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光学实验基础知识
光学是物理学中最古老的一门学科，也是当前学科领域中最活跃的前沿阵地之一，具有强大的生命力和不可估量的发展前途。它和其它学科一样，也是经过长期的实践，在大量的实验基础上逐步发展和完善的。虽然它的理论成果、新型光学实验技术的内容十分丰富，但是经典的实验方法仍是现代物理实验最基本的内容，因此，作为基础的光学实验课，学习的重点仍应该是学习和掌握光学实验的基本知识、基本方法以及培养基本的实验技能，通过研究一些基本的光学现象，加深对经典光学理论的理解，提高对实验方法和技术的认识。
一、光学实验常用仪器
光学实验仪器可以扩展和改善视角的观察以弥补视角的局限性。构成光学仪器的主要元件有透镜、反射镜、棱镜、光栅和光阑等，这些元件按不同方式的组合构成了不同的光学系统。光学仪器可以粗分为助视仪器（放大镜、显微镜、望远镜），投影仪器（放影机、投影仪、放大机、照相机）和分光仪器（棱镜分光系统、光栅分光系统）。下面介绍部分常用的光学仪器，主要介绍光学实验中常用仪器的构造、调节和光学实验中的常用光源。
（一）助视仪器 １．放大镜和视角放大率
凸透镜作为放大镜是最简单的助视仪器，它可以增大眼睛的观察视角。设原物体长
A'AB?0B'A'AB?B\A\25cmB'图1—１度为AB，放在明视距离处（距离眼睛25厘米处），眼睛的视角为?0；通过放大镜观察，成像仍在明视距离处，此时眼睛的视角为?，如图1—1所示。?与?0之比称为视角放大率M。
M?? （1―1） ?0 1
因为 ?0?ABA'B'AB ,???2525f所以 M??AB/f25。 （1―2） ???0AB/25f（1―2）式中，f为放大镜焦距，f越短，放大率越高。 ２．目镜
目镜也是放大视角用的仪器。放大镜（放大镜也是最简单的目镜）是用来直接放大实物，而目镜则是用来放大其它光具组所成的像。一般对目镜的要求是有较高的放大率
叉丝叉丝阿贝目镜高斯目镜图1—2 和较大的视场角，同时要尽可能校正象差，为此，目镜通常是由两片或更多片的透镜组成。目前应用最广泛的目镜有高斯目镜和阿贝目镜，如图1—2所示，分别为阿贝目镜和高斯目镜的示意图。图中的叉丝为测量时的准线，反射镜和小棱镜的作用是改变照明光的入射方向，照亮叉丝。
３．显微镜
显微镜由目镜和物镜组成，其光路图如1—3所示。待观察物PQ置于物镜L0的焦平
面F0之外，距离焦
P\LePQL0P'Fe平面很近的地方，这样可使物
QQ\'图1—3镜所成的实像P'Q'，
落在目镜Le的焦平面Fe之内靠近焦平面处。经目镜放大后在明视距离处形成一放大的虚像P\Q\。
理论计算可得显微镜的放大率为：
2
M?M0?Me????s0 （1―3） f0'?fe'式中M0是物镜的放大率，Me是目镜的放大率，f0'?,fe'分别是物镜和目镜的像方焦距， ?是显微镜光学间隔（＝F0'Fe，现代显微镜均有定值，通常是17厘米或19厘米 ），s0=-25厘米，为正常人眼的明视距离。由上式可知，显微镜的镜筒越长，物镜和目镜的焦距越短，放大率就越大。一般f0'取得很短（高倍的只有１—２毫米）而fe'在几个厘米左右。在镜筒长度固定的情况下，如果物镜目镜的焦距给定，则显微镜的放大率也就确定了。通常物镜和目镜的放大率，是标在镜头上的。
４．望远镜
望远镜是帮助人眼观望远距离物体，也可作为测量和对准的工具，它也是由物镜和目镜所组成。其光路图如1—4所示，远处物体PQ发出的光束经物镜后被会聚于物镜的
明视距离P\PL0F0'Q'P'LeQQ\图1—４焦平面F0'上，成一缩小倒立的实像P'Q'，像的的大小决定于物镜焦距及物体与物镜间的距离。当焦平面F0'恰好与目镜的焦平面Fe重合在一起时，会在无限远处呈一放大的倒立的虚象，用眼睛通过目镜观察时，将会看到这一放大且移动的倒立虚象P''Q''。若物镜和目镜的像方焦距为正（两个都是汇聚透镜），则为开普勒望远镜；若物镜的像方焦距为正（汇聚透镜），目镜的像方焦距为付（发散透镜），则为伽利略望远镜。图1—4为开普勒望远镜的光路图。
由理论计算可得望远镜的放大率为
f0'M??' （1―4）
fe该式表明，物镜的焦距越长、目镜的焦距越短，望远镜的放大率则越大。对开普勒望远镜(f0'?0,fe'?0)，
M为负值，系统成倒立的像；而对伽利略望远镜
f0'?0,fe'?0)，放大率M为正值，系统成正立的像，因实际观察时，物体并不真正位于无穷远，像亦不成在无穷远。该式仍近似适用。
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（二）常用实验仪器的构造与调节
在光学实验中，常使用的一些基本光学仪器有光具座、测微目镜、读数显微镜及分光仪等。下面对这几种光学仪器作以简单介绍。
１．光具座
（１）光具座的结构
光具座的主体是一个平直的轨道，有简单的双杆式和通用的平直轨道式两种。轨道的长度一般为1～2米，上面刻有毫米标尺，还有多个可以在导轨面上移动的滑动支架。一台性能良好的光具座应该是导轨的长度较长，平直度较好，同轴性和滑块支架的平稳性较好。
光学实验室常用的光具座有GJ型、GP型、CXJ型等，它们的结构和调试方法基本
图1—5相同。图1—5显示出CXJ?1型光具座的结构示意图，它是目前光学实验中比较通用的一种光具座，长1520毫米，中心高200毫米,精度较高。
（２）光具座的调节
将各种光学元件（透镜,面镜等等）组和成特定的光学系统，运用这些光学系统成像时，要想获得优良的像，必须保持光束的同心结构，即要求该光学系统符合或接近理想光学系统的条件，这样，物方空间的任一物点，经过该系统成像时，在像方空间必有唯一的共轭像点存在，而且符合各种理论计算公式。为此，在使用光具座时，必须进行共
LQS0pX1dDX2Pv'图1—６轴调节。共轴调节内容包括：所有透镜的主光轴重合且于光具座的轨道平行，物中心在透镜的主光轴上；物、透镜、屏的平面都应同时垂直于轨道。这里用两次成像法做以说
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