第三章 物理实验
（一）偏振光实验
一 实验原理
详见教材：《结构化大学物理实验》（第二版）实验3.6（参考页码P.111?120）。
二 实验目的
1．理解光的各种偏振特性；
2．学会鉴别圆偏振光、线偏振光、椭圆偏振光和部分偏振光； 3．验证马吕斯定律；
4．通过测布儒斯特角求材料的相对折射率。
三 实验内容
1．观察起偏和消光现象；
2．鉴别圆偏振光、线偏振光、椭圆偏振光和部分偏振光； 3．了解1/4波片和1/2波片的作用； 4．验证马吕斯定律；
5．通过测布儒斯特角求材料的相对折射率。
四 实验器材
半导体激光器1个，具有测量垂直旋转角度功能的偏振片2个、1/4波片1个和1/2波片1个，带底座玻片1个，布儒斯特角专用旋转工作台和转动支架1个，普通光具座若干，光学导轨（两组合用）1条，光强传感器和相对光强测量仪1套.
五 实验步骤及操作
进行以下操作时，应保证激光束与光学导轨平行，且激光束垂直穿过所有镜片的圆心，到达传感器的中心。
（一）观察起偏和消光现象。
1．起偏：将激光投射到屏上，在激光束中插入一块偏振片，使偏振片在垂直于光束的平面内转动，观察透过光强的变化，并据此判断激光束（光源）的偏振情况。
2．消光：在第一块偏振片和屏之间加入第二块偏振片，将第一块固定，转动第二块偏振片，观察现象，能否找到一个消光位置，此时两偏振片的位置关系怎样？
（二）验证马吕斯定律
数据记录表见表1?1。首先在光源后放上P1，使激光束垂直通过P1中心，旋转P1使光强最强（光电流的读数应在200?1500之间），记下P1的角度坐标，再在P1之后加入P2，使光
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线垂直通过P2中心，旋转P2到透过之光最强，记下P2的度数，此时P1和P2的夹角为?=0°或180°，保持P1不动，旋转P2，每隔10°记录一次对应的光强值I?，直到旋转180°。注意光强测试仪的读数与光强成线性关系，但没有定标，所以I?不代表绝对光强，可以不写单位。
（三）1/4波片和1/2波片的作用 1．1/4波片的作用：
数据记录及分析表见表1?2。保持P1不动，记下P1的度数，旋转P2到看到消光现象，记下P2的度数，然后在P1、P2之间插入1/4波片C1，并使C1转动到再次出现消光现象，记下此时C1的度数，然后使C1由消光位置分别再转过15°、30°、45°、60°、75°、90°时，每次都将P2逐步旋转360°，观察其间光强的变化情况，试问能看到几次光强极大和极小的现象？
各次之间有无变化？为什么？并说明各次由C1透出光的偏振性质。
2．1/2波片的作用
数据记录表见表1?3。保持P1不动，记下P1的度数，旋转P2到看到消光现象。 （1）在P1和P2之间插入一个1/2波片，将此波片旋转360°，能看到几次消光？ （2）将1/2波片任意转过一个角度，破坏消光现象，再将P2旋转360°，能看到几次消光？
（3） 改变1/2波片的光轴与激光通过P1后偏振方向之间夹角θ的数值，使其分别为15°、30°、45°、60°、75°、90°，把P2旋转360°寻找消光位置，记录相应的角度θp2，解释上面实验结果，并由此总结出1/2波片的作用。 （四）通过测布儒斯特角求材料的相对折射率
要测量玻璃的相对折射率，首先要测出空气中平面玻璃的布儒斯特角。为此，必须在光具座上安装旋转工作台和转动支架。参考图1?1，具体步骤如下：
1．在光具座上装一个移动座，其后再放入专用移动座，并把旋转支架装到专用移动座上，再把旋转工作台装入到专用移动座上，把接收屏装入旋转支架的末端，把偏振片装在工作台与接收屏之间。
P2 接收屏 光源i0 i0 图1?1. 测量布鲁斯特角 2．在移动座上装上光源。并调整反射光、偏振片光轴、接收器光轴在同一平面内。 3．将平面玻璃样品置于旋转工作台中心，并使反射面通过旋转中心，并用压片把样品砖固定。使反射面垂直于入射光，读出此时工作台度数io。
转动载物台以改变入射角，致使反射光为线偏振光，即旋转接收屏前的偏振片时会出现消光现象，读出此时旋转工作台的度数i1，记录到表1?4。重复3次，取i1平均值。
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4．i?il?i0，i为所测得布儒斯特角。由此公式求出相对折射率：
tgi=n2/n1 n2=n1·tgi
式中 n2为要求的相对折射率， n1为空气的折射率，值为1。（n1是多少位有效数字？） （五）实验操作注意事项
1．半导体激光器功率较强，不要用眼睛直接观察激光，以免损坏眼睛。 2．测量时要使偏振系统的出射光射入探测器的中间部位。 3．不要触摸任何光学镜面。
六 实验数据记录及数据处理和分析
（一）分别描述起偏器和检偏器旋转360°透过光强是如何变化。 （二）验证马吕斯定律
1．表1?1. 验证马吕斯定律数据记录表
P1=________， P2=________ P1和P2之间的夹角θ 光电流Iθ 0°10° 20° 30° 40° 50° 60° 70° 80° 90° P1和P2之间的夹角θ 100°110° 120° 130° 140° 150° 160° 170° 180° 光电流Iθ 2．绘制出I?—?和I?—cos2?曲线图。
3．分析I?—?和I?—cos2?曲线的含义（紧跟在图后回答）。 （三）1/4波片的作用
1．表1?2. 1/4波片记录分析表
P1=________， P2=________， 1/4波片C1=________
C1由消光位置起转动的角度 P2旋转360°，光强有几次极大和极小 极大和极小之间光强变化的程度 C1透出光的偏振性质 0°15° 30° 45° 60° 75° 90° 2．根据上表总结1/4波片的作用（紧跟在表1?2后回答）。
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（四）1/2波片的作用（通过实验回答1、2问）
1．在P1和P2之间插入一个1/2波片，将此波片旋转360°，能看到几次消光？ 2．将1/2波片任意转过一个角度，破坏消光现象，再将P2旋转360°，又能看到几次消光？
3．改变1/2波片的光轴与激光通过P1后偏振方向之间夹角θ的数值（表1?3）（注意记
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录P2旋转360消光所对应的位置θP2）。
表1?3 1/2波片数据记录表
P1=________， P2=________， 1/2波片C2=________
θ P2所在的消 (位置1) 光位置θP2 ： (位置2) 0°15° 30° 45° 60° 75° 90° 4．依据上面实验结果，总结1/2波片的作用（紧跟在表1?3后回答）。 （五）通过测布儒斯特角求玻璃的折射率 1． 表1?4 测量布儒斯特角实验数据表
测量次数 io i1 1 2 3 平均值 i?il?i0 2．求玻璃的折射率。玻璃的折射率理论值是1.45845，求其相对误差。（要求有公式和计
算过程）
（二）用拉伸法测金属丝的杨氏模量
【实验原理】
详见教材：《结构化大学物理实验》（第二版）实验3.9（参考页码P.132?134）。
【实验目的】
（一）熟练掌握直尺、游标卡尺、螺旋测微计的使用方法； （二）学习用拉伸法测试金属丝的杨氏模量； （三）学习光杠杆放大法法测量微小长度。
【实验内容】
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测量金属丝的杨氏模量。
【实验器材】
拉伸法杨氏模量实验仪，直尺、游标卡尺、螺旋测微计，白炽台灯
【实验步骤及操作】
（一）测量前的调整
1．在杨氏模量仪的挂钩上先预置2.00kg砝码，让其拉直金属丝。
2．通过底座螺钉的调节使平台保持水平（避免圆柱体与平台孔壁相碰而出现的摩擦）。 3．调整平台高低位置，让平台面与圆柱体的上柱面在一个水平面上。
4．把光杠杆放在平台上，让其前面的两足在平台的槽内，后足在与金属丝连接的圆柱体的上平面上，不要把后足放在圆柱体上柱面的孔中或圆柱体与平台孔壁的缝隙中，调节光杠杆镜面仰角，使镜面竖直。
（二）用望远镜找通过光杠杆镜面反射的标尺的像
1．升降望远镜的高度，通过目测，使望远镜镜筒的高度与光杠杆的反光镜面基本等高。 2．将望远镜旁的标尺调到竖直，目测其零刻度线近似与望远镜光轴等高，用台灯照亮标尺。
3．自己目测指挥，请同学帮忙调节光杠杆反光镜的仰角，使得望远镜与反光镜中望远镜的像等高。
4．调节望远镜仰角和水平偏向角。对于老式望远镜，使眼睛视线通过望远镜上的“缺口”顶部中心和“准星”的锥形底部平台中心瞄准时，正好对准光杠杆的反光镜顶部中心，如图2?1（a）所示。对于新式望远镜，使眼睛视线通过望远镜上的“瞄准圆孔”中心和“准星”的顶端平台中心瞄准时，正好对准光杠杆的反光镜圆心，如图2?1（b）所示。
5．保持以上瞄准状态，将望远镜左右整体平移，直反射镜 到标尺的像正好也落在反射镜的中间，形成眼睛、缺口、准星、反射镜、标尺像“五点一线”。
6．调节望远镜目镜焦距到叉丝最清晰，旋转目镜目镜 镜筒到叉丝其中的一条完全水平。
反射镜中标尺的像 目镜 -1 反射镜中标尺的像 准星 缺口 反射镜 瞄准圆-1 准星 （a）老式望远镜 （b）新式望远镜
图2?1望远镜瞄准示意图
7．改变望远镜物镜焦距，直至看清楚镜子的边框，微调调节望远镜仰角、水平偏向角，
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