第1章薄透鏡和球面鏡焦距測量及諾莫圖法應用

1.1實驗目的與主要實驗器材

1.1.1 實驗目的

1.1.2 主要實驗器材

1.1.3光路圖

1.2 快速識別聚光和散光器件

1.2.1 觀察遠處物體

1.2.2 觀察近處物體

1.3觀察透鏡所成的像以及對焦距的簡單測量

1.3.1 實物成實像的條件

1.3.2 像差與4P法則14 凸透鏡成像

1.4.1虛像位置的測量142虛物成實像

1.4.3圖示法分析物像位置關繫

1.4.4諾莫圖(Nomograph)

1.4.5凸透鏡基礎測焦法

1.5凹透鏡成像

1.5.1快速測量凹透鏡的焦距

1.5.2 凹透鏡成實像的研究

1.5.3凹透鏡成虛像的研究

1.6球面鏡成像及焦距測量

1.6.1世面鏡成像

1.6.2 凸面鏡成像

1.7 諾莫圖法小結

1.8天文望遠鏡的研究

1.8.1望遠鏡工作原理

1.8.2 實驗方案

1.8.3天文望遠鏡的初步研究

1.8.4出射光瞳

第2章消色差透鏡組及焦距的精確測量

2.1 實驗目的與主要實驗器材

2.1.1 實驗目的

2.1.2 主要實驗器材

2.2自準直望遠鏡

2.2.1自準直望遠鏡的組成

2.2.2將自準直望遠鏡調焦至無窮遠

2.2.3 光路分析

2.3 平行光管

2.3.1平行光管的結構

2.3.2 平行光管的調整

2.4測距顯微鏡

2.4.1測距易微鏡的結構

2.4.2測距顯微鏡的調整

2.4.3測距顯微鏡前距D的測量

2.4.4測距顯微鏡可聚焦區間

2.5焦距的精確測量:CORNU法

2.5.1測量原理

2.5.2 單個透鏡焦距的測量

2.5.3惠更斯雙透鏡組的研究

2.5.4消色差透鏡組焦距

2.5.5資鏡組的光路示意圖

2.5.6惠更斯透鏡組的消色差特性

2.6 光學微鏡放大率測量(探究實驗)

2.6.1 光學易微鏡結構

2.6.2 光學顯微鏡工作原理

2.6.3實驗器材

2.6.4實驗任務

第3章分光計的使用和柯西色散公式

3.1實驗目的與主要實驗器材

3.1.1 實驗目的

3.1.2 主要實驗器材

3.2分光計的基本結構與調節

3.2.1分光計基本結構

3.2.2自準直望遠鏡的結構與調節方法

3.2.3平行光管的結構與調節方法

3.2.4載物臺的調節

3.3用兩種方法測景三稜鏡頂角

3.3.1遊標讀數

3.3.2自準直法測量三稜鏡頂角

3.3.3反射法測量三稜鏡頂角

3.3.4 結果分析

3.4研究偏向角與人射角的關繫

3.4.1確定偏向角參考位置

3.4.2測景人射角和偏向角(方法一)

3.4.3測量人時角和偏向角(方法二)

3.5用小偏向角法研究三稜鏡的折射率與波長的關繫(柯西色散公式)

3.5.1小偏向角測量

3.5.2驗證柯西色散公式

第4章光柵和稜鏡光譜儀的搭建及應用

4.1實驗目的與主要實驗器材

4.1.1實驗目的

4.1.2主要實驗器材

4.2稜鏡光譜儀的搭建與應用

4.2.1 預調節

4.2.2 測微輔助平行光管

4.2.3稜鏡光譜儀的搭建和標定

4.2.4鈉燈光譜的測量

4.3 光柵光譜儀的搭建與應用

4.3.1 理論回顧.

4.3.2 預調節

4.3.3用小偏向角法確定光柵常數

4.3.4光柵光譜儀的搭建和標定

4.3.5鈉燈光譜的測量

4.3.6光柵光譜儀的分辨能力

4.3.7觀察節能燈的光譜

4.4利用白光干涉法測量透明薄膜的厚度(探究實驗)

4.4.1透明薄膜的白光干涉

4.4.2利用搭建的光譜儀觀察條帶狀干涉譜線

4.4.3計算待測薄膜的光學厚度

4.4.4 誤差分析

第5章光的干涉和衍射及光盤參數測量

5.1實驗目的與主要實驗器材

5.1.1實驗目的

5.1.2 主要實驗器材

5.1.3 CCD相機及配套軟件

5.2 彈論回顧

5.2.1 光的波動特性

5.2.2 相干光源

5.3夫瑯禾費衍射

5.3.1圓孔衍射

5.3.2單縫衍射

5.3.3矩形孔衍射

5.4楊氏雙孔及雙縫干涉

5.4.1雙孔干涉

5.4.2雙縫干涉

5.4.3自光照時楊氏雙縫

5.5濾光片中心波長測量

5.6光盤參數測量

5.7手機顯示屏的研究(探究實驗)

第6章光的偏振及雲母片快慢軸的測定

6.1實驗目的與主要實驗器材

6.1.1實驗目的

6.1.2主要實驗器材

6.2理論回顧

6.2.1 偏振光

6.2.2二向色性與偏振片

6.3光的線偏振

6.3.1用起偏器產生線偏振光

6.3.2布儒斯特(BREWSTER)實驗

6.3.3 偏振片的應用

6.3.4馬呂斯(MALUS)定律

6.4 波 片

6.4.1晶體的雙折射

6.4.2 半波片

6.4.3四分之一波片

6.5 圓偏振光的產生和分析

6.5.1 圓偏振光的檢測

6.5.2 圓偏振光的分析

6.6 橢圓偏振光的產生和分析

6.7 3D電影與3D觀影眼鏡

6.7.1 3D觀影眼鏡結構

6.7.2 3D觀影原理分析

6.8利用白光干涉譜法判定波片的快軸和慢軸(探究實驗)

6.8.1 雙折射品體的白光干涉譜

6.8.2 雲母片快軸和慢軸的判定

6.9 散射偏振

6.9.1瑞利散射和米氏散射

6.9.2 藍天和落日的實驗模擬

第7章邁克爾遜干涉儀的調整及白光干涉觀察

7.1 實驗目的與主要實驗器材

7.1.1 實驗目的

7.1.2 主要實驗器材

7.2 邁克爾遜干涉儀

7.2.1 工作原理

7.2.2 主要結構

7.2.3 基本調節機構

7.3 邁克爾遜干涉儀的調整

7.3.1預調

7.3.2粗調

7.3.3細調

7.4 鈉燈的干涉現像觀察

7.4.1 鈉燈等傾干涉

7.4.2 鈉燈等厚干涉

7.5 白光干涉現像觀察(拓展性實驗)

7.6 邁克爾遜干涉儀的初步應用

7.6.1測量蓋玻片的厚度

7.6.2測量蓋玻片的楔角

第8章傅裡葉變換光譜儀和光譜測量

8.1 實驗目的與主要實驗器材

8.1.1 實驗目的

8.1.2主要實驗器材

8.1.3實驗前準備工作

8.1.4實驗報告要求

8.2 動鏡移動速度測景

8.2.1激光的等傾干涉

8.2.2測量動鏡的移動速度

8.3 干涉濾光片的特性研究

8.3.1邁克爾遜干涉儀的傅裡葉變換原理

8.3.2準單色光

8.3.3 實驗研究

8.4 汞燈雙黃光譜特性研究

8.4.1雙譜線光干涉

8.4.2獲取並觀察汞燈雙黃光譜干涉圖

8.4.3汞燈雙黃光譜干涉圖分析

參考文獻

法國高等教育機構主要有兩大類，即面向大眾開放的綜合性大學和需要經過嚴格入學選撥考試纔能進入的高等專業學校即大學校（Grande Ecole）。大多數法國大學校的培養目標是高級工程技術人員以及具有商務管理能力的企業領導人。這類學校教學嚴謹，在社會上享有很高聲譽，同時對學生的理科基礎知識要求也很嚴格，入學前必須經過兩年的預科（等同於我國大學一二年級）學習，目的是讓學生打下扎實的理科知識基礎，之後還必須經過嚴格的選撥考試，以確保入選的學生初步具備接受精英教育的良好知識基礎和文化素質。

本教材是與預科物理課程群中光學理論課程關聯的實驗課，涵蓋了幾何光學和波動光學方面的知識。為滿足實驗課程獨立開設的需求，在中文版的編寫過程中，適當增加了一些關聯的知識和背景介紹。根據實驗課程教學特點，以專題形式編排實驗內容。每個專題包含多個（知識）由淺入深、（操作）由易到難、（繫統性或應用性）由簡單到復雜，關聯度很高的繫列實驗項目。通過觀察實驗現像，獲得客觀真實的實驗數據或特征，再對數據或特征進行分析以解釋物理現像，從而幫助學生形成物理世界觀。

全書共8章。第1章“薄透鏡和球面鏡焦距測量及諾莫圖法應用”，從實像到虛像、實物到虛物，從定性到半定量、定量測量薄透鏡和球面鏡焦距，介紹了基礎物理實驗中焦距的基本測量理念和方法，後根據光經過器件後的發散或彙聚特征，以諾莫圖法對各類薄透鏡和球面鏡的成像特點進行歸納總結，並以天文望遠鏡的研究作為應用拓展實驗。第2章介紹了色差和消色差透鏡組，並通過物像關繫分析和位置的精確測量，得到透鏡組的焦距，後以光學顯微鏡放大率測量作為探究性實驗。第3章介紹了分光計的基本調整方法，並用小偏向角法研究三稜鏡的折射率與波長的關繫以驗證柯西公式。第4章要求搭建並標定稜鏡光譜儀和光柵光譜儀，並以此測定汞燈、節能燈的譜線；此章的探究實驗是利用白光干涉法測量透明薄膜的厚度。第5章觀察光的干涉、衍射現像，用CCD相機測量濾光片中心波長和光盤的特性參數，並以手機顯示屏分辨率測量作為探究性實驗。第6章研究光的偏振特性，觀察瑞利散射和米氏散射現像，分析3D觀影眼鏡的結構，並以利用白光干涉譜法判定波片的快軸和慢軸作為探究性實驗。第7章介紹邁克耳遜干涉儀的基本結構和調整方法，觀察白光干涉現像。第8章要求搭建傅裡葉變換光譜儀，並以此分析白光的光譜特性，測量濾光片的中心波長和帶寬。其他高校采用本教材時，可以根據專業培養目標，結合課時和基於“兩性一度”的定位，為學生開設其中的部分實驗；而對於教師，則建議掌握本教材的全部實驗內容，以便根據需要靈活編排實驗項目。

本教材的編寫思路是通過基礎性實驗鞏固知識，培養光學實驗基本技能；通過拓展性實驗，培養歸納分析、建模和驗證模型以及利用模型進行實驗現像預測的能力；通過設計性實驗，培養學生在限定條件下，基於理論和實驗模型設計實驗、完成實驗並對結果進行有效性和局限性分析的能力；應用性探究實驗則培養學生基於教材中給出的需求建立模型、構建實驗，並通過比較模型、實驗結果與需求之間差異，修正模型、改進設計以逼近實際需求的能力。實驗中學生需要綜合運用各種知識和技能，包括數學、計算、實驗和實踐技能。

與國內同類教材相比，本教材在拓展性、綜合性以及數學與物理實驗的緊密結合等方面具有鮮明特色。數學工具在建模和實驗現像分析、實驗結果預測等方面的普遍應用，有利於學生繫統思維能力的培養；在應用性實驗中，強調物理思想，融入工程技術的方法，定性、半定量和定量分析相結合的實驗手段，現像-仿真-實驗結果之間差異分析和修正，對於工程能力的啟蒙、提升技術水平和實驗技能具有重要作用，為物理實驗與工程創新所需的技能之間構建了橋梁，也從某些側面讓學生了解到物理科學對現代技術的支撐作用，使STEM教育理念在實驗教學中得到具體的體現。

還需要強調的是，很多實驗專題中都設有討論題或討論環節，主要目的是培養學生批判性思維和學術交流能力。根據觀察到的實驗現像、得到的實驗數據，學生應在批判性地解釋這些數據和現像基礎上，得到基於實驗結果支持的結論；根據實驗課堂的組織形式，通過書面和口頭形式，陳述結果、推論或自己的觀點。

本教材編寫過程中，先由徐平、安煒、王崢、劉佳基於法文版和英文版講義，對內容進行了補充、修訂和完善；根據教學需要，安煒擴充了第二章的探究實驗內容，王崢對第五章內容進行了優化，安煒、王崢和徐平對第八章內容進行了重新整理，後由徐平完成統稿。講義的編寫也曾得到中法工程師學院2005級學生郭天鵬、李皓岩同學的幫助，在此表示感謝。

感謝中國科學技術大學張增明教授對全書的審閱並提出寶貴的修改意見。

盡管我們做了很大的努力，但由於學識和水平的限制，仍可能存在缺陷甚至錯誤，敬請讀者和專家批評指正。

編者

於北京航空航天大學中法工程師學院

2022年3月