光学实验基本常数Word格式文档下载.docx
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调节中是利用有无视差来判断像的位置的。
当左右移动眼睛时,若像和分划线有相对位移,即存在视差,说明像未成在分划板上,必须再调节至无视差的为止。
三、光学仪器的使用和维护Opticalinstrumentutilizationandservice
光学仪器的核心部件是它的光学元件,如各种透镜、棱镜、反射镜、分划板等,对它们的光学性能(如表面光洁度、平行度、透过率等)都有一定的要求。
光学元件极易损坏,最常见的损坏有:
1.破损。
由于使用粗心大意,使光学元件受到撞击(如跌落、震动)或挤压,因而造成缺损或破裂。
2.磨损。
这是最常见,也是危害最大的损害。
在玻璃表面上常有灰尘等,由于处理方法不当(如用手、布、纸片等物去擦),以致在玻璃的光学面上留下无法弥补的擦痕。
有时由于使用或保管不当,使光学元件的光学面跟其它物体发生摩擦,使光学面损伤。
磨损的结果,将使仪器成像模糊,甚至不能成像。
3.污损。
由于手指的油垢、汗渍或其它液体造成的沉淀,结果在光学元件的光学面上留下斑痕。
4.发霉。
这是由于光学元件所处的环境温度较高、湿度较大,适宜于微生物生长而造成的。
5.腐蚀。
这是由于光学元件的光学面遇到酸碱等化学物品时造成的。
因为以上种种,所以光学元件在使用和维护时,必须遵守下列规则:
1.必须了解仪器的使用方法和操作要求,才能使用仪器。
2.仪器应轻拿轻放,勿失落,勿受震动。
3.不准用手触摸仪器的光学表面,如必须用手拿某些光学元件(如透镜、棱镜等)时,只能接触其非光学面部分,即磨砂面。
4.光学表面如有轻微污痕或指印,可用特制的镜头纸轻轻地拂拭,不能加压力擦拭,更不准用手、手帕、衣服、纸片等物去擦。
若表面有严重污痕、指印等,一般由实验室管理人员用乙醚、丙酮或酒精清洗(镀膜面不可清洗)。
5.光学面如有灰尘,要用橡皮球将灰尘吹去,或用专用的脱脂软毛笔轻轻掸去,切不可用其他物品揩试。
6.不允许任何溶液接触光学面。
7.在暗室中操作,应预先熟悉各仪器、元件安放的位置。
8.仪器用毕,应放回箱内或加罩。
9.仪器箱内应有干燥剂,以防仪器受潮和玻璃发霉。
10.光学仪器装配精密,拆卸后很难复原,因此不得私自拆卸。
四、常用光学仪器简介Abstractoffrequentopticalinstrument
(一)分光计Spectrometer
1.分光计的结构Structureofspectrometer
分光计型号繁多,其结构大同小异,图1为DG-3型分光仪的结构原理图。
由5部分组成;
望远镜、载物台、平行光管、刻度盘、底座。
(1)望远镜Telescope
望远镜由物镜和目镜组成。
图2为DG-3型分光仪望远镜结构示意图。
A筒为阿贝目镜,B筒上装有十字叉丝和全反射小棱镜,C筒上装有物镜。
为调节和测量,将叉丝安装在物镜和目镜之间。
A筒可在B筒内滑动以改变叉丝与目镜间距离,B筒可在C筒内滑动以改变叉丝与物镜间的距离。
(2)载物台Objectstage
载物台(15)又叫平台。
它是用来放置待测件的,台上有簧片夹(16),用来夹固被测部件。
平台下方有3个螺钉(14)成正三角形,用来调节平台的高度和倾斜度。
(3)平行光管Collimator
平行光管19,它的作用是产生平行光。
平行光管的透镜V是一个消色差的复合正透镜。
图1DG-3型分光仪
1—自准直目镜;
13—载物台升降固定螺丝25—刻度盘;
2—照明小灯;
14—载物台水平调节螺丝;
26—望远镜方位读数游标;
3—叉丝套筒;
15—载物台;
27—电源插头;
4—望远镜筒;
16—弹簧夹片;
28—底座;
5—望远镜调焦钮;
17—狭缝;
I—阿贝目镜;
6—望远镜俯仰调节螺丝;
18—狭缝套筒;
II—全反射小棱镜;
7—照明灯开关;
19—平行光管;
III—十字叉丝;
8—望远镜左右调节螺丝;
20—平行光管调焦钮;
IV—物镜;
9—望远镜微动调节钮;
21—平行光管俯仰调节螺丝;
V—透镜;
10—望远镜固定螺丝;
22—平行光管左右调节螺丝;
VI—狭缝。
11—载物台微动紧固螺丝;
23—载物台微动调节钮;
12—载物台固定螺丝;
24—载物台方位读数游标;
图2望远镜结构示意图(阿贝目镜型)
狭缝17可用螺丝(图中未画出)调节其缝隙宽度,当光源(如钠光灯、水银灯等)把缝隙照明,转动平行光管调钮20,可改变狭缝和透镜间的距离,当狭缝
正好处于透镜的主焦面上时,平行光管便产生平行光从透镜射出。
图3读数盘示意图
(4)底座Baseframe
本分光仪的底座为半球形,
仪器的转动轴就固定在底座上,平
行光管也固定在底座上。
(5)刻度盘Dialscale
刻度盘与游标24、26构成
分光仪读数装置。
刻度盘25与
转动轴底座固定为一体。
上下两
层游标可相对于刻度盘25转动,
见图3。
刻度盘一周分为360°
,最小
分度值为半度(30′),小于半度的
利用游标读数。
游标为30格,每
格对应角度为1′(即精度为1′)。
其读数方法与游标卡尺完全相同,如图3中望远镜的位置应为210°
04′。
2.分光计的调整Spectrometeradjustment
分光计既然作为测量角度的光学仪器,那么,要能准确测量角度,就必须使入射光和出射光均为平行光;
入射光线、出射光线与反射面(或折射面)的法线所构成的平面应与分光计的刻度盘平行。
为此,调整分光计必须达到如下要求:
①平行光管发出平行光;
②望远镜能接受平行光并将平行光聚焦于物镜焦面上;
③平行光管与望远镜同光轴,且光轴垂直通过转动轴线。
首先目测粗调,使分光计各部分大体上满足上述要求,然后进行细调。
(1)自准法调节望远镜
将三棱镜如图4放置载物台上,使AB、AC、BC分别垂直于a1a2,a2a3,a3a1,。
当调节a1时,只改变AB的法线而对AC法线无影响,当调节a3时,只改变AC的法线而对AB法线无影响。
先目测:
通过调节a1或a3,分别使AB、AC面的法线大体上望远镜的光轴相平行,然后:
①点亮小灯2,调节目镜I,以看清楚叉丝。
慢慢转动平台,使AB面正对望远镜,用望远镜观察,可以发现被三棱镜反射回来的光斑。
此光斑可能没有明显的轮廊或边界,而只是比周围背影稍亮一些。
如果找不到光斑,说明没有反射光进入望远镜。
需略微转动平台或调节a1螺丝,直到反射光能进入望远镜。
②调节望远镜调焦钮5,以看清楚光斑内叉丝的像,如图5所示。
再将眼睛上下、左右移动,若看到叉丝的像与叉丝无相对移动时,说明叉丝的像与叉丝处于同一焦平面上,即已消除视差。
这时望远镜已聚焦于无穷远。
③转动载物台,使另一反射面AC正对望远镜,也应看到叉丝的像。
若看不到,则需将平台左右略微转动或调节a3螺丝。
待AB、AC两反射面都各自有叉丝的反射像后,说明望远镜的光轴与分光计的转轴大体上相垂直了。
倘需细调直至完全垂直。
细调的方法是采用“二分之一逼近法”,即
④当AC面正对望远镜时,看到的叉丝像与叉丝并不重合。
左右调节可缓慢转动平台,上下调节可先调节望远镜的俯仰调节螺丝6,使叉丝的像向叉丝逼近二分之一,再调节平台下面的螺丝a3,使叉丝的像与叉丝完全重合。
再使AB面正对望远镜,以同样方法通过调节望远镜的俯仰调节螺丝6,使叉丝的像向叉丝逼近二分之一,再调节平台下面的螺丝a1,使叉丝的像与叉丝完全重合。
用“二分之一逼近法”经反复调节,直到AB、AC面反射回来的叉丝像都与叉丝完全重合为止。
这时说明望远镜的光轴已与分光计的转轴相互垂直了。
(2)调节平行光管
用钠光灯照亮平行光管的狭缝。
移开三棱镜,将已调好的望远镜对准平行光管,则由望远镜可观察到来自平行光管的光,调节平行光管调焦钮20,使得到清晰的狭缝像(通常称之为光谱线)。
这时,说明平行光管发出是平行光。
如果谱线太宽或太窄,应调节狭缝宽度。
检查望远镜中水平叉丝是否将狭缝像平分。
如没被平分,则调节平行光管俯仰调节螺丝21,直至狭缝像已被水平叉丝平分为止。
这时平行光管的光轴与分光计转轴互相垂直。
至此,分光计调节完毕。
(二)读数显微镜Readingmicroscope
读数显微镜由显微镜和螺旋测微装置两部分组成。
显微镜的作用是将被测物体放大并瞄准,测微螺旋的作用是测读任意两点间的距离。
读数显微镜的特点是,既能达到较高的测量精度(决定于测微螺旋的精度),又有较宽的测量范围(决定于显微镜筒的移动范围),并且能实现无接触测量。
它的结构简单,操作方便,应用范围很广。
图6为JXD-B型读数显微镜外型。
具体结构有:
1目镜,2调焦手轮,3横轴,4立柱,5底座,6反光镜调节手轮,7工作台压簧,8物镜,9镜筒,10指标,11标尺,12毛玻璃,13底座手轮。
图6读数显微镜
调节读数显微镜的步骤是:
(1)使显微镜筒位于标尺中部。
(2)用合适的光源照明被测对象,调节照明方向,使视场明亮。
(3)调节目镜,以看清分划线为准。
(4)调节镜筒的工作距离(调焦),使像清晰并要消除视差。
测量程序是:
转动测微螺旋,瞄准被测物上一点,记下a1,继续移动镜筒,瞄准另一点,记下a2,则被测物两点间距离为a2-a1。
使用时须注意:
(1)要注意消除空程误差。
(2)调节镜筒的工作距离时,只允许从下往上调,不允许从上往下调,以免压碎被测物体。
(三)人眼的光学性能Opticalperformanceofeyes
在各种光学实验中,无论使用什么光学仪器,都要通过人眼才能看清所的像,所以了解人眼学仪器和进行光学测量是很重要的。
1.眼睛的构造Structureofeyes
人眼是一种复杂的“光学仪器”,由图7可看出其构造的大意。
视网膜是光学系统成像的屏或感光面,不管使用什么仪器观察什么物体,最后必须是在光线进入眼睛里,并且在视网膜上成一清晰的像时,人才感觉观察到
了物体。
黄斑中心是人眼视觉最灵敏的部分。
水晶体则是一个可调焦距的透镜,
图7人眼的构造
成像全靠它。
毛状肌是可松弛或拉紧的肌肉组织,它担负着改变水晶体(透镜)曲率半径的作用即改变透镜焦距的作用。
2.眼睛的成像功能Imagingfunctionofeyes
人眼球大小一定,水晶体距视网膜距离也一定,换句话说,人眼成像的像距一定,而人观察的物体距眼睛远近经常变化的。
我们平时观察远近不一的各种物体时,都能看得清楚,就是通过眼睛的调节作用使物体在视网膜上成一清晰的像。
这一调节作用就要靠毛状肌的作用了;
当看近时(物距小),毛状肌就收缩,使水晶体的曲率半径变小(焦距变小),这样近处物体正好在视网膜上成一清晰的像。
当观察远处物体时(物距大),毛状肌松弛,水晶体的曲率半径变大(焦距变大),使远处物体正好像在视网膜上。
应当指出一点,人眼睛的调节作用是有限度的。
对于正常眼睛的成人而言,其调节作用可使15cm→∞距离处的物体都能看清楚。
同时,因为每个人的眼睛的调节作用不完全一样,氢在实验中,往往一个人认为成像清晰,而中一个人却认为还不清晰。
3.眼睛的分辨本领Resolutioncapabilityofeyes
图8眼睛的分辨本领
从图8可以看出,用眼睛观察物体上下两点A和B时(即被观察物体高度
),它们分别在距网膜上成像为A′和B′两点(即像高为
)。
如果
小到一定程度时,人眼睛分辨不清A和B是两个点了(实际是A′和B′靠得极近,故分不清是两点了)。
人眼所能分辨的最小观角δ就叫做眼睛的分辨本领,让我们估计一下它的大小。
(
)≈0.005mm可认为是能分辨的最小像高,OB′=17.1mm是水晶体心到视网膜的距离,可认为是像距。
由图8可知分辨本领
弧度=1′
正常人眼睛的分辨本领为1′左右。
正常人眼睛的明视距离为l=250mm,在明视距离处能看清物体的最小尺寸是
mm
(四)实验室常用光源Frequentilluminantinlaboratory
实验室常用的光源是将电能转换成光能的光源——电光源。
常用的有白炽光源、钠光灯、水银灯、激光器等。
1.白炽灯Incandescentlamp
白炽灯通常用钨丝作为发光体,灯泡内的钨丝在惰性气体中通电加热发光,它的光谱是连续的,其光谱能量分布曲线与钨丝的温度有关。
实验室中常用白炽灯多属低电压类型,常用的有3V、6V、12V等。
近年来,利用卤族元素和钨的化合物容易挥发的特点制成了卤钨灯(主要有碘钨灯和溴钨灯)。
在灯泡内充入卤族元素后,沉积在玻璃泡内的钨将和卤素原子化合生成卤化钨,卤化钨挥发成气体并向灯丝扩散。
因为灯丝附近温度比较高,卤化钨分解,钨重新沉积到钨丝上形成卤钨循环,所以卤钨灯能获得较高的发光效率。
光色较好,稳定度较高。
2.钠光灯Natriumlamp
钠光灯是一种气体放电光源,在可见光范围内有两条强谱线(589.0nm和589.6nm),由于这两种单色黄光波长接近,一般不易区分,常以它们的平均值589.3nm作为钠灯黄光的波长值。
钠光灯是将金属钠封闭在抽空的特种玻璃泡内,泡内充以辅助气体氩。
钠为难熔金属,冷时蒸汽压很低,工作时蒸汽压可达到0.4Pa,通电15min后可发出强黄光。
灯泡两端电压约20V(A,C),电流约1.0~1.3A,电源用220V(A,C)并串入扼流圈来镇流。
图9为灯光灯结构示意图和工作电路。
3.水银灯Mercurylamp
水银灯是一种气体放电光源,点燃稳定后发出绿白色光,在可见光范围内光谱成分是几条分离的强谱线(612.35nm,579.07nm,576.96nm,546.07nm,491.60nm,435.83nm,404.68nm,365.02nm)。
因为水银灯在常温下要有很高的电压才能点燃,所以灯管内还充以辅助气
图9低压钠灯的结构(a)和工作电路(b)
体,如氖、氩等。
通电时辅助气体首先被电离而放电,此后灯管温度得以升
高,随后才产生水银蒸汽的弧光放电。
水银灯在点燃后如突然断电,灯管仍然发烫,要等到灯管温度下降后水银蒸汽压降低到一定程度才能再点燃,一般需等10min。
水银灯的外形与钠光灯相似,工作时也必须串以扼流圈来镇流。
4.激光光源Lasersource
激光是60年代出现的新型光源和普通光源相比具有以下优点:
光谱亮度高,能量集中;
方向性好,几乎接近于理想的平行光束;
单色性强,波长范围可小于10-4nm,相干性好。
图10氦氖激光器
实验室常用的激光光源是氦—氖激光器,如图10所示。
它由激光物质,激励装置和光学谐振腔三部分组成。
放电管内的He、Ne混合气体在激励作用下产生受激辐射形成激光,经光学谐振腔加强一定程度后从谐振腔的一块反射镜发射出去。
谐振腔的两块反射镜面对面地放置,两块反射镜可以是凹球面镜、平面镜或一凹—平两块镜片。
管长10~100cm,毛细管内径1~5mm。
氦—氖激光器的电极用钴制成,两端加2~3kV直流电压,反射镜的反射峰值配合在632.8nm,以抑制其他波长的谐振,使其632.8nm输出最大,输出功率可以从0.5mW到几十毫瓦。
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