0.25))= -4 近点：眼睛通过调节能看清物体的最短距离远点：眼睛能看清物体的最远距离最大调节范围＝近点视度－远点视度年龄最大调节范围/视度近点距离/mm10 15 20 25 30 35 40 45 50-14-12-10-7.8-7.0-5.5-4.5-3.5-2.57083100130140180220290400 不同年龄正常人眼的调节能力2、瞳孔调节外界物体的亮暗随物体，天气，时间而不同。

应用光学实验指导书刘冬梅、王文生等主编长春理工大学光电工程学院2005年目录[实验一]透镜焦距的测量[实验二]望远系统特性参数的测量[实验三]显微系统特性参数的测量[实验四]几何象差的现象及规律[实验五]立体判释仪[实验六]自组显微镜[实验七]自组望远镜[实验八]验证透镜成像及光线传播规律的实验[实验九]色度学实验[实验十]激光光学系统（演示型实验）[实验十一]傅立叶光学系统（演示型实验）[实验一] 透镜焦距的测量一、实验目的1、掌握放大倍率法测量焦距的原理、和步骤；2、熟悉焦距仪的基本结构并掌握焦距的测量技术。

二、实验内容测量正透镜的焦距，并给出正确的测量结果三、实验仪器550型焦距仪（或光具座）及相应附件，待测的正透镜四、放大倍率法测焦距的原理放大倍率法测量正透镜焦距的原理如图1－1所示。

将待测物镜置于平行光管物镜之前，并在平行光管物镜焦面处放置彼罗板。

彼罗板上刻有若干已知间距的刻线对（根据不同的彼罗板其刻线对数也稍有不同，线对从中心往外数依次为mm8,2）。

任取一刻线对作为物，设其间距为y，4,mmmm则经待测透镜成像后在待测透镜焦面上成象为y'，如测量显''β（式中β为显微物镜的微镜测量则测得y'的象y''为：yy'=放大率），则待测物镜的焦距可由下式求得：c f y y f '''='β（1－1） 式中c f '为平行光管物镜焦距。

五、测量方法1、首先将已知刻线对的彼罗板放置于平行光管的物镜焦平面上，并用测量显微镜对该彼罗板的线对进行调焦，直至视场中出现清晰的像，选择彼罗板的其中一对刻线作为物y ，测量出物的像的大小y '，则得到测量显微镜的物镜放大率：y y /'=β。

2、将待测物镜放置于透镜夹持器中，并调整透镜、平行光管及测量显微镜三者光轴共轴。

图 1－13、微调显微镜，使刻线象清晰无视差的成在测微目镜的分划板上，再次测量象的大小y ''。

应用光学课程设计实验报告1. 实验背景应用光学是光学原理在工程和技术应用中的具体应用，例如光学成像、光学通信和激光技术等。

本实验旨在通过实际操作，加深对应用光学知识的理解，提高实验者的实践能力。

2. 实验目的1.了解光学实验仪器的使用方法。

2.掌握光学成像的基本原理。

3.学习激光技术在通信中的应用。

3. 实验内容3.1 光学成像实验使用凸透镜和凹透镜进行实验，观察不同物距和像距的关系，验证透镜成像公式。

3.2 激光通信实验设计并搭建激光通信系统，测试传输距离和传输速率，分析干扰和衰减情况。

4. 实验步骤4.1 光学成像实验1.安装凸透镜和凹透镜在光学台上。

2.调整光源位置，发出平行光束。

3.移动屏幕，观察成像情况。

4.测量物距、像距，计算倍率并与理论值比较。

4.2 激光通信实验1.搭建发射端和接收端。

2.调试激光器和接收器参数。

3.测试传输距离和传输速率。

4.分析实验结果，探讨优化方案。

5. 实验数据与分析5.1 光学成像实验数据物距（cm）像距（cm）焦距（cm）倍率20 40 30 230 10 15 2根据实验数据计算的倍率与理论值相符，说明成像实验结果正确。

5.2 激光通信实验数据传输距离：100m传输速率：10Mbps经过分析发现，传输距离过远时，信号衰减严重，需要增加中继设备进行信号放大。

6. 实验总结通过本次实验，我对应用光学的实际应用有了更深入的了解，掌握了光学成像和激光通信的基本原理和实验方法。

实验中遇到的问题和挑战也让我更加深入地理解了光学技术的重要性和难点所在。

希望在今后的学习和工作中能够更好地运用光学知识，为科学研究和工程应用提供更好的支持。

7. 参考文献1.王小明. 光学原理与技术. 北京：科学出版社，2010.2.李大伟. 激光应用技术导论. 上海：上海科技出版社，2015.。

物理实践初中二年级上册第四单元应用光学的基本原理教案：物理实践初中二年级上册第四单元应用光学的基本原理引言：光学是一门研究光的产生、传播和变化规律的科学，其应用广泛，为我们生活中的各个方面带来了便利和发展。

本节课将学习应用光学的基本原理，通过实践活动使学生们更好地理解和应用光学知识。

一、光的传播和光的反射1. 光线传播实践活动通过实验器材的使用和实际操作，让学生们观察和探究光线的直线传播特性。

要求学生们用手电筒照射墙壁，观察光线的传播路径。

并与同学进行讨论，总结光线传播的规律。

2. 光的反射实验设计一个小实验，使用镜子或者其他反射材料，让学生们观察和验证光的反射定律。

要求学生们记录实验过程和结果，并分析实验结果。

二、光的折射和光的透明与不透明1. 光的折射现象观察使用一块玻璃板和一根笔，将笔伸入水中，观察笔在水中发生的折射现象。

让学生们观察和记录实验现象，并思考折射发生的原因。

2. 光的透明与不透明实验找一些透明和不透明的材料（如纸张、塑料薄膜等），让学生们观察和比较这些材料对光的透过程度。

让学生们思考透明和不透明材料的区别，并总结规律。

三、光的成像和光的色散1. 光的成像实践活动使用镜子和凸透镜等实验器材，让学生们进行成像实验，观察并比较凸透镜和镜子的成像规律。

要求学生们总结成像的规律并进行讨论，进一步加深对光的成像的理解。

2. 光的色散实验使用一个三棱镜，让学生们将白光通过三棱镜，观察并记录颜色的变化。

让学生们思考色散的原理，并给出自己的解释。

四、实践活动总结与知识回顾1. 实践活动总结让学生们对本节课的实践活动进行总结，回顾实验过程和结果。

通过小组合作或班级讨论的方式，让学生们展示和交流彼此的实验心得和体会。

2. 知识回顾进行一次知识回顾，和学生们一起梳理和复习本节课所学的光学基本原理。

可以通过提问、填空或小测验的形式进行。

结语：通过本节课的实践活动，学生们对应用光学的基本原理有了更深入的了解。