演示物理实验讲义
淮阴师范学院物理系
2008年6月
目 录
实验一 直升飞机演示角动量守恒............................................................................1 实验二 角动量守恒原理............................................................................................3 实验三 伯努力原理....................................................................................................5 实验四 傅科摆............................................................................................................8 实验五 弹簧纵驻波..................................................................................................11 实验六 弦驻波..........................................................................................................13 实验七 共振演示......................................................................................................15 实验八 昆特管..........................................................................................................17 实验九 耦合摆..........................................................................................................19 实验十 静电高压发生装置......................................................................................21 实验十一 大型法拉第笼..........................................................................................23 实验十二 模拟高压带电作业..................................................................................26 实验十三 静电系列实验..........................................................................................28 实验十四 跳环演示楞次定律..................................................................................32 实验十五 霍尔元件测亥姆霍磁线圈的磁场.................................................................34 实验十六 居里点演示仪..........................................................................................36 实验十七 互感演示仪..............................................................................................38 实验十八 三维电子在磁场中的偏转......................................................................41 实验十九 汤姆逊电磁铁..........................................................................................43 实验二十 手触电池..................................................................................................45 实验二十一 迈克尔逊干涉仪..................................................................................47 实验二十二 组合干涉仪..........................................................................................50 实验二十三 光纤干涉与温度传感..........................................................................54 实验二十四 偏振光干涉..........................................................................................57 实验二十五 双棱镜干涉测光波波长......................................................................59 实验二十六 皂膜......................................................................................................61 实验二十七 光的衍射..............................................................................................64 实验二十八 玻璃堆起偏与检偏..............................................................................66 实验二十九 光的偏振..............................................................................................68 实验三十 旋光色散..................................................................................................71 实验三十一 海市蜃景..............................................................................................73 实验三十二 几何光学系列实验..............................................................................75 实验三十三 液晶的电光效应..................................................................................79 实验三十四 磁致旋光效应......................................................................................82
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实验一 直升飞机演示角动量守恒
一、实验目的
掌握和理解角动量守恒原理，了解直升机尾翼的作用。 二、仪器装置
三、实验原理
根据刚体的角动量守恒定律可知，绕定轴转动的刚体，当对转轴的合外力矩为零时，刚体对转轴的角动量守恒。由几个刚体组成一个定轴转动系统，只要整个系统所受合外力对轴的力矩矢量和为零，系统的总角动量也守恒。
对机身、螺旋桨和尾桨构成的直升机转动系统来说，系统不受到对转轴的合外力矩，由定轴转动的角动量守恒定律可知，直升飞机系统对竖直轴的角动量应保持不变。
本实验利用直升飞机模型演示了角动量守恒定律和角动量定理。当通电使机身上面的螺旋浆旋转时，螺旋浆便对竖直轴产生了角动量，根据角动量守恒定律，
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机身必须向反方向转动，使其对竖直轴的角动量与螺旋浆产生的角动量等值反向，以保持系统的总角动量不变。开动尾翼时，尾翼推动大气产生补偿力矩，根据角动量定理，该力矩能够克服机身的反转，使机身保持不动。 四、实验内容及实验步骤
1.打开位于电源箱后方的电源开关。
2.扳下机身螺旋桨控制按钮，观察到机身和螺旋桨沿着相反的方向旋转起来；加大（或减小）螺旋桨转速，机身的转速也将随之加大（或减小）。
3.再扳下尾翼螺旋桨控制按钮，（注意开关的方向与机身螺旋浆控制开关的方向应一致），尾翼螺旋桨旋转，机身转速变慢；调整尾翼螺旋桨转速，直至机身不再旋转。
4.关闭尾翼螺旋桨控制按钮，改变机身螺旋桨控制开关的方向，使其反转，机身旋转的方向也随之反向。
5.再次按下尾翼螺旋桨控制按钮，（注意其开关的方向也反向），调整尾翼螺旋桨转速，直至机身不再旋转。
6.关闭尾翼螺旋桨按钮，将机身螺旋桨的转速降到最低，关闭控制按钮。 7.关闭仪器电源。 五、仪器操作注意事项
1、 两个控制开关的方向一定要一致，否则不但不能使机身平衡，反而会使机身越转越快。
2、 实验过程中切勿触碰飞机模型，以免损坏。
3、 螺旋桨的速度不要过大，否则尾翼的力矩将不能平衡机身的转动。
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实验二 角动量守恒原理
一、实验目的
观察物体的角动量守恒现象，理解角动量守恒原理，理解转动惯量概念。 二、仪器装置
三、实验原理
根据刚体的角动量守恒定律可知，绕定轴转动的刚体，当对转轴的合外力矩为零时，刚体对转轴的角动量守恒。由几个刚体组成一个定轴转动系统，只要整个系统所受合外力对轴的力矩矢量和为零，系统的总角动量也守恒。
角动量守恒转台实验中，实验者手持转轮站在转台上，人、转轮和转台构成的转动系统，并且这个系统不受到对转轴的外力矩，因此系统对转轴的角动量守恒。开始时系统静止，角动量为零。让转轮转起来便产生了对转轴的角动量，从而人与转台必须向反方向转动，使其产生对转轴的反方向角动量，以保持该系统
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上图：角动量守恒转台左图：茹可夫斯基凳
的总角动量仍然为零。当实验者将转动的转轮翻转，为了保持系统的总角动量为零，人与转台的转动方向也要同时反转。
茹可夫斯基凳实验中，因为人的双臂并不产生对转轴的外力矩，忽略转轴的摩擦，系统的角动量应保持守恒，人和凳的转速随着人手臂的伸缩而改变。当人手伸开时，系统的转动惯量增大，从而人和凳的转速减小；当人手合拢时，系统的转动惯量减小，从而人和凳的转速增大 四、实验内容和实验步骤
1、实验者手握转轮站在转台上，拨动转轮,使转轮转动起来；
2、将转轮举过头顶并使之处于水平转动的状态，观察到人与转台沿着与转轮相反的方向转动；
3、将举轮的手臂下垂，仍使转轮处于水平转动的状态，只是改变了转轮的转动方向，观察到人与转台也改变了转动的方向；
4、重复上述操作。
5、操作者手持哑铃坐在凳上，将哑铃收在胸前，另一个人将操作者推转，速度尽量快；
6、操作者迅速将哑铃水平伸开，人与凳子的转速明显变慢； 7、操作者再迅速将哑铃水平收回到胸前，人与凳子的转速明显变慢； 8、重复上述操作5、6、7。
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实验三 伯努力原理
一、实验目的
定性观察流体的伯努力原理的实例，理解伯努力原理，了解伯努力原理的应用，了解飞机机翼的设计原理。 二、仪器装置
上图：飞机升力 左图：伯努力悬浮球
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三、实验原理
1726年，伯努利通过多次实验，发现了“边界层表面效应”：流体速度加快时，物体与流体接触的界面上的压力会减小，反之压力会增加。为纪念这位科学家的贡献，这一发现被称为“伯努利效应”，也称伯努利原理。伯努利效应适用于包括气体在内的一切流体，是流体作稳定流动时的基本现象之一，反映出流体的压强与流速的关系：在同一流线上，流体的流速越大，压强越小；流体的流速越小，压强越大；当流体的速度增大时，其压力则减小；当流体的速度减小时，其压力则增大。
根据伯努利原理，伯努利悬浮球实验中由喇叭向外喷出的高速气流在气球中心处被分散开，是滑过气球的边侧的。由喇叭向外喷出的高速气流使气球顶部的空气因流速大而压强变小；气球的下部，由于空气流速小，压强变大，气球顶部和底部的压强差造成了对气球向上的推力，从而使得气球能浮起来。
一般翼型的前端圆钝、后端尖锐，上表面拱起、下表面较平，呈鱼侧形。当气流迎面流过机翼时，流线分布情况如图。原来是一股气流，由于机翼的插入，被分成上下两股。通过机翼后，在后缘又重合成一股。由于机翼上表面拱起，使上方的那股气流的通道变窄，流速加快。根据伯努利原理可以得知：流速大的地方压强小。机翼上方的压强比机翼下方的压强小，也就是说，机翼下表面受到向上的压力比机翼上表面受到向下的压力要大，这个压力差就是机翼产生的升力。
飞机机翼上下表面的流线
四、实验内容及实验步骤
1、打开伯努利悬浮球演示仪箱体上的电源开关，用手感觉一下喇叭向外喷出的气流。
2、托起气球靠近喇叭中心，至某一位置时气球被吸住。 3、关闭电源，气球落下。
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4、打开飞机升力演示仪箱体上的电源开关，用手感受一下出风口处的气流； 5、把手移开，观察到小球从管内升起； 6、用手挡住出风口，小球立即从管内下落； 7、重复操作5、6，观察小球在管内的起落。 8、实验结束，关闭电源。
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实验四 傅科摆
一、实验目的
观察傅科摆的偏转现象，了解科里奥利力，理解傅科摆摆面的偏转的原因，了解地球自转的影响。 二、仪器装置
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三、实验原理
傅科摆是法国物理学家傅科（J.B.L.Foucault）1851年在巴黎万神殿的圆拱屋顶上悬挂一个长约67米的大单摆，发现在摆的过程中，摆动平面不断作顺时针方向的偏转，从而证明地球是在不断自转。
图1 角速度与转动方向的关系
图2科里奥利力
Z轴
K
地球自西向东旋转，其角速度ω的方向沿地轴指向北极（Z轴，如图1所示）。
K
，那么该物体所受的科里处于北半球某点的运动物体速度v方向（如图2所示）
奥利力的表达式为：
KKK
这个平面是由v和ω的方向所组成的科里奥利力fc的方向垂直于一个平面，
KKK
平面，所以fc垂直于v, 使v发生偏转。
北半球傅科摆摆动平面的旋转轨迹
傅科的演示直接证明了地球自西向东的自转。在地球的两极，傅科摆的摆动
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KKKfc=2mv×ω
平面24小时转一圈，而在赤道上，傅科摆没有方向旋转的现象；在两极与赤道之间的区域，傅科摆方向的旋转速度介于两者之间。傅科摆在地球的不同地点旋转的速度不同，说明了地球表面不同地点的线速度不同，因此，傅科摆还可以用于确定摆所处的纬度。 四、实验内容
1、将单摆拉开一定角度（不超过底盘限定的范围），使其在竖直面内摆动。 2、调节底盘上的定标尺，使其方向与单摆的摆动方向一致。
3、经过一段时间（大约1－2小时），观察单摆的摆动面与定标尺方向的夹角（大约10－20度）。
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实验五 弹簧纵驻波
一、实验目的
观察弹簧纵驻波现象，观测驻波波腹波节，理解驻波形成条件，掌握频率与波长关系公式。 二、仪器装置
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三、实验原理
根据波动理论，频率、振动方向及振幅都相同的两列简谐波，在同一直线上沿相反方向传播时叠加形成驻波。驻波中既没有相位的空间移动，也没有能量的定向传播，各点均在自己的平衡位置附近作简谐振动，故称驻波。振幅最大处为波腹，振幅为零处为波节；波节波腹位置是固定的，相邻两波节或波腹间的距离都是半个波长。两波节之间各振动相位相同；波节两侧各振动相位相反。驻波能量只能在波节与波腹间来回传播。
弹簧上的纵波在对应的固定端被反射，本实验中调节电源频率，当满足一定的频率条件，反射波与入射波可叠加形成驻波。本实验观察到的是纵驻波，驻波形成时，波节处弹簧保持不动，波腹处沿弹簧方向有最大的振幅，适当增大电压，现象更为显著。改变电源频率，可以观察到不同波长的驻波；如果频率增高驻波波长将变短，反之频率降低则波长变长。 四、实验内容与操作步骤
1、将装置放在有白墙作衬底的环境下；
2、打开电源，适当增大电压（电压不宜太高）使弹簧发生振动； 3、缓慢调节频率，直到弹簧上呈现明显的波腹和波结，即形成纵驻波； 此时再适当增大电压，现象更为显著；
4、缓慢改变频率，直到再次出现明显的波腹和波结；如果频率增高波长将变短，频率降低则波长变长；
5、结束实验，将频率和电压调至最低，关闭电源。
五、仪器操作注意事项
1、开机前，先将电压调节旋钮逆时针减到最小，预防开机后电压过大而造成的弹簧振动过大；
2、调节频率时，注意观察电压值，并配合调节，避免弹簧振动过大或过小而影响实验效果。
3、注意电压每次调节一般不要超过0.5V。
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实验六 弦驻波
一、实验目的
观察弦驻波，了解半波反射，理解驻波形成条件及驻波特点，定性了解驻波波长与入射波长及弦张力的关系。 二、仪器装置
三、实验原理
频率、振动方向及振幅都相同的两列简谐波，在同一直线上沿相反方向传播时叠加形成驻波。驻波中既没有相位的空间移动，也没有能量的定向传播，各点均在自己的平衡位置附近作简谐振动。振幅最大处为波腹，振幅为零处为波节；波节波腹位置是固定的。两波节之间各振动相位相同；波节两侧各振动相位相反。
实验时，通常利用端面或端点的反射波与入射波叠加来形成驻波。在两端都为固定端的情况下，只有满足弦的长度等于驻波半波长的整数倍时，才可形成驻波。通过改变入射波长（改变信号源的频率），或改变波速（改变弦的张力），都可以形成不同波长的驻波。 四、实验内容和实验步骤
1、首先将信号源控制振幅电压输出调至最低，打开电源。
2、适当增大电压至弦平稳振动，然后调节频率旋钮，直到出现弦驻波。 3、多次改变频率，观察不同的弦驻波（注意波腹与波节数目）。
4、将频率固定，调节另一端的滑轮手柄，改变弦线的张力，也可以改变波
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腹与波节的数目。
5、实验结束，关闭电源。 五、仪器操作注意事项
1、实验中输出电压不要太高,每次变化不能太大； 2、改变弦线的张力时，务必注意用力不能过大。
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实验七 共振演示
一、实验目的
观察机械共振现象，理解共振条件，了解共振的危害。 二、仪器装置
三、实验原理
振动系统在周期性外力的作用下所发生的振动称为受迫振动，这个周期性外力称为驱动力。根据机械振动理论，当驱动力频率ω和振动系统固有频率ω0满
2
足关系ω=ω0−2β2时，受迫振动的位移振幅达到最大，称为位移共振。阻尼
β越小，共振频率越接近固有频率ω0，位移振幅就越大。
机械共振演示系统演示了位移共振现象。系统的驱动力由振源带动载物台振动加到振子上，台上的振子作受迫振动。当振源频率与台面上某物体的固有频率相接近时，可观察到该物体发生共振的现象，其振动位移非常明显。
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共振的位移振幅与驱动力频率的关系
四、实验内容与实验步骤
1、接好电源线和信号线。
2、开机前，先将频率调节旋钮和电压调节旋钮逆时针调到最小。 3、开机后，逐渐加大频率，同时逐渐增大电压，可观察到信号源频率与台面上某物体的固有频率相接近时，该物体发生共振的现象。
4、反复操作步骤3，进行观察。
5、实验完毕，将频率调节旋钮和电压调节旋钮调回最小，关闭电源。 五、仪器操作注意事项
1、不同振子共振时所需的信号源电压不同，调节频率时要配合适当调节电压。
2、信号源电压一定要从小到大缓慢调节，出现共振现象即可，电压切勿过大。
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实验八 昆特管
一、实验目的
通过昆特管观测驻波，了解半波反射，定性观测驻波波腹波节，学习利用昆特管测量空气中波速。 二、仪器装置
三、实验原理
振源发出的声波(纵波)在昆特管的空气中传播,经反射端反射形成反射波。当波长与管长满足一定的条件时,反射波与入射波叠加就会形成驻波，驻波的振动会激发煤油的振动。
在驻波中，波节点始终保持静止，波腹点的振幅为最大，其它各点以不同的振幅振动。因此，驻波的波腹处，压强最小,因此煤油被激起，形成浪花，此处液体振动最激烈；而波节点处煤油则保持静止。通过调节昆特管振源的频率，可以在管内形成不同频率（模式）的驻波，从而在管内形成不同形式的浪花。
由于波速=频率*波长，根据波长和频率可以测出昆特管中的波速。相邻波腹(或波节)间的距离为半个波长。反射端由于半波损失,形成波节,波节到波腹的距离为1/4波长。 四、实验内容与实验步骤
1、将信号源电压输出旋钮逆时针旋转,使电压调至最低，打开信号源。 2、将信号频率调至某一参考值(标在仪器上)附近，逐步加大信号源输出电
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压，再调节频率微调旋钮直至管内出现明显的片状浪花,即在管内形成了稳定的驻波.（若水花不够大可适当增大电压值）。
3、改变信号源频率，重复上述操作，观察管内出现的相邻浪花的间距,特别注意昆特管的反射端到第一个浪花的距离是其它浪花间距离的一半。 五、仪器操作注意事项
1、每次改变频率之前先降低输出电压，调好频率后再增大电压，以免声音太大。
2、仪器上标出的可形成驻波的频率是参考值，实验时要在该值附近认真调节。参考值大约都在180赫兹、280赫兹、360赫兹、420赫兹左右。
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实验九 耦合摆
一、实验目的
观察不同耦合长度对振动系统的影响和规律，并从中观察“拍”的现象；学会验证耦合长度的平方分别与支频率的平方和反相振动简正频率的平方成线形关系；测定单摆的固有圆频率和耦合摆的简正频率。 二、仪器装置
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三、实验原理
两个完全相同的单摆，用一条很轻的弹簧联结起来，这种系统称为耦合摆。耦合摆的振荡与两个单摆的初相位有关：两个单摆同相(相位差为0)或反相(相位差为π)时，这种情况下耦合摆的振荡是稳定的；而对于初相位差不为0或π的耦合摆，耦合摆的振荡是不稳定振荡，两个单摆将不断交换能量，来回振荡，当两个单摆的振动周期相差很小时，耦合摆的振荡将出现拍的现象。
耦合摆实验可以观测弹簧传递能量的过程和拍的现象，可以定量测量同相位、反相位振动以及简正振动和拍频等物理参数。改变耦合弹簧在单摆上的位置，就可以改变系统的耦合度，可以明显观察到耦合度大小对振动系统的影响和规律。 四、实验内容
1、不加耦合弹簧，调整两个单摆的固有圆频率相等 。 2、测量耦合摆的支频率。 3、测定耦合摆同相简正频率 4、测定耦合摆反相简正频率
5、用作图法验证耦合长度的平方分别与支频率的平方和反相振动简正频率的平方成线形关系。
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实验十 静电高压发生装置
一、实验目的
了解静电发生器的原理和结构，理解同种电荷带电的性质和等电势的概念。 二、仪器装置
1、绝缘站台；2、金属球；3、装置主体（内含高压静电起电机）；
4、控制台；5、放电杆（接地）
三、实验原理
根据导体的静电特性，导体内部没有净电荷，电荷只能分布在导体的外表面上。大型静电高压演示装置（实际内部为范德格拉夫静电起电机）由5-10万伏的高压直流电源通过放电针尖端放电把电荷转移给传送带（由橡胶或丝织物制成），由电动机拖动传送带，传送带把电荷传送到金属球内部后，由金属球内部的集电针收集电荷输送到金属球的外表面上，从而使得球体外表面带上高压静电。
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实验中按照严格的操作步骤使静电高压演示装置正常工作后，当实验者与电高压的球体接触后，人体与球体构成等势体，同时人体上带有大量的静电电荷，较柔软的头发丝由于带有同种电荷而相互排斥而分开，从而形成“怒发冲冠”的效果。
四、实验内容及实验步骤
1、实验开始用放电杆对金属球放电；
2、放电后请一位观众站在绝缘台上，用一只手接触金属球； 3、打开仪器控制台总开关，仪器通电，开始正常工作； 4、按下“干燥”按钮，对仪器进行干燥；
5、按下“合闸”按钮，然后旋转电压控制旋钮将电压升至150-200KV，观察表演效果；
6、旋转电压控制旋钮，降压至零位，按下“分闸”按钮，关闭仪器控制台总开关，关闭仪器电源；
7、表演结束，请绝缘台上观众走下绝缘台，并两脚同时落地； 8、用放电杆对金属球放电。
五、仪器操作注意事项
1、实验开始务必用放电杆对金属球放电；
2、实验过程中，表演者的手切记不要离开金属球；如果离开，则切记不要再重新接触金属球；
3、旁观观众不要离仪器过近（应保持2米以上距离），不要用手指或金属物体指点金属球；
4、实验结束后，务必用放电杆对金属球放电，并将仪器降压至零位后关闭控制台总电源；
5、用放电杆对金属球放电时放电杆应缓慢地靠近金属球；
6、如果在实验过程中出现意外，操作人员应立刻切断实验室总电源。
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实验十一 大型法拉第笼
一、实验目的
深入理解等势体的概念，理解等势体内部和外部电场、电势的特点，了解静电屏蔽的原理，观察电弧放电现象。 二、仪器装置
1、法拉第笼笼体；2、变压器；3、水阻；4、控制台；5、放电竿（接地）
三、实验原理
法拉第笼是以电磁学的奠基人、英国物理学家迈克尔·法拉第的姓氏命名的一种用于演示等电位、静电屏蔽和高压带电作业原理的设备。它是由金属笼体、高压电源、控制部分组成，其笼体与大地连通。
表演时先请几位观众进入笼体后关闭笼门，操作员接通电源，高压电源通过限流电阻将直流高压输送给笼体，将放电杆靠近笼体时，出现放电火花，这时即使笼内人员将手贴在笼壁上，使放电杆向手指放电，笼内人员也不会触电，这是
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因为根据接地导体静电平衡的条件，金属笼体是一个等位体，内部电位为零，电场为零，电荷分布在接近放电杆的金属笼体外表面上，放电电流是通过金属笼体外的放电杆传入大地，笼内人员身体并不存在电位差，没有电流通过，所以没有触电的感觉。
高压带电作业操作员的防护服就是用金属丝制成，接触高压线时形成等电位，人体不通过电流，起到保护作用。外壳接地的法拉第笼可以有效地隔绝笼体内外的电场和电磁波干扰，这叫做“静电屏蔽”。许多仪器设备采用接地的金属外壳可有效地避免壳体内外电场的干扰。 四、实验内容及实验步骤
1、实验开始前，用放电杆对法拉第笼放电； 2、放电后请一位观众进入法拉第笼，并关好笼门；
3、打开仪器控制台总电源开关，按下“合闸”按钮，然后按住“升压”按钮，升压至120KV；
4、将放电杆慢慢接近法拉第笼，观察笼体与放电杆之间的电弧； 5、按住“降压”按钮，降压至零位，按下“分闸”按钮，关闭仪器控制台总开关，关闭仪器电源；
6、用放电杆接触法拉第笼一分钟后，打开笼门，表演者走出笼体； 7、用放电杆对法拉第笼放电。 五、仪器操作注意事项
1、表演者进入法拉第笼前后，务必用放电杆对法拉第笼放电；
2、仪器开始工作后，其他人员禁止进入防护区，观众必须站在隔离装置外安全位置（离仪器应保持2米以上距离）；
3、为保护仪器的使用寿命，升压最大不要超过160KV；
4、用放电杆对拉第笼放电或观察电弧时，放电杆应缓慢地靠近拉第笼； 5、实验结束后，务必用放电杆对金属球放电，并将仪器降压至零位后关闭控制台总电源；
6、要定期检查接地电阻（小于5Ω）、高压水阻（有效范围40-60KΩ）、接地水阻阻值（有效范围1-3KΩ）；如果水阻阻值变化较大，应及时更换水、盐；
7、连续两次表演之间时间间隔不得小于10分钟；第二次表演之前应测量水
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阻阻值，如阻值无变化，可正常使用；
8、如果在实验过程中出现意外，操作人员应立刻切断实验室总电源。
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实验十二 模拟高压带电作业
一、实验目的
理解高压带电作业的原理，理解等电势的概念，体验在1.5万伏的高压下进行高压带电作业的感受 二、仪器装置
1、电塔模型；2、静电电源；3、高压输电线（铜导线）；
4、导线挂钩；5、绝缘铝凳
三、实验原理
对人体造成的威胁并不是由于电势高造成的，而是电势梯度大造成的。为了能在不断电的条件下检修和维护高压线路，根据等电势高压带电作业方法，作业人员必须穿戴金属均压服（包括衣、帽、手套、和鞋）等，用绝缘软梯通过瓷瓶
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串逐渐进入强电场区，当手与高压线直接接触时，在手套和电压线之间发生火花放电后，人和高压线就等电势了，从而就可进行操作了。
本实验根据等电势高压带电作业的方法模拟高压带电作业。实验中操作人员站在与地良好绝缘的金属铜板上，将与金属板良好连接金属钩快速挂在裸露的高压输电铜线上，使金属铜板与高压输电铜线等势。此时站在铜板上的人与高压输电铜线等势，其间没有电势梯度，操作人员可以任意触摸高压输电线，进行等电势高压带电作业而没有任何危险。 四、实验内容及实验步骤
1、将高压电塔模型上的高压输电线与静电高压电源相连接； 2、打开静电高压电源开关，仪器通电，正常工作；
3、表演者赤脚站在高压绝缘凳的铝板上，将与绝缘凳上铝板连接的导线挂钩挂在高压输电线上，然后表演者可以随意接触高压线，进行不停电检修操作；
4、演示完毕后，先将连在铝板上的导线挂钩从高压线上摘下，然后从凳上走下来；
5、关闭静电高压电源。 六、仪器操作注意事项
1、实验过程中表演者必须赤脚站在高压绝缘凳的铝板上，以保证人体与高压电线等电位；
2、实验过程中表演者接触高压线之前，务必先将与绝缘凳上铝板连接的导线挂钩挂在高压输电线上；
3、实验过程中表演者切记不可接触与地相连的导体；
4、实验完毕后，注意切不可从凳上直接下来，必须先将连在铝板上的导线挂钩从高压线上摘下，然后才能从凳上走下来；
5、如实验过程中出现意外，操作人员应立刻切断实验室总电源。
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实验十三 静电系列实验
一、实验目的
观察、理解带电平板间电场分布；观察不规则带电导体周围电场分布，理解导体表面电场与电荷面密度间关系；观察静电感应现象和尖端放电现象；对静电的基本概念、原理和特点进行深入理解。 二、仪器装置
图1 静电跳球 图2 静电摆球
图3 平行板电场分布 图4 静电风轮（尖端放电）
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图5 静电滚筒（尖端放电） 图6 电风吹烛（尖端放电）
图7 避雷针原理（尖端放电）
三、实验原理
1、带电平行板间电场分布
平行板在高压电源的作用下，将产生平行电场，电场方向垂直于两平行板，丝线在电场作用下极化，极化电荷受平行板间电场的电场力作用，沿电场方向排列，显示出平行带电板电场的分布。如果平行板中某侧的丝线较长，碰到另一侧的平行板，丝线上的电荷将被中和并带上相反的电荷，丝线又会被本侧的平行板
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吸附，丝线上的电荷再次被中和，因此部分丝线会出现在两平行板之间间歇地跳动。
2、异型导体周围电场分布
导体带电后在周围空间产生静电场，静电平衡时，导体上的电荷分布及周围电场的分布均与导体的形状有关。孤立导体带电后的电荷分布与曲率半径有关：曲率半径小（导体表面较尖锐处），电荷面密度大，导体表面附近的电场强度较大；曲率半径大（导体表面较平滑处），电荷面密度小，导体表面附近的电场强度较小；曲率半径为负值（导体表面向内凹陷处），电荷面密度最小，该处导体表面附近的电场强度最小。孤立导体带电达到静电平衡，整个导体是等势体，导体表面是等势面；而周围静电场的场强应处处与等势面垂直。实验中，高压静电电源与异型导体相连接，通电后逐渐增大电源电压，将观察到导体上的红丝线张开，红丝线张开角度大小表明该处电荷密度的大小和电场的强弱。电压较低时，可看到曲率半径小的地方红丝线张角较大；电压较高时，红丝线的取向可模拟异型导体的电场线。
3、静电感应现象
一个带电导体附近的金属体，在其靠近带电导体的一侧会感应出与带电导体异号的电荷，在另一侧会感应出等量的与带电导体同号的电荷，这就是静电感应现象。当两块平行板分别带上正、负电荷时，平行板间的金属球两边分别被感应出与邻近极板异号的电荷，球上感应电荷又反过来使极板上电荷分布改变，从而使两极板间电场分布发生变化。如果金属球位于两极板的正中央，由于金属球受到两极板的作用力相同，故这种情况下小球静止。此时若将金属球稍微拨离平衡位置，使得它与某个极板相距较近，则金属球受到这个极板的引力较大，而与另一个极板距离较远，受力较小，这样球就摆向距球近的这一极板。当球与这极板相接触时，金属球带有的与这个极板异种电荷被中和，完全带有与这个极板同种的电荷而被这个极板排斥，同时被另一个极板吸引，使球又摆向另一侧的极板。持续加电，球就在两极板间往复摆动，并发出乒乓声。关闭电源后，金属球会因惯性，在一段时间内做微小摆动，最后停止在平衡位置。
4、尖端放电现象
静电平衡的导体表面的面电荷密度与表面曲率成正比，因此金属尖端上电荷
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面密度很大，周围的电场很强，所在处空气中散存的带电粒子（电子或离子）在尖端强电场作用下作加速运动时就可能获得足够大的能量，以致它们和空气分子碰撞时，能使后者离解成电子和离子，产生大量的带电粒子。与尖端所带电荷异号的带电粒子受到吸引，飞向尖端，将尖端上的电荷中和；与尖端所带电荷同号的带电粒子受到排斥而从尖端附近飞离，就好像尖端上的电荷被喷射出来放掉一样，故称做尖端放电。
四、实验内容
1、平行板电场分布。 2、异型导体周围电场分布。 3、静电跳球。 4、静电摆球。 5、静电风轮。 6、静电滚筒。 7、电风吹烛。 8、避雷针原理。 五、仪器操作注意事项
1、实验开始和结束后都必须用放电叉或接地极对仪器放电。
2、实验使用高压静电电源，注意安全；静电电源升降压时应缓慢升降，试验结束后务必将电源电压降至零。
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实验十四 跳环演示楞次定律
一、实验目的
通过观察闭合和非闭合环状导体在变化磁场中运动情况，理解楞次定律，理解电磁感应现象。 二、仪器装置
三、实验原理
楞次定律表明，闭合的导线回路中所出现的感应电流，总是使它自己所激发的磁场反抗任何引发电磁感应的原因（例如相对运动、磁场变化或线圈变形等）。
本实验采用的跳环式楞次定律演示仪利用通电线圈及线圈内的铁芯所产生的变化磁场与铝环的相互作用，演示楞次定律。当线圈中突然通电流时，穿过闭合的小铝环中的磁通量发生变化，根据楞次定律可知，闭合铝环中会产生感生电流，且感生电流的方向和原线圈中的电流方向相反，因此与原线圈相斥，相斥的
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电磁力使铝环上跳。而对于有缺口的铝环，由于回路不闭合，当线圈中突然通电流时，铝环中有感应电动势而没有感应电荷，所以有缺口的铝环不会跳动。 四、实验内容
1、将闭合环状铝环套在线圈中的铁芯上，这时铝环由于重力作用落于下部。 2、接通电源，按下通电按钮，观察铝环运动情况，分析铝环运动的原因，验证愣次定律。
3、将有小孔的闭合环状铝环套在铁芯上，按下通电按钮，观察铝环运动情况并分析原因。
4、将有缺口的铝环套在铁芯上，按下通电按钮，观察铝环运动情况，并根据愣次定律分析原因。
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实验十五 霍尔元件测亥姆霍磁线圈的磁场 一、 实验目的
观测圆形电流线圈产生的磁场及磁场的叠加，理解亥姆霍磁线圈产生的磁场的特点，了解实验室产生均匀磁场的方法，以及利用霍耳元件测磁场的方法。 二、 仪器装置
三、 实验原理
亥姆霍兹线圈是由两个相同的线圈同轴放置，其中心间距等于线圈的半径。将两个线圈通以同向电流时，磁场叠加增强，并在一定区域形成近似均匀的磁场；通以反向电流时，则叠加使磁场减弱，以至出现磁场为零的区域。
给霍尔元件通以恒定电流时，它会在磁场中会感应出霍尔电压，霍尔电压的高低与霍尔元件所在处的磁感应强度成正比，因而可以用霍耳元件测量磁场。本实验中电子屏显示的就是放大后霍尔电压的数值，它的变化规律与所在处磁场的
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变化规律一致。
亥姆霍兹线圈磁场分布曲线
四、 实验内容及实验步骤
1、打开数码显示屏后面板的开关，先对LED显示屏调零；
2、打开稳压电源（已调好），同方向闭合两电键（使两线圈通以相同方向电流），转动小手柄，使位于线圈轴线上的霍尔元件由导轨的一端缓慢移向另一端，观察两同向载流圆线圈磁场合成后的分布。
（显示屏示数由小变大，中间一段基本不变，最后又由大变小）； 3、改变其中一个线圈的电流方向，重复3的操作，观察两反向载流圆线圈磁场合成后的分布。（显示屏示数由小变大，由大变小，又由小变大，由大变小）。把霍耳元件移动到两个线圈的中部，可找到合磁场为零的位置；
4、断开一个线圈的电流，重复3的操作，观察一个载流圆线圈磁场的分布。（显示屏示数由小变大，又由大变小）；
5、实验结束，打开电键，关闭显示屏和线圈电源。
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实验十六 居里点演示仪
一、实验目的
验证铁磁介质存在居里点，了解铁磁性与温度的关系。 二、仪器装置
1、居里点测试仪专用示波器；2、居里点测试仪控制器；
3、铁磁材料；4、加热炉
三、实验原理
对于铁磁物质来讲，由于有磁畴的存在，因此在外加的交变磁场的作用上将产生磁滞现象，磁滞回线就是磁滞现象的主要表现。如果将铁磁物质加热到一定的温度，由于金属点阵中的热运动的加剧，磁畴遭到破坏时，铁磁物质将转变为顺磁物质，磁滞现象消失，铁磁物质这一转变温度称为居里点。
居里点测试仪就是通过观察示波管上显示的磁滞回线的存在与否来观察测量铁磁物质的这一转变温度的。给绕在待测样品上的线圈通一交变电流，产生一交变磁场，使铁磁物质往复磁化，样品中的磁感应强度与磁场强度的关系为磁滞回线。
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当温度升高到居里点后，磁性材料的磁特性将消失，温度降低时磁特性又恢复。铁磁性物质温度升高到某一点后铁磁性会完全消失，该温度值称为居里点，它反应了铁磁性与温度的关系。
铁磁介质的磁滞回线
四、实验内容和实验步骤
1、将所有的连接线接好后，将铁磁材料装在加热炉里。 2、打开示波器电源开关，把光点调到中心位置。
3、打开居里点测试仪电源开关，示波器显示出铁磁材料的“磁滞回线曲线”，把右侧开关打到“设置”，调节设置温度到75度左右，再把开关拨到“测量”。
4、把升温—降温开关拨到“升温”，观察仪器上两显示窗口数值的变化（感应电动势表示磁场强度的变化）和示波器上图形的缓慢变化。
5、当温度升到设置值附近时，示波器上的曲线变成一条水平线，磁性消失；把开关拨到“降温”，曲线又缓慢恢复，再次观察窗口数值的变化。
6、实验完毕，关掉所有电源。 五、仪器操作注意事项
1、不要将温度升的过高，达到居里点即可。 2、加热炉温度高勿碰！
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实验十七 互感演示仪
一、实验目的
通过观察两个通电线圈间的互感现象，了解铁芯在线圈互感中的作用，了解互感线圈间信息的传递，深入理解互感的概念和性质。
二、仪器装置
互感概念演示仪实物图
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互感概念演示仪结构图
1.机箱 2.电源插座 3.电源开关 4.换向开关 5.输入插座 6.线圈 7.收录机 8.扬声器
三、实验原理
两个彼此邻近的回路分别通有电流，当某一个线圈中的电流发生变化时，不仅在自身线圈中产生自感电动势，同时在邻近的另一个线圈中也产生感应电动势，这种由于一个线圈中电流发生变化而在附近的另外一个线圈中产生感应电动势的现象叫做互感现象，产生的感应电动势叫做互感电动势。
互感概念演示仪演示两个线圈之间的相互感应与位置之间的关系及铁芯在线圈互感中的作用。在互感概念演示中，当接通电源，打开电源开关和收录机开关，适当调节音量，将换向开关打到一侧，这时可听到左喇叭有声音，这是收音机自身发出的声音。将换向开关打到另一侧，这时声音停止；然后将两线圈分别接在机箱两侧的输入插座上，并把两线圈放在同一直线上，这时可听到右喇叭有声音，而且两线圈移近声音增大，两线圈移远则声音减小；加入铁芯后，声音可增大几倍；而当两线圈垂直放置时，声音减小直至消失，这说明这是通过互感线圈感应过来的声音。互感概念演示中可以随意改变线圈的相对位置和方向，观察两个线圈的互感情况。 四、实验内容和实验步骤
1、接通电源，打开电源开关和收录机开关，适当调节音量，将换向开关打到一侧，这时可听到左喇叭有声音，这是收音机自身发出的声音，将换向开关打到另一侧，这时声音停止。
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2、将两线圈分别接在机箱两侧的输入插座上，并把两线圈放在同一直线上，这时可听到右喇叭有声音，而且两线圈移近声音增大，移远，声音减小，加入铁芯，声音可增大几倍，将两线圈垂直放置，声音减小，至消失。说明这是通过互感线圈感应过来的声音。
3、可以随意改变线圈的相对位置和方向，观察两个线圈的互感情况。
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实验十八 三维电子在磁场中的偏转
一、实验目的
观察三维空间中电子在电磁场作用下的运动轨迹，掌握定量测定电子的荷质比的方法，深入理解洛仑兹力及洛仑兹力公式。 二、仪器装置
三、实验原理
1895年荷兰物理学家洛伦兹建立经典电子论时，提出磁场对运动点电荷有作用力的假设，并被大量实验所证实。洛伦兹确定了这种作用力的表达式，因此运动电荷在磁场中所受到的力被命名为洛伦兹力。洛伦兹力的大小为f＝qv×B，式中q、v分别是点电荷的电量和速度，B是点电荷所在处的磁感应强度；洛伦兹力的方向遵循右手螺旋定则，垂直于v和B构成的平面。由于洛伦兹力始终垂直于电荷的运动方向，所以它对电荷不作功，不改变运动电荷的速率和动能，只
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能改变电荷的运动方向使之偏转。洛仑兹力演示仪演示了在三维磁场中电子的运动情况，验证了洛仑兹力公式。
洛伦兹力既适用于宏观电荷，也适用于微观荷电粒子。电流元在磁场中所受安培力就是其中运动电荷所受洛伦兹力的宏观表现。导体回路在恒定磁场中运动，使其中磁通量变化而产生的动生电动势也是洛伦兹力的结果，洛伦兹力是产生动生电动势的非静电力。洛伦兹力公式和麦克斯韦方程组以及介质方程一起构成了经典电动力学的基础。在许多科学仪器和工业设备，例如回旋加速器，β谱仪，质谱仪，粒子加速器，电子显微镜，磁镜装置，霍耳器件中，洛伦兹力都有广泛应用。
四、实验内容与操作步骤
1、将威氏管插入仪器盖板中央的管座内使威氏管位于亥氏线圈中间。 2、将面板上所有旋钮反时针旋到底，接通电源预热三分钟。
3、按下电表下方琴键开关，缓慢转动加速电压旋钮，调节加速极电压。当电压超过150V时，电子枪锥形加速极顶端小孔处便有一束电子射出。可以看到一束细而明亮打向玻壳的光束。
4、转动激磁电流旋钮，随着激磁电流的增加，电子束的直线轨迹开始偏转，并构成一个圆或螺旋形轨迹。
5、调节调制电压旋钮，使电子束处于最佳状态。转动威氏电子管，以改变电子速度方向与磁场方向的夹角，观察各种交角下的电子运动轨迹。
6、测量电子的荷质比。在电压和地之间接入0~350V直流电压表。在两电流插孔间接入3A直流电流表。按步骤转动威氏管，使电子轨迹为一个圆。用测高仪测两电子轨迹直径，并记录下加速电压和激磁电流数值，根据公式求出电子荷质比。
7、实验结束后，将各旋钮反时针调到底，关闭电源。
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实验十九 汤姆逊电磁铁
一、实验目的
观察并理解温差电流的磁效应。 二、仪器装置
温差电磁铁的示意图如下，它由五部分组成：
①温差电磁铁部分：它由U 型电磁铁铁芯（1），温差电偶（2）和衔铁（3）组成。温差电偶是由铜和康铜两种材料制成。为了在一定的温差下能够产生较大的温差电流，温差电偶中的铜和康铜截面都比较粗。
②加热与冷却部分：（4）是用托架支撑的酒精灯，它用来加热热电偶的一端；（5）是用托架支撑的盛水的烧杯，它是用来冷却热电偶的另一端。
③衔铁部分：（3）是通过细绳与重物相连接的温差电磁铁的衔铁部分。当电磁铁中产生温差电流，衔铁被吸向U型电磁铁两极，形成闭合磁路，产生很大的磁通，牢牢地吸住衔铁。
④砝码托与砝码部分：它是由砝码托（6），砝码（7），导向滑轮（8）和绳（9）组成。此部分用来显示温差电现象的大小。
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⑤底座与支架部分：它是由底座（10），横梁（11），支柱（12），直杆（13）和托板（14）组成的。 三、实验原理
导体中发生的热能和电能间的可逆转换现象称为温差电现象。温差电磁铁（汤姆逊电磁铁）通过温差电流的磁效应来显示温差电现象。温差电磁铁主要由电磁铁心、温差电偶（又称热电偶）和衔铁组成。温差电偶是铜和康铜两种材料制成的，为了在一定的温差下能够产生较大的温差电流，温差电偶中的铜和康铜截面都比较粗，截面积约1平方厘米；在二者接头处分别焊接有导热铜板，一个可插入水杯中作为冷端；另一个可用来加热作为热端。温差电偶套在电磁铁心上，铁芯会使磁效应大大增强；电磁铁的下面可扣合衔铁，衔铁与电磁铁心的接触面密合。用酒精灯加热电磁铁的一端，并将电磁铁的另一端放入冷水槽中形成温差，产生的温差电流将产生磁效应，因此电磁铁的下面的衔铁会被吸住，在衔铁放上砝码而衔铁不会脱落。 四、实验内容与操作步骤
1、将酒精灯和盛水的烧杯分别放在左、右两支柱（12）的托板（14）上，使电磁铁弯曲部分浸入烧杯的水中，酒精灯的外层火焰接近电磁铁的水平部分。
2、将砝码放在砝码托（6）上，待酒精灯加热约十五分钟后，在冷却端靠近铜与康铜连接处放一冰块，用手上托砝码托（6）使衔铁与U型电磁铁两极靠近，衔铁即可被吸住。继续在砝码托上增加砝码，衔铁仍被吸住。最大可放2公斤的砝码而不致拉脱衔铁板。
3、演示完毕后，熄灭酒精灯，由于温差电偶的冷端和热端的温度不能很快趋于平衡，电偶中仍有相当大的温差电流，因此衔铁仍会被紧紧吸住直至温度趋于平衡时，才不能吸住。
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实验二十 手触电池
一、实验目的
了解电池的一般结构和原理，了解逸出功，理解手触电池的原理。 二、仪器装置
三、实验原理
要使金属内电子脱离金属表面的束缚所需的功，称为该金属的逸出功；不同金属的电子逸出功不同，两种不同的金属相互接触时，逸出功小的金属将失去电子而电位升高，逸出功大的金属将获得电子而电位降低，即两种金属之间产生接触电势差，其大小与其电子逸出功及温度有关。手触电池就是根据不同金属具有不同的电子逸出功制成的。
设WA、WB为金属A与B的逸出功（且WA>WB），则当两金属相互接触时，它们之间将产生接触电势差VA－VB=（WA－WB）/e，e为电子电量。
本实验中，不同材质的金属（分别为铜板和铝板）和手接触时，两块金属板通过人体连接时产生接触电位差，从而构成了一个等效电池，因此，整个电路就
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有电势差；当电路闭合时，电流计就会发生偏转，表明回路中有电流。 四、实验内容
1、双手分别触摸住一块铝板和一块铜板，观察电流计指针的偏转。 2、当把铝板与铜板与电流计接线柱换接，再按1中操作，观察电流计指针的偏转。
3、向两手呵气，使得手稍湿润，再次按照1种操作，观察电流计指针的偏转情况，并分析其原因。
4、为了比较实验，两手分别触摸两块铝板时，观察电流计指针的偏转情况并说明其原因。
5、比较不同的实验者操作时电表指针的偏转幅度。
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实验二十一 迈克尔逊干涉仪
一、实验目的
了解迈克耳逊干涉仪的结构和工作原理，掌握其调整方法；调节和观察等倾干涉、等厚干涉和非定域干涉现象；掌握测量He-Ne激光的波长的方法。 二、仪器装置
改进型迈克耳逊干涉仪实物图
三、实验原理
迈克尔逊干涉仪是一种常用的光学仪器，是迈克尔逊在1881年设计成功的，迈克尔逊和莫雷应用该仪器进行了测定以太风的著名实验，后人根据此种干涉仪研制出各种具有实用价值的干涉仪。迈克耳逊干涉仪是利用半透膜分光板的反射和透射，把来自同一光源的光线用分振幅法分成两束相干光，以实现光的干涉的
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一种精密光学仪器，它可以用来测量长度或长度微小变化、光波波长和透明媒质的折射率等。
迈克耳逊干涉仪基本结构图
迈克尔逊干涉仪主要由分光板、补偿板和互相垂直的两块平面反射镜组成。当两个镜子垂直时，就可以观察到等倾干涉条纹；当两个镜子互成一小角度时，就可以观察到等厚干涉条纹。对于等倾干涉条纹来说，它是一组明暗相间的同心圆环。当两平面镜之间的距离发生变化时，可以观察到圆环条纹从中心“涌出”或“陷入”的现象，并且条纹的疏密粗细程度发生变化，每当两平面镜的距离改变半个波长时，就会有一圆环条纹从中心“涌出”或“陷入”，因此只要记录下环形条纹“涌出”或“陷入”的个数和两面镜子改变的距离，就可以测出光源的波长。对于等厚干涉条纹来说，它是一组明暗相间的直线形条纹，随着两平面镜之间距离的改变，条纹出现弯曲的现象，通过实验可以观察。 四、实验内容与操作步骤
1．调整迈克耳逊干涉仪
(1) 用水准仪并调节干涉仪的底座下的三个螺丝，使仪器及导轨水平。 (2) 调节He-Ne激光器光源，使激光束与分光板等高。并垂直入射到M1，M2两反射镜中部。
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(3) 调粗调手轮则移动动镜M1，使M1到分光板G 1的距离M 1G 1与定镜M 2
到G 1的距离M 2G 1接近相等。
(4) 使He-Ne激光束基本上垂直于M2时，在屏上即可看到两排激光光点。且每排都有几个光点，调节M 2背面的三个螺丝，使两排中两个最亮的光点重合，如果经调节两排最亮的难以重合，可略调一下M 1镜后的三个螺丝，直至完全重合为止。这时，M 1与M 2处于相互垂直状态，则M 1与M2’相互平行，至此干涉仪的光路系统调整完毕。
2．观察激光的非定域干涉 3．观察等倾干涉条纹的变化 4．测量He-Ne激光的波长 5．观察等厚干涉条纹 五、仪器操作注意事项
1．迈克耳逊干涉仪是精密光学仪器，使用前必须先熟悉使用方法，然后再动手调节。
2．使用过程中绝对不允许用手触摸各镜面及光学玻璃器件，镜面若有浮尘，可用吹风球吹去。
3．在调节和测量过程中，一定要非常细心，特别是转动粗、微调手轮时要缓慢、均匀。为了避免转动手轮时引起空程。则在使用中必须沿同一方向旋转手轮，不得中途倒转。若需要反向测量，应重新调整零点。
4．实验前和实验结束后，所有调节螺丝均应处于放松状态，调节时应先使之处于中间状态，以便有双向调节的余地，调节动作要均匀缓慢。
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实验二十二 组合干涉仪
一、实验目的
熟悉迈克尔逊干涉仪、马赫-曾德尔干涉仪、萨格奈克干涉仪的光路、结构和特点，理解干涉仪的原理，掌握干涉测量技术。 二、仪器装置
组合干涉仪实物图
三、实验原理
干涉测量技术是一种利用光的干涉现象来测量某些物理量的微小变化的技术，一般情况下，它是将一束光通过光学元件分为两束，一束作为参考光，另一束作为测量光，测量光落在被测物体上或通过被测样品，然后再将这两束光重新拟合利用干涉图形的变化，检查出目标某个物理量的微小变化。这种测量方法由于大多采用高稳定度的、长相干的激光作为光源，因此一般都具有大量程、高分
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辨率、高精度、对目标影响小的特点，被广泛应用在国民经济的各个领域。该技术在实际应用中，根据使用环境和要求的不同，往往采用不同的光路结构。组合干涉实验主要搭构三种较为常见的光路结构，组成1）迈克尔逊干涉仪，2）马赫-曾德尔干涉仪，3）萨格奈克干涉仪，以熟悉它们的结构和特点。
（1）迈克尔逊干涉仪
迈克尔逊干涉仪作为一种十分古老的干涉仪，于1880年由迈克尔逊发明，并主要由此于1907年获得诺贝尔奖金。它的基本光路结果如图一。它常被用来测量物体的微小位移变化：从光源1发出的一束相干光经分束镜2一分为二，分为两束。一束透射光落在反射镜M1上，另一束反射光落在发射镜M2上，M1、M2分别将这两束光沿原路反射回来，在分束镜1上重合后射入扩束镜3，投影在白屏4上，如果我们对光路调整的合适，将在白屏上看到一系列的明暗相间的干涉条纹，这些干涉条纹会随着M1或M2的移动而移动，且非常敏感，只要反射镜移动半个波长，干涉条纹就会移动一个周期，而光波长一般都在微米量级，因此它具有很高的灵敏度和分辨率。
（2）马赫-曾德尔干涉仪
马赫-曾德尔干涉仪的光路图结构如图二所示，光源1发出的一束相干光经分束镜2一分为二，分为两束。一束透射光落在反射镜M1上，另一束反射光落在发射镜M2上，M1、M2分别将这两束光反射至分束镜3上，并使这两束光重合，进入扩束镜4，如果调整合适，我们可在扩束镜后的白屏5上看见一系列明暗相间的干涉条纹。这种干涉仪主要用于测量透明物质的折射率的变化，光纤传感器中的干涉仪大多采用这种光路结构。
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M2
M1图1、迈克尔逊干涉仪光路图
图2、马赫-曾德尔干涉仪光路图
（3）萨格奈克干涉仪
萨格奈克干涉仪的光路结构如图3所示，光路由一个分束镜2和三个反射镜M组成，它的光路比较特殊，两束光沿着相同的路径反向传播。由于两束光的传播路径严格重合，因此任何实际样品的影响都是同时作用在两个光束上的，且大多数情况下作用相互抵消，我们观察不到变化，但这种干涉仪对角度的变化却有反映。假设干涉仪绕垂直于光路平面的轴转动，则一束光将顺着转动方向传播，而另一束光将顺着转动方向传播，这将引起光程差的变化，从而引起干涉条纹的移动。目前广泛应用于航空、航天领域的激光陀螺就是基于该原理。
图3、萨格奈克干涉仪光路图
在光路中加入气室，对于气室加压，改变气室中的空气压强，由于气体的折射率依赖于气体的压强，当这种变化只作用在某一路光束时，必将引起两束光之间的光程差的改变，从而引起干涉条纹的变化。通过压强计读出空气压强同干涉条纹变化的关系，可绘制出空气压强与干涉条纹变化的关系曲线和空气折射率与
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2M11M2345
432M 1MM压强的关系曲线（气室长度100mm） 四、实验内容与操作步骤
1、按照光路图1搭建迈克耳逊干涉仪，并调出适当粗细的干涉条纹，观察干涉条纹。
2、按照光路图2搭建马赫-曾德尔干涉仪，并调出适当粗细的干涉条纹，观察干涉条纹。
3、按照光路图3搭建萨格奈克干涉仪，并调出适当粗细的干涉条纹，观察干涉条纹。
4、在光路中加入气室，改变气室中的空气压强，观测干涉条纹的变化。通过压强计读出空气压强同干涉条纹变化的关系，绘制出空气压强与干涉条纹变化的关系曲线和空气折射率与压强的关系曲线（气室长度100mm）。
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实验二十三 光纤干涉与温度传感
一、实验目的
了解光纤干涉的原理，深入理解干涉条件，了解温度传感仪的原理。 二、仪器装置
三、实验原理
两束频率相同、振动方向相同、有固定的相位差的光波在空间中相遇将发生干涉现象，形成一系列明暗相间的干涉条纹。由长相干半导体激光器发出的激光束，经分束镜后一分为二，并通过光纤传输从光纤的另一端输出，将两条光纤的输出端并拢，输出的两束激光满足干涉条件，在重叠区将产生干涉条纹。光纤的直径决定了干涉条纹非常细密，以肉眼观察很难观察清楚，采用CCD摄像头对于干涉条纹进行放大处理，调整摄像头距光纤出光端面的距离和位置，在监视器上就可观察到对比适当、宽窄适度的干涉条纹。
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将手掌靠近其中的一条光纤，由于手掌温度较高，光纤长度发生微小变化，从而两束相干光的光程差发生变化，因此在监视器将会看到干涉条纹快速移动。利用光纤干涉的这一特征可以制成干涉型光纤温度传感器，实时监测温度的变化。
四、实验内容与实验步骤
1、放好激光器，打开电源。调整激光器的俯仰角，使激光束基本平行于桌面，锁死磁性底座。
2、在距激光器10cm左右处，放上分束镜，并调整光束与分束镜之间的夹角，使投射光和反射光光强大致相等，锁死磁性底座。
3、在二光束的光路上分别放上7自由度光纤耦合调整架，使激光束正入射聚焦透镜，并锁死磁性底座。取下光纤夹，将一张白纸放在聚焦透镜后，前后移动白纸，并从光纤夹安装孔中观察激光打在白纸上的情况。仔细调整聚焦透镜的位置，使落在白纸上的光斑明亮而对称，并记下焦点处的大致位置。
4、从光纤盘中裁下1-1.5m长的光纤两根，用剥皮鉗分别剥下光纤两端约10mm长的塑料涂覆层，再用笔式光纤刀在4-5mm处轻划一刀（注意不要直接切断光纤），感觉有一点发涩，有点划玻璃的感觉。在轻划处弯曲光纤，使之在此处断裂。切割后的光纤端面应不再触摸。
5、将经过切割处理的光纤夹的细缝中，并伸出4-8mm，压上弹簧片，插入耦合架中，使光纤端面大致位于激光焦点处，旋紧锁紧螺钉。注意，在将光纤放入光纤前，一定要剔除光纤夹中的残留断光纤。
6、仔细调整耦合调整架，使激光耦合进光纤。这时光纤端面将很明亮，光纤夹尾端的光纤也会发红。
7、观察光纤输出端的情况，应可看到有红色激光输出，使输出激光打在白屏上，观察其强弱和形状。
8、反复仔细调整耦合架并观察输出光强和形状的变化，并尽量使之最亮并对称。光斑的形状即反应了光纤的模式。虽然我们采用的光纤为光纤通讯用单模光纤，但在这里我们看到的光斑光强分布并不是一个单模高斯分布。
9、按以上方法将另一根光纤同样安装耦合好，并将出光端合并，等长地放在光纤座上，用磁吸压住。
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10、在出光端前约10cm处放置CCD摄像头并使两光束进入摄像头。打开监视器电源，应可观察到干涉条纹的图像，适当调整距离和对比度，并注意CCD要背光以得到对比度和宽窄度适当的条纹图像。
11、将其中的一条光纤作为测量臂，将其固定在半导体制冷片上，压上盖板，准备测量。（制冷片宽度30 mm）
12、待条纹稳定一段时间后，缓慢调节制冷片的温度并同时观察条纹的移动情况，并记录下来，为了减少误差可反复测量2—4次，取平均值，求出仪器灵敏度。
13、使光纤弯曲、折叠，使光纤反复通过制冷片表面，使敏感长度分别为30 mm的1、2、3倍，重复步骤12的操作，求出灵敏度与敏感长度的关系。
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实验二十四 偏振光干涉
一、实验目的
观察偏振光通过不同模型后的干涉现象，理解偏振光的干涉原理，了解测量透明介质中应力分布的方法。 二、仪器装置
三、实验原理
在两块偏振片之间插入一块厚度不均匀的波片，当单色光正射到这一系统上，发现有干涉条纹出现，这是由于单色光通过波片时，产生双折射，分成有一定相差且振动方向互相垂直的两束光，即e光和o光，两束光振动方向平行，振动频率相同，相位差恒定，满足干涉条件，通过偏振片后两束光将发生干涉，从而形成干涉条纹。如果白光照射，出射光由于某种颜色干涉相消, 而呈现它的互补色，这叫显色偏振。玻璃或塑料，若经过很好地退火，是各向同性的，若退火
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不好，就会有些局部应力“凝固”在里边，内应力会产生一定程度的各向异性能，从而产生双折射，利用偏振光的干涉就可以检测器件的应力分布。
偏振光干涉演示仪利用偏振光的干涉检测模型中的应力分布。对于蝴蝶、飞机、花朵等模型，由于应力均匀，双折射产生的光程差由厚度决定，各种波长的光干涉后的强度均随厚度而变，故干涉后呈现与层数分布对应的色彩图案。对于三角板和曲线板，由于厚度均匀，双折射产生的光程差主要与残余应力分布有关，各波长的光干涉后的强度随应力分布而变，则干涉后呈现与应力分布对应的不规则彩色条纹，条纹密集的地方是残余应力比较集中的地方。U形尺的干涉条纹类似于三角板和曲线板，区别在于这里的应力不是残余应力，而是实时动态应力，所以条纹的色彩和疏密是随外力的大小而变化的。利用偏振光的干涉，可以考察透明元件是否受到应力以及应力的分布情况。
转动外层偏振片，即改变两偏振片的偏振化方向夹角，也会影响各种波长的光干涉后的强度，使图案颜色发生变化。 四、实验内容和实验步骤
1.轻轻地从仪器上方抽出仪器内的两种图案，看到它们都是由无色透明的材料制成，原样放回；
2.打开光源，这时立即观察到视场中各种图案偏振光干涉的彩色条纹； 3.旋转面板上的旋钮，观察干涉条纹的色彩也随之变化；
4.把透明U形尺从窗口放进，观察不到异常，用力握U型尺的开口处，立即看到在尺上出现彩色条纹，且疏密不等；改变握力，条纹的色彩和疏密分布也发生变化。
五、仪器操作注意事项
取放玻璃片要小心轻放，注意安全。
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实验二十五 双棱镜干涉测光波波长
一、实验目的
观察双棱镜产生的干涉现象，进一步理解产生干涉的条件；熟悉干涉装置的光路调节技术，学会用双棱镜测定光波波长。 二、仪器装置
三、实验原理
双棱镜是由两个折射角很小（小于1度）的直角棱镜组成，且两个棱镜的底边连在一起（实际上是在一块玻璃上，将其上表面加工成两块契形板而成），用它可实现分波前干涉。光束投射到双棱镜上，经过折射后形成两束光，好像是从两虚光源发出的。这两束光满足相干条件，故在两束光相互重叠的区域内产生干涉，可在观察屏上看到明暗相间的、等间距的直线条纹。中心处因两束光的程差
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为零而形成中央亮纹，其余地各级条纹则分别对称排列在零级的两侧。通过对其产生的干涉条纹间距等长度量（毫米量级）的测量，可推算出光波波长。
四、实验内容与实验步骤
1、依次将二维可调激光器、透镜、双棱镜、十二档光电探头（与激光功率指示计连接好）放置在实验导轨上。目测粗调各元件中心等高，使中心线平行于导轨，并保障激光光斑能够进入十二档光电探头中。
2、用白屏换下十二档光电探头，调节透镜及双棱镜，在白屏上看到清晰的干涉条纹。
3、再次前后移动双棱镜，可观察到干涉条纹的粗细变化和条纹数量的变化，使干涉条纹数为5至7条（至此，在以下的测量过程中，二维+LD、双冷静和白屏（或十二档光电探头）的滑块位置不再变化）。
4、用十二当光电探头换下白屏，选择十二档光电探头适当的光栏（如0.2mm的细缝），同时调整激光功率指示计的量程按钮，选择适当的量程。对干涉条纹进行扫描，并作数据处理。
5、将导轨上各滑块及个元件全部固定，保持稳定。
6、用白屏换下十二档光电探头，在双棱镜和白屏之间放置透镜L2，并使双棱镜和白屏之间间距稍大于4焦距，调节L2，使之与系统共轴。
7、移动L2，在白屏上得到清晰的放大的像（两个清晰的光斑），并换上十二档光电探头，用其对方大的像进行扫描多次，将测量的数据进行记录和处理。
双棱镜干涉光路图
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实验二十六 皂膜
一、实验目的
通过台式皂膜和帘式皂膜观察薄膜干涉现象，理解薄膜干涉的条件；了解液体表面张力；了解最小作用原理。 二、仪器装置
台式皂膜
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帘式皂膜
三、实验原理
皂膜实验同时演示了液体表面张力、薄膜干涉现象及能量最低原理。表面张力即液体表面的分子由于受到液体内部分子的吸引力而使液体表面尽可能收缩的一种力。由于表面张力的作用，形成皂膜，而不同形状的模型拉出不同的形状的皂膜，则体现能量最低原理，即在皂膜达到稳定形状下，皂膜面积最小，能量最低。
在白光照射下，皂膜呈现出彩色的干涉条纹。当肥皂液慢慢向下流时，皂膜变得上薄下厚，形成劈尖干涉，可以看到彩色的条纹带逐渐由窄变宽。 四、实验内容与操作步骤
1、 配制溶液：将液槽注满2/3的清水，然后注入 500g 的洗涤灵，在反复拉动横梁过程中让洗涤灵均匀混合，同时，注入甘油,注意观察横梁拉起的帘的状态, 直至拉起较好的皂帘才停止注入甘油,甘油的总注入量大约150ml, 但不能一次注入,要边观察边注入。
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2、 把仪器上的照明灯打开，再将横梁在液槽中反复拉放几次，使溶液均匀混合，此时匀速将横梁拉起便可观察到帘式皂膜；
3、 在灯光下，从侧面观察皂膜，可看到彩色条纹，开始时条纹不规则；随着皂液下流，可看到平行于横梁的等厚干涉条纹；
4、 用一根光滑的玻璃棒轻轻地由皂膜的一侧插入，再由皂膜的另一侧拔出，发现皂膜并不破裂；
5、 从皂膜侧面轻轻地吹动皂膜，可看到皂膜连同彩色条纹一起像绸缎一样飘动。
五、实验注意事项
1、拉膜时速度要慢，动作要轻；
2、溶液的质量直接影响皂膜的质量，所以配制溶液时要细心找到最佳状态。 3、溶液的均匀程度也直接影响皂膜的质量，所以拉膜前必须反复拉放，使溶液均匀。
4、随着水分的蒸发，需随时补充水分，以保持溶液的质量。
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实验二十七 光的衍射
一、实验目的
观测光透过不同狭缝得衍射现象，掌握光的干涉衍射理论。 二、仪器装置
三、实验原理
光在传播过程中，遇到障碍物或小孔（窄缝）时，它有离开直线路径绕道障碍物阴影里去的现象，这种现象叫光的衍射，衍射时产生的明暗条纹或光环，叫衍射图样，这种现象也体现了光的波动特征，是光的波动性的最直接、最有力的实验证据。
光的衍射实验中，光源发出的光线穿过可调节狭缝后，在屏幕上呈现光斑，光斑的宽度是由缝的宽度决定的。当狭缝从一定的宽度逐渐缩小时，穿过缝的光束也逐渐变窄，在屏幕上的光斑随之变窄，但是当狭缝缩小到一定程度时，屏幕
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上的光斑不仅不变窄，反而增宽，而且光斑的全部亮度也将发生变化，由原来的均匀分布变成一系列明暗条纹。光斑的边缘也将失去明显的界限，变得模糊不清。 四、实验内容与操作步骤
1、将半导体激光器放置于导轨的一端，缝元件架仅靠激光器放置，将一维位移架放置在导轨的另一端，放上12档光探头并锁紧，调节光探头到一维位移架的中间区域。
2、
调整激光器指向方位和光探头的高低，使激光准确进入探测光栏孔。
3、在缝元件架上放上缝元件，根据实验内容将要被测的缝或光栅调入光路，在光探头端观测出现一条干涉或衍射图案。
4、旋转探头上的光栏盘使0.2mm缝光栏进入探测位置。
5、转动一维位移架上的丝杠钮，使探头从一端向另一端进行扫描探测，并记录下光探头位置与光功率指示值的对应关系，验证光强分布与波长和缝参数的关系。
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实验二十八 玻璃堆起偏与检偏
一、实验目的
观测自然光经玻璃堆反射和折射后，反射光和折射光的偏振现象，分析反射和折射光的偏振性质，理解马吕斯定律和布儒斯特定律。 二、仪器装置
三、实验原理
自然光以任意角度入射到介质表面时，反射光为部分偏振光，透射光也为部分偏振光。随着入射角的改变，反射光和透射光的偏振化成分也发生变化。根据布儒斯特定律，当入射角为布儒斯特角时，反射光为完全偏振光，其偏振化方向垂直于入射面；透射光为部分偏振光，平行于入射面的偏振化成分较强，当光经过多层玻璃堆透射后，透射光也趋近于完全偏振光。
根据马吕斯定律，当入射光的偏振化方向与偏振片的偏振化方向平行时，透
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射光最强；当入射光的偏振化方向与偏振片的偏振化方向互相垂直时，透射光最弱，如果入射光是完全偏振光，会出现消光现象。利用偏振片可以观测光经过玻璃堆反射和折射后光的偏振性质。 四、实验内容与操作步骤
1、打开电源开关，使玻璃堆平面与刻度盘的0o-180o 线平行，并使光线垂直入射到玻璃堆表面。
2、将毛玻璃屏置于玻璃堆后面，，观察透射光的亮度（旋转偏振片时，有明暗变化，但无消光现象）。
3、保持刻度盘不动，将玻璃堆旋转一定角度（如：20o-40o），将毛玻璃屏分别置于玻璃堆的反射光路和透射光路，观察反射光和透射光的亮度（旋转偏振片时，均有明暗变化，但无消光现象）。
4、仍保持刻度盘不动，继续将玻璃堆旋转至约53o，仍将毛玻璃屏分别置于玻璃堆的反射光路和透射光路，观察反射光和透射光的亮度（旋转偏振片时，反射光明暗变化，有消光现象；透射光有明暗变化，但无消光现象）。
5、注意观察反射光和透射光在毛玻璃屏上最亮或最暗时，偏振片的偏振化方向旋转的角度。 五、实验注意事项
1、移动毛玻璃屏时要拿起来再放下，不要在仪器底盘上滑动，以免划伤底盘；
2、旋转玻璃堆时注意保持刻度盘不动，以免转过的角度不准确； 3、不要长时间通电，以免光源过热，损坏光源和变压器。
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实验二十九 光的偏振
一、 实验目的
观测光的偏振现象，掌握用偏振片检测偏振光特性的方法，了解偏振片、1/4波片的特性及液晶的旋光效应，深入理解马吕斯定律。 二、 仪器装置
三、 实验原理
光是一种横波，具有偏振的特性，它的振动方向与传播方向是相互垂直的。根据其振动方向的不同，一般分为线偏振光、椭圆偏振光和自然光等。在自然界中得到的光大多是自然光或部分偏振光，它可以被看成是由许多偏振方向不同的线偏振光的叠加。
为了得到线偏光，我们往往采用两个偏振片来对自然光进行起偏。常用的偏振片是由聚乙烯醇塑料构成的，它只允许某一特定振动方向的光通过，而其它振动方向的光将被衰减和吸收，因此任何偏振态的光波，经过偏振片后都将变成线
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偏振光。如果两个偏振片的偏振方向相互垂直，则没有光通过这个组合，即发生消光现象；其中前一个偏振片起着将任意光变为线偏振光的作用，称为起偏器，而后一个偏振片可起到完全消光，从而证明光为线偏振光的作用，称为检偏器。而当两个偏振片的偏振方向不完全垂直，而有一个夹角时，将有部分光通过这个组合，通过光的相对强度与夹角有关，将遵循马吕斯定律。
本实验根据光的偏振特性，利用两个偏振片来研究偏振光的特性、马吕斯定律、1/4波片的光学特性等等。 四、 实验内容与实验步骤
1、检验光的偏振特性以及马吕斯定律
（1）将激光器、偏振架1（起偏器）、偏振架2（检偏器）、功率指示计光探头一次排列。
（2）将激光器、功率指示计光探头分别以功率指示计相连。
（3）打开功率指示计电源，激光输出。调整激光指向和各架子的高度，使激光从二个偏振片的中心通过，进入功率指示计探头。
（4）旋转检偏器，记录下角度与功率的关系曲线，以验证马吕斯定律。 2、1/4波片的光学特性
（1）在实验1基础上，旋转检偏器使激光完全不能通过，进入消光。 （2）在起偏器与检偏器之间加入1/4波片架，这时可能会有部分光通过检偏器。
（3）旋转1/4波片,使系统重新进入消光状态。
（4）记下消光状态时的1/4波片方位角度，并旋转45°。
（5）旋转检偏器记录下光强的变化（对于理想状态光强应无较大变化，近似为一圆偏振光）。
3、半导体激光器的偏振特性 （1）在实验1的基础上取下起偏器。
（2）旋转检偏器，记录下功率最大值和最小值，以及所对应的角度，由此求出半导体激光的偏振度。
4、物质的旋光特性
（1）在实验1的基础上，旋转检偏器，使系统进入小光状态。
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（2）将旋光晶体放入起偏器与检偏器之间，观察检偏器后的透光情况。 （3）旋转检偏器，使系统再次进入消光状态。记录下旋转的角度。求出晶体的旋光率。
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实验三十 旋光色散
一、实验目的
观察液体旋光物质的旋光现象，观察旋光色散现象。 二、仪器装置
三、实验原理
当偏振光通过某些物质(如石英、氯酸钠等晶体或食糖水溶液、松节油等)，光矢量的振动面将以传播方向为轴发生转动，这一现象称为旋光现象。
旋光色散实验利用糖溶液的旋光性演示旋光现象及影响旋光效应的因素。糖溶液放在两个偏振片中间，一个偏振片用于起偏，另一个偏振片用于检偏。对于液体旋光物质，振动面转过的角度即旋光度大致与入射偏振光波长的平方成反比，这种旋光度随波长而变化的现象称为旋光色散。
由于旋光度不同，通过糖溶液后，不同频率（颜色）的光的偏振面发生了不
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同角度的偏转。对于白色偏振光，连续缓慢转动前端偏振片，可观察到玻璃管下半部有糖溶液的地方透过来的光的颜色赤橙黄绿青兰紫依次变化；而管的上部没有糖溶液的地方仅有明暗的变化。 四、实验内容与实验步骤
1、配置溶液，大约用300克蔗糖，玻璃管内的溶液大约占整个容器的2/3左右为妥，将溶液摇匀。
2、打开仪器灯箱光源，连续缓慢转动前端偏振片，可观察到玻璃管下半部有糖溶液的地方透过来的光的颜色赤橙黄绿青兰紫依次变化；管的上部没有糖溶液的地方仅有明暗的变化。
3、在光源和装有糖溶液的玻璃管之间加上滤色片，旋转偏振片，记下从玻璃管上方看视场最暗时偏振片的角度；再旋转偏振片，再记下从玻璃管下方看视场最暗时偏振片的角度。
4、换用另一种颜色的滤色片，重复3的操作。 5、保留好实验数据，用来分析旋光效应与波长的关系。
6、如果改变糖溶液的浓度，重复操作3、4、还可以分析溶液浓度对旋光效应的影响。
7、实验结束，关闭电源。 五、仪器操作注意事项
1、 操作时要保护好装有糖溶液的玻璃管，以免损坏。 2、 定期更换糖溶液，以免变质。
3、 较长时间不用时，一定要将糖溶液倒掉，把管清洗干净。 4、 清洗玻璃管时，可以放入沙粒、米粒或豆粒摇晃清洗。
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实验三十一 海市蜃景
一、实验目的
利用人工配制的折射率连续变化的介质，演示光在非均匀媒质中传播时，光线弯曲的现象以及模拟自然界昙花一现的海市蜃楼景观。 二、仪器装置
A是水槽；B是实景物；C是激光笔；D是射灯（220V 24W）；E是装置门；F是水管入口；G是观看实景物窗口；H是观看光在水槽内传播路径的窗口；K是观看模拟海市蜃楼景观的窗口。
三、实验原理
海市蜃景是一种特殊的壮观奇丽的自然现象，依成像方位不同常分为上现蜃景和下现蜃景。其原理都是光线透过不均匀介质时，由于折射率不同造成光线弯曲，使观察者看到的景物上浮或下沉。上现蜃景常出现在海面上，下现蜃景大都出现在热季的沙漠上。
在海面上，进入春节或者夏季，海水温度和陆地温度相差较大，在海风和海流的直接影响下，海面空气经常出现下冷上暖的现象，低层空气密度大，高层空气密度小。如果此时太阳光从海洋远处物体上反射出来，穿过空气密度不同的两个界面，就要发生折射；当这种光线从上前方斜着映入人们的视线时，就会看到远方出现的物体幻影。
在本实验中，在水池注入盐水，然后在盐水上层注入清水，待稳定后水池中
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出现明显的密度分界层，透过水池观察模型，可以看到模型明显上浮，模拟了海市蜃景现象。
四、实验内容和实验步骤
1、在左侧储水池内注入大约2/3清水，倒入大约7公斤左右的食盐，搅拌使之充分溶解变成饱和盐水,然后在盐水面上铺一层塑料薄膜，轻轻地在薄膜上注入清水，待水面平稳后，抽去薄膜，可看到一明显的饱和盐水与清水的分界面；
2、在右侧储水池中注入清水,两侧水池的水面要基本等高；
3、将待观察的景物模型放在仪器罩下玻璃缸的一端（装灯的一侧），使景物的高度大体上在盐水与清水的分界面处，适当调整照明灯，使景物尽量地亮；
4、用激光笔从景物一侧向储有盐水的一侧照射（尽量在清水与盐水的过渡层处），从仪器的正前方观察光线向下弯曲的现象；
5、再从仪器正前方的两个窗口进行观察，观察者上、下、左右移动头部,选择合适的位置，分别透过两个储水池观察景物模型,发现透过盐水池观察到的景物模型明显上浮。
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实验三十二 几何光学系列实验
一、实验目的
掌握测量凸透镜、凹透镜焦距的方法，理解透镜成像公式和物距、像距、焦距等概念；观测景深、实像、虚像、球差、色差等现象；了解望远镜和显微镜的结构和原理。 二、仪器装置
三、实验原理
几何光学是光学学科中以光线为基础、研究光的传播和成像规律的一个重要的实用性分支学科。几何光学中研究和讨论光学系统理想成像性质的分支称为高斯光学，或称近轴光学。任何实际的光学系统(包括单个球面、单个透镜)的近轴区都具有理想成像的性质。但在远离近轴区域，光线在系统中的传播光路偏离理想途径，这时一点的像不再是一个点，而是一个模糊的弥散斑；物平面的像不再是一个平面，而是一个曲面，所有这些成像缺陷，称为光学系统成像的像差。
几何光学演示仪可以系统地研究光学系统的成像性质和规律。通过不同的组合，使用不同的方法，可以研究凸透镜、凹透镜以及透镜组的成像规律，验证透镜成像公式（高斯公式），还可以研究远离近轴区透镜成像的像差，包括球差、
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色差、彗差等。
四、实验内容和实验步骤
1、自准直法测凸透镜焦距
按白光源、品字屏、被测凸透镜、反射镜依次排列。 2、自准直法测凹透镜焦距
（1）将白光源、“品”字屏、凸透镜、白屏依次排列。
（2）仔细调整品字屏、f=100mm的凸透镜和白屏之间的距离，使白屏上呈现一个清晰的、略微缩小的倒立的像。记下像（白屏）在导轨上的位置。
（3）取下白屏，在凸透镜后放上被测凹透镜和反射镜，使被测凹透镜与反射镜尽量靠近。
（4）前后滑动被测凹透镜和反射镜，使“品”字屏上的像尽量清晰，记下此时被测凹透镜的位置。它与步骤2中白屏之间的距离就是凹透镜的焦距。
3、贝塞尔法测凸透镜焦距：
将被测透镜置于“品”字屏与白屏之间（白屏距“品”字屏的距离应大于4倍焦距），前后滑动透镜、可在显示屏得到两次清晰地实像、利用贝塞尔公式求出焦距。
4、透镜成像公式求透镜的焦距
将一凸透镜置于品字屏与白屏之间，反复移动透镜和白屏，直到得到一清晰实像，利用透镜成像公式求出焦距f和放大率m。5、透镜成像公式求凹透镜的焦距
在上一个实验的基础上，在凸透镜和白屏之间加入被测凹透镜，再次调整凹透镜和白屏的位置，直到得到一个清晰实像，再利用透镜成像公式求出凹透镜焦距。
6、球差
将白光源、圆孔球差屏、“品”字屏、凸透镜、白屏依次排列。
球差屏尽量靠近凸透镜，调整显示屏位置，得到一清晰放大的实像。用环行球差屏换下圆孔球差屏，显示屏上的像将变得模糊，调整显示屏，重新得到清晰的实像。这两次成像的位置不同，及透镜不同半径上的焦距不同，这就是球差。用不同的透镜测球差，了解球差与焦距的关系。
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7、慧差
将白炽灯、“品”字屏、凸透镜、白屏依次排列，调整透镜和显示屏的位置，直到得到一清晰的实像。将凸透镜转动一个角度，移动白屏，观察像的变化。
8、色差
将白炽灯、红色滤色片、“品”字屏、凸透镜、白屏依次排列，调整透镜和白屏的位置，直到得到一个红色、清晰的实像。记下白屏的位置。旋下红色滤色片，装上兰色滤色片，像将变动模糊。重新调整白屏的位置，重新得到清晰的实像。记下此时白屏的位置。两次成像的位置略有不同。
9、景深
将白光源、“品”字屏、凸透镜、白屏依次排列，调整凸透镜和白屏的位置，直到得到一清晰的实像。在凸透镜前加上一可变光栏，依次改变光栏孔径，并同时移动白屏，观察像的清晰范围。孔径越小，清晰范围（景深）越大。
10、投影仪
将白光源、凸透镜、品字屏、凸透镜、白屏依次排列。调整品字屏和凸透镜的位置，使品字屏在白屏上成一个放大的像，取下第一个凸透镜，观察想的明暗变化。
11、开普勒望远镜
（1）凸透镜之间的距离约为两个焦距之和，仔细调整间距，直到得到远处景物的清晰倒立的像。放大倍数M=f1/f2。
（2）将标尺屏放在导轨的另一端，重新调整两透镜间的距离，直到可清晰的看到标尺屏上的刻度为止。用两只眼睛分别从透镜里和透镜外同时观看标尺屏，根据两个像的大小比例，估测望远镜的放大倍数。
（3）画出物体在有限远时的望远镜的光路图，推导出放大倍数的公式。 12、伽利略望远镜
（1）凸凹透镜之间的距离约为两个焦距之差，仔细调整间距，直到得到远处景物的清晰正立的像。放大倍数M=f1/f2。
（2）将标尺屏放在导轨的另一端，重新调整两透镜间的距离，直到可清晰的看到标尺屏上的刻度为止。用两只眼睛分别从透镜里和透镜外同时观察标尺屏，根据两个像的大小比例，估测望远镜的放大倍数。
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（3）画出物体在有限远时的望远镜的光路图，推导出放大倍数的公式，比较两种望远镜有何不同。
13、显微镜：
将凸透镜、凸透镜、显微镜物依次排列。标尺屏位于物镜一倍焦距外一点，两透镜相距300mm以上。移动目镜，直到得到显微镜物的清晰倒立的像。
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实验三十三 液晶的电光效应
一、实验目的
观测线偏振光通过液晶合后其偏振态的变化规律，以及在交流电场作用下的变化情况，观察、测量工作电压与透射光的强度、偏振态和光斑形状的关系，确定液晶合的扭曲角。了解液晶的工作原理和特性。 二、仪器装置
三、实验原理
液晶是介于液体与晶体之间的一种物质状态，既具有液体的流动性，其分子又按一定规律有序排列，使它呈现晶体的各向异性。当光通过液晶时，会产生偏折面旋转、双折射等效应。液晶分子是含有极性基团的极性分子，在电场作用下，偶极子会按电场方向取向，导致分子原有的排列方式发生变化，从而液晶的光学性质也随之发生改变，这种因外电场引起的液晶光学性质的改变称为液晶的电光
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效应。
液晶的电光效应演示仪根据液晶的电光效应研究一束线偏振光通过液晶合后，其偏振态的变化规律以及在交流电场作用下的变化情况，并观察、测量工作电压与透射光的强度、偏振态和光斑形状的关系，确定液晶合的扭曲角等。 四、实验内容与实验步骤
1、液晶扭曲角的测量
（1）按照激光器、偏振片（起偏器）、液晶合、偏振片（检偏器）、功率计探头的顺序，在导轨摆好光路。连接各种导线。
（2）打开激光器，仔细调整各个光学元件的高度合激光器的方向，尽量使激光从光学元件的中心穿过，进入功率计探头。
（3）旋转起偏器，使通过起偏器的激光最强。
（4）打开液晶驱动电源，将功能按键置于连续状态。驱动电压调整到12V。 （5）旋转起偏器和液晶盒，找到系统输出功率最小的位置，记下此时检偏器的位置（角度）。
（6）关闭液晶驱动电源，此时系统通光情况将发生变化，再次调整检偏器位置，找到系统通光功率最小的位置，记下此时检偏器的位置（角度）。
（7）步骤5与6之间的角度位置差，就是该液晶合在该波长下的扭曲角。 2、对比度
（1）重复上一实验的1、2、3、4步，记下最小功率值。为Tmin。 （2）关闭液晶驱动电源，记下此时的系统输出功率。为Tmax。 （3）对比度c=Tmin/Tmax,动态范围DR=10logc(dB)。 3、上升沿时间T1与下降沿时间T2的测量。 （1）重复实验一的1、2、3、4步。
（2）旋转检偏器和液晶合，找到系统输出功率较小的位置。
（3）用光探头换下功率计探头，连接好12V电源线（红为+，黑为-，红对红，黑对黑）。
（4）将示波器的CH1通道用信号线与液晶驱动信号相连，CH1做触发。CH2通道上的示波器表笔与光探头相连（地线与12V的地相连，挂钩挂在探头线路板的挂还上）。
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（5）打开示波器上电源，功能置于双综显示，CH1触发。
（6）观察示波器上的CH1通道波形。了解液晶驱动电源的工作条件。 （7）将功能按键置于间隙状态，调整频率旋转，观察系统输出光的变化情况，和示波器上波形的情况，体会液晶电源的工作原理。
（8）根据定义，在示波器上测量上升沿时间和下降沿时间。估计液晶的响应速度。
4、通过测量衍射角推算出特定条件下，液晶的结构尺寸 （1）取下实验一中检偏器和功率计探头
（2）打开液晶驱动电源，将功能按键置于连续，将驱动电压置于6V左右，等待几分钟，用白屏观察液晶合后光斑的变化情况。应可观察到类似光栅衍射的现象。
（3）仔细调整驱动电压和液晶合角度，使衍射效果最佳。
（4）用尺子量出衍射角，用光栅公式求出这个液晶“光栅”的光栅常数。 5、观察测量衍射斑的偏振状态 （1）重复实验4的1、2、3步。 （2）紧靠液晶合放置检偏器 （3）用白屏观察衍射斑
（4）旋转检偏器，观察各衍射斑的变化情况，指出其变化规律。 6、液晶的电光效应曲线
（1）重复实验一中的1、2、3、4步
（2）旋转检偏器和液晶盒，找到系统输出功率最小的位置。
（3）缓慢调节驱动电压旋钮，使驱动电压降低，记录下电压与光功率的关系。可每0.5V记录一次通光功率，注意：液晶的变化会非常缓慢，每次调整完电压后，要等光功率基本稳定后，再记录。
（4）电压调到最低后，可反向再做一次该实验。即使电压从低向高缓慢变化，记录下相关数据。比较两次实验数据、曲线的不同。
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实验三十四 磁致旋光效应
一、实验目的
观察磁致旋光现象，了解法拉第效应，理解磁场与旋转角之间的关系。 二、仪器装置
三、实验原理
1845年法拉第发现，将一块玻璃放入强磁场中，它将使穿过玻璃的线偏振光的偏振面发生旋转，其旋转的角度与磁感应强度、材料长度等成比例关系。这是由于一束线偏振光可以分解成两个同频率等幅度的左旋偏振光和右旋偏振光，这两束光在法拉第材料中的折射率不同，因此传播速度也不同，当它们穿过材料重新合成时，其偏振面就发生了变化。
法拉第效应产生的旋光现象与其它旋光现象有所不同，如常见的1/2波长和石英旋光片，它们的旋光方向与光传播的方向有关，而法拉第效应产生的旋光，
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其旋转方向只与磁场方向有关，而同光传播的方向无关。本实验中使光线穿过位于电磁线圈中心的磁致旋光材料，当改变励磁电流的方向和大小，会发现光线的偏振方向发生了明显的变化。 四、实验内容与实验步骤
1、接好各个设备之间的连线，打开激光器和功率计电源，调整光路，使光束可穿过电磁线圈中心的磁致旋光材料。
2、旋转检偏器，使功率计指示值最小，这时起偏器和检偏器相互垂直，处于消光状态。
3、打开线圈驱动电源，将驱动电源电流调到0.5A，此时功率指示值将发生变化
4、重新旋转检偏器，使功率指示值尽可能的小，系统重新进入消光状态，记下此时的电流值和检偏器的角度变化之和方向。
5、按一定间隔增大电流，记下相应的电流值和检偏器的角度变化值 6、根据电流与电磁线圈中磁场的关系和以上实验数据，确定θ和B的大致关系。
7、将激光器放到导轨另一端，使光束从电池线圈的另一端穿过磁致旋光材料，改变励磁电流，观察旋光方向，并与步骤5中的方向进行比较。
8、交换驱动电源的电流输出导线，改变电磁线圈中的电流方向，改变电流大小，观察眩光方向，掌握其中的规律。
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