第一篇：光學教案

6.1 光的吸收和散射

教 案

主講： 朱 輝 單位：物電學院

2010-12-08【教學目的】

掌握光在傳播中與物質的相互作用之一——能量變化（吸收和散射）。掌握朗伯定律。

掌握吸收光譜及其應用。

能夠利用瑞利散射理論解釋朝陽、藍天現(xiàn)象。能夠利用米氏散射理論解釋白云和霧的現(xiàn)象。了解散射光的偏振性。

培養(yǎng)學生利用光的吸收和散射原理解釋自然現(xiàn)象的能力。提高學生對環(huán)境保護的認識。【教學內(nèi)容】

朗伯定律。

一般吸收和選擇吸收。

吸收光譜及其應用。

光的散射定義。瑞利散射和米氏散射。藍天、朝陽和白云現(xiàn)象?！窘虒W重點】

朗伯定律、吸收光譜。

用散射理論解釋自然界中的光學現(xiàn)象?！窘虒W難點】

吸收光譜。電偶極輻射理論。

散射和漫射、反射和衍射的區(qū)別。散射光的偏振性?！菊n時安排】 45分鐘 【預習要求】

觀察自然界中的吸收和散射現(xiàn)象?！窘虒W方法】

實驗演示法、講授法、談話法等?！緦嶒炑菔尽?/p>

通過實驗演示光的吸收和散射現(xiàn)象

通過PPT顯示光的吸收和吸收光譜的動畫或圖片?！窘虒W手段】

采用多媒體教學?！緟⒖紩亢蛥⒖嘉墨I】

1.趙凱華.新概念物理教程光學.北京:高等教育出版社,2004.11.2.鐘錫華.現(xiàn)代光學基礎.北京：北京大學出版社，2003.8.3.趙凱華,鐘錫華.光學.北京:北京大學出版社,1984.4.母國光,戰(zhàn)元齡.光學.北京:人民教育出版社,1979.5.郭光燦等.光學.北京:高等教育出版社,1997.6.張志軍, 熊維巧.原子吸收分光光度法測定微量鉻[J].化學工程師 , 2000,(03)7.孫立民, 郭麗娟.氫化物原子吸收分光光度法測定水中的汞[J].吉林水利 , 2002,(06)8.伯廣宇等.探測大氣溫度和氣溶膠的瑞利-拉曼-米氏散射激光雷達[J].光學學報,2010（01）.【作業(yè)】

Page291 6.2 [教學內(nèi)容] 導入：

除了真空，沒有一種介質對電磁波是絕對透明的。光的強度隨穿進介質的深度而減少的現(xiàn)象，稱為介質對光的吸收（absorption）。仔細的研究發(fā)現(xiàn)光不僅有吸收而且還有散射兩種情況，前者是光能量被介質吸收后轉化為熱能，后者則是光被介質散射到四面八方。

演示1：光通過液體以后的變化，引入光與物質相互作用中的吸收和散射問題。發(fā)現(xiàn)

光束越深入物質，強度將越減弱

結論：

⑴ 光的能量被物質吸收——光的吸收現(xiàn)象

⑵ 光向各個方向散射 ——光的散射

6.1 光的吸收和散射

一、光的吸收 1.朗伯定律

實驗表明，當光沿X方向均勻通過介質的時候，設光的強度在經(jīng)過厚度dx的一層介質時強度由I減為I-dI。在相當廣闊的光強范圍內(nèi)，-dI正比于I和dx，有

?dI??Idx

（1）

式中α是個與光強無關的比例系數(shù)，成為該物質的吸收系數(shù)。

為了求出光束穿過厚度為l的介質后的強度

圖一 光的吸收

改變，（1）改寫為

并在0到l區(qū)間對x進行積分。得

?le

(2)

I?I0?dII???dx

在光強不太強的情況下，大量的實驗證明這個定律相當精確。

激光出現(xiàn)后，由于人類掌握的光強增加了幾個甚至十幾個數(shù)量級——這時候就出現(xiàn)光與物質作用的非線性效應（非線性光學）。

在液體中吸收系數(shù)α與液體濃度C的關系為

??AC

(3)那么(2)式可以改寫為

I?I0e?ACl

(4)公式(3)可以作為液體濃度測量的理論依據(jù)。2.一般吸收和選擇吸收

在吸收的過程中，如果所有的波長的吸收都是一樣的，我們稱為普遍吸收，也可以稱之為一般吸收。

a）一般吸收

吸收很少，并且在某一給定的波段內(nèi)幾乎不變。如：空氣、無色玻璃和純水都是在可見光范圍內(nèi)產(chǎn)生一般吸收。

不是所有的物質都是如此，對于廣闊的電磁波了范圍，一般吸收介質不可能存在。比如我們看一束白光通過一個濾光片，那么就會產(chǎn)生一些特殊的效果。如紅色濾光片后變成紅光，這種物質對某些波長吸收特別強烈的過程，我們稱為選擇吸收。

b)選擇吸收

特點表現(xiàn)為：吸收很多，并且隨著波長的變化而劇烈的變化。任何一種物質對光的吸收都是有這兩種吸收組成。c）吸收曲線的應用。（如光纖吸收曲線）

圖二 光纖的工作波長分段圖

圖二是光纖的吸收曲線，從圖中可以看出吸收比較少的，而且應用最好是波長1550nm的窗口。這也是高錕的重要貢獻。

圖三 大氣窗口

一般將大氣的衰減作用相對較輕、透射率較高、能量較易通過的電磁波段定義為大氣窗口。只有位于大氣窗口的波段才能被用于生成遙感圖像。在VIS—IR區(qū)段，常用的大氣窗口有：0.3—1.3μm、1.5—1.8 μ m、2.0—2.6 μ m、3.0-4.2 μ m、4.3—5.0 μ m、8—14 μ m。在微波區(qū)段，主要采用的大氣窗口為8mm附近和頻率低于20GHz的波段。

3.吸收光譜

產(chǎn)生連續(xù)光譜的光源所發(fā)出的光，通過有選擇吸收的介質后，用分光計可以看出默寫線段或某些波長的光被吸收。這就形成了吸收光譜。

a)實驗裝置

圖4 觀察吸收光譜的實驗裝置

b)吸收光譜

當連續(xù)的白光通過吸收物質后再經(jīng)過光譜儀器的分析，即可將不同波長的光被吸收的情況顯示出來，形成“吸收光譜”。

c)吸收光譜與發(fā)射光譜的關系

圖五 氫原子在可見光區(qū)域的發(fā)射光譜和吸收光譜

從圖五中可以看出，吸收譜中的暗線和發(fā)射譜中明線意義對應，也就是說某種物質自身發(fā)射那些波長的光，它就強烈的吸收那些波長的光。

d)吸收光譜的應用

我們知道不同的元素對應有不同的發(fā)射譜線，就如同條形碼一樣。很多的時候我們無法也不能把元素加上高溫讓其發(fā)射譜線，如恒星表面覆蓋的一層氣體。

利用吸收譜觀察太陽表面的元素構成：1868年法國人讓桑（J.P.Janssen）發(fā)現(xiàn)太陽光譜中出現(xiàn)了不知來源的暗線；后有英國天文學家洛爾基（J.N.Lockyer）取名為氦，源于希臘語意為太陽(helios)。這種物質1894年才有英國化學家萊姆賽（W.Ramsay）從億鈾礦蛻變的氣體中發(fā)現(xiàn)。

利用吸收光譜測量：元素比例的定量分析。

二、光的散射

1.光的散射

在光學性質均勻的介質中或兩種折射率不同介質的分界面上，無論光的直射、反射和折射都僅局限在某一個特定的方向上，而在其他方向上的光強則等于零，我們沿著光束的側向觀察就應該看不到光。

但光束通過光學性質不均勻的物質時，從側向卻可以看到光，這種現(xiàn)象叫光的散射。

2.電偶極輻射理論

光通過物質的時候，由于電場的作用，物質中的原子、離子或分子在入射光電場的作用下做受迫振動。設p=ez，z=Acoswt經(jīng)典的理論告訴我們。

E?H?eA4??0cRE2?sin?cos?(t?2Rc)

(5)

?0cz?S?Hz?p?O?p?O?EI

圖六 電偶極輻射

圖七 波的強度與角度的關系

能量可以用坡印廷矢量表示

???S?E?H?EH?1?0cE(6)則波的強度的平均值為

S?I?1?0cE2??0eA?32?cR22224sin?2

(7)有此可知，光在半徑為R的球面上各點的相位都相等(球面波)，相位落后園心R/c，但是振幅隨著角度變化。

3.散射與介質不均勻的關系

當光入射到介質上，將激起其中的電子作受迫振動，從而發(fā)出相干次波。注意這里的次波和惠更斯——菲涅耳原理假設的次波不同，這里是真是的振源。理論上可以證明，只要分子的密度是均勻的，次波相干疊加的結果，只剩下遵守幾何光學規(guī)律的光線，沿著其余方向的振動完全抵消。但是，在微觀的尺度，由于分子的漲落，沒有物質是均勻的。那么當尺度達到波長量級的鄰近小塊之間的光學性質有較大差異時，在光波的作用下它們將成為強度差別較大的次波源，而且從它們到空間個點已有不可忽略的光程差，這些結果就遠遠不同于均勻介質的情況。如圖八所示：

圖八 散射、衍射和反射

圖中可以看出，介質比較大的情況下，散射可以看作反射和折射。介質比較小的情況下，可以看作衍射。4．瑞利散射和米氏散射

瑞利在1871年針對細微質點的散射，通過大量的實驗，提出了散射光強與波長的四次方成反比的規(guī)律。

從電動力學的結果我們也可以看出，偶極子的輻射功率也是正比與頻率的四次方。究其原因，瑞利認為是熱運動破環(huán)了分子之間的關聯(lián)。

同樣我們從上面的分析也可以看出，較大顆粒對光散射，不能僅僅看成獨立的電偶極子的振蕩合成了，它們有很大的一部分是相關的。對應大顆粒散射，米(C.Mie)和德拜(P.Debye)以球形質點為模型計算了電磁波的散射，給出了適用于任何球體的散射公式。如圖九所示。

圖九 瑞利散射和米氏散射

5.藍天、朝陽和白云 首先，白晝天空之所以是亮的，完全是大氣散射陽光的結果。如果沒有大氣，即使在白晝，人們仰觀天空，將看到光輝奪目的太陽懸掛在漆黑的背景中。這景象是宇航員司空見慣了的。由于大氣的散射，將陽光從各個方向射向觀察者，我們才看到了光亮的天穹，按瑞利定律，白光中的短波成分（藍紫色）遭到散射比長波成分（紅黃色）強烈得多，散射光乃因短波的富集而呈蔚藍色。瑞利曾對天空中各種波長的相對光強作過測量，發(fā)現(xiàn)與反比律頗相吻合。大氣的散射一部分來自懸浮的塵埃，大部分是密度漲落引起的分子 散射，后者的尺度往往比前者小得多，瑞利反比律的作用更加明顯。所以每當大雨初霽、玉宇澄清的時候，天空總是藍得格外美麗可愛，其道理就在這里.由于白光中的短成分被更多地散射掉了，在直射的日光中剩余較多的自然是長波成分了。早晚陽光以很大的傾角穿過大氣層，經(jīng)歷大氣層的厚度要比中午時大得多，從而大氣的散射效應也要強烈得多，這便是旭日初升時顏色顯得特別殷紅的原因（圖十）。白云是大氣中的水滴組成的，因為這些水滴的半徑與可見光的波長相比已不算太小了，瑞利定律不再適用，按米-德拜的理論，這樣大小的物質產(chǎn)生的散射與波長的關系不大，這就是云霧呈白色的緣故。

圖十 藍天和朝陽的形成

6.散射光的偏振性

雖然從光源發(fā)出的光是自然光。但從正側方（Z）觀察時發(fā)現(xiàn)散射光是線偏振。斜方向觀察發(fā)現(xiàn)是部分偏振的，唯有在X方向才是自然光。如圖十一。

圖十一 散射光的偏振性

先假定入射光是線偏振的，傳播方向沿X軸，電矢量E沿平行Y軸的方向振動。根據(jù)電偶極振蕩理論所有的受迫振動都是平行與Y軸的，由此產(chǎn)生的次級電磁波是球面波，向各個方向傳播時，波的電矢量E’都是在電偶極子軸線DD’所在的平面內(nèi)。由于光是橫波，E’還必須垂直與波的傳播方向。根據(jù)(7)式，在赤道面各點的振幅最大，兩極為零。

同樣可以把自然光的另外一部分沿著Z軸振蕩處理。就可以得到上述的實驗結果。

應用：蜜蜂利用偏振光和生物鐘來辨別方向。

開車時司機帶有偏光的太陽鏡。

第二篇：光學教案

光學知識點

（一）光源：能發(fā)光的物體。

1、光源可分為自然光源。如 ：太陽、螢火蟲。

2、人造光源。如： 篝火、蠟燭、油燈、電燈、電視機屏幕。

3、月亮、平面鏡、放電影時所看到的銀幕本身不會發(fā)光，它們不是光源。

（二）光的傳播：光在同一種均勻介質中是沿直線傳播的。

1、表示光的傳播方向的直線叫光線，光線是帶箭頭的直線，箭頭表示光傳播的方向。

2、用光的直線傳播解釋簡單的光現(xiàn)象

1）影的形成：光在傳播過程中，遇到不透明的物體，由于光是沿直線傳播的，所以在不透光的物體后面，光照射不到，形成了黑暗的部分就是影。2）日食、月食的成因。

3）小孔成像：小孔成像實驗早在《墨經(jīng)》中就有記載小孔成像成倒立的實像，其像的形狀與孔的形狀無關。

（三）光速

81、光在真空中的傳播速度是3×10 m/s.2、光在其他各種介質中的速度都比在真空中的小.3、光在空氣中的速度可認為是3×108 m/s.（四）色散：復色光分解單色光的現(xiàn)象，叫做光的色散。

1、白光是復色光。白光通過棱鏡不能再分解的光叫做單色光

2、紅、綠、藍是色光的三原色

3、紅、黃、藍是顏料的三原色。

（五）光的反射：光從一種介質射向另一種介質表面時，一部分光被反射回原來介質的現(xiàn)象叫光的反射。

1、反射定律：反射光線與入射光線、法線在同一平面上，反射光線和入射光線分居于法線的兩側，反射角等于入射角。光的反射過程中光路是可逆的。

2、分類：

⑴ 鏡面反射：射到物面上的平行光反射后仍然平行。

迎著太陽看平靜的水面，特別亮。黑板“反光”等，都是因為發(fā)生了鏡面反射 ⑵ 漫反射：射到物面上的平行光反射后向著不同的方向 每條光線遵守光的反射定律。

（六）平面鏡：

1、成像特點：①物體在平面鏡里所成的像是虛像。②像、物到鏡面的距離相等。③像、物大小相等。④像、物的連線與鏡面垂直。

2、“正立”“等大”“虛象”像、物關于鏡面對稱。

3、成像原理：光的反射定理。

4、作用：成像、改變光路。

5、實像和虛像：實像：實際光線會聚點所成的像。

虛像：反射光線反向延長線的會聚點所成的像。

（七）光的折射：光從一種介質斜射入另一種介質時，傳播方向一般會發(fā)生變化；這種現(xiàn)象叫光的折射現(xiàn)象。

1、光的折射定律：

⑴折射光線，入射光線和法線在同一平面內(nèi)。⑵折射光線和入射光線分居與法線兩側。⑶

光從空氣斜射入水或其他介質中時，折射角小于入射角。光從水中或其他介質斜射入空氣中時，折射角大于入射角。光從空氣垂直射入（或其他介質射出），折射角=入射角= 0度。

2、在折射時光路是可逆的。

3、應用：從空氣看水中的物體，或從水中看空氣中的物體看到的是物體的虛像，看到的位置比實際位置高。

（八）透鏡成像：

1、透鏡及分類： 凸透鏡： 邊緣薄，中央厚。

凹透鏡： 邊緣厚，中央薄。

2、主光軸，光心、焦點、焦距。

主光軸：通過兩個球心的直線。

光心：主光軸上有個特殊的點，通過它的光線傳播方向不變。焦點：凸透鏡能使跟主軸平行的光線會聚在主光軸上的一點，這點叫透鏡的焦點，用“F”表示

焦距：焦點到光心的距離叫焦距，用“f”表示。

虛焦點：跟主光軸平行的光線經(jīng)凹透鏡后變得發(fā)散，發(fā)散光線的反向延長線相交在主光軸上一點，這一點不是實際光線的會聚點，所以叫虛焦點。每個透鏡都有兩個焦點、焦距和一個光心以及一條主光軸。

3、透鏡對光的作用

凸透鏡：對光起會聚作用。

凹透鏡：對光起發(fā)散作用。

4、凸透鏡成像規(guī)律

注意：

u>f： 物距增大、像距減小、像變小、成倒立實像；物距減小、像距增大、像變大、成倒立實像。

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第三篇：光學 雙折射 教案

《光學》電子教案

§5-3 光通過單軸晶體時的雙折射現(xiàn)象

一、雙折射現(xiàn)象

1、什么叫雙折射現(xiàn)象

1669年，巴托里奴斯發(fā)現(xiàn)，一束光進入方解石（晶體）后產(chǎn)生兩束折射光，我們將一束光進入晶體后產(chǎn)生兩束折射光的現(xiàn)象，叫雙折射現(xiàn)象。

2、尋常光和非常光

一束光垂直晶面入射，折射光中一束遵守折射定律，另一束不遵守折射定律。遵從折射定律的光線稱為尋常光線，簡稱o光，不遵從折射定律的光線稱為非常光線，簡稱e 光，不遵從折射定律的含義：1°，sini1/sini2?常數(shù)，2°折射面與入射面不一定重合。尋常光和非常光都是平面偏振光。

二、光軸與主截面

1、光軸：在晶體內(nèi)常有一個或兩個固定的方向，光在晶體內(nèi)沿著這一方向傳播時，不發(fā)生雙折射，這一方向稱為晶體的光軸。

注意：光軸僅標志一定的方向，并不限于某一條特殊的直線。單軸晶體、雙軸晶體

2、主截面 包含光軸和一條給定光線的平面，叫作與這條光線相對應的晶體的主截面。通過o光和光軸所作的平面稱為o光的主截面。通過e光和光軸所作的平面稱為e光的主截面。O光垂直于自己的主截面；e光平行于自己的主截面。

光軸位于入射面內(nèi)，o光和e光的主截面重合，一般情況下不重合，但夾角很小，看作重合。

三、o光和e光的相對強度

1、用自然光照射，o光和e光強度相等。

2、用平面光（偏振光）照射，情況又如何？

入射偏振光的振幅為A，其振動面與主截面夾角為θ

?Ae?Acos? ??A0?Asin?I0/Ie?tg2? 晶體轉動，改變?角

光束若粗些，有重迭部分，晶體旋轉時，重迭部分光強不變。

I0?A2sin2? Ie?A2cos2? I0?Ie?A2(sin2??cos2?)?A2?I

例：強度為I的自然光，垂直入射到方解石晶體上后又垂直入射到另一塊完全相同的晶體上。兩塊晶體的主截面之間的夾角為?，試求當?分別等于30°時，最后透射出來的光束的相對強度（不考慮反射、吸收等損失）。

§5-4 光在晶體中的波面

一、o光和e光的波面

雙折射的實質是o 光和e 光在晶體中的傳播速度不同。

o光的傳播規(guī)律與光在各向同性介質中一樣，Vo 沿各方向的傳播時相同，波面為球面。e 光則不然，Ve 沿各方向的傳播時不同，波面為橢球面。光沿光軸傳播, e光振動方向垂直光軸 ve?vo?光垂直光軸傳播,e光振動方向平行光軸, ve?在光軸方向：兩波面相切；

垂直于光軸方向：兩波光速相差最大。

單軸晶體分為兩類：vo>ve 叫正晶體（如石英），ve>vo 叫負晶體（如方解石）。

cnecno

二、光在晶體中的傳播方向

1、單軸晶體內(nèi)o光和e光的傳播方向

利用o光和e光的波面圖和惠更斯求波面作圖法，可以確定o光和e光在晶體內(nèi)的傳播方向。

1、光軸在入射面內(nèi)，并與晶體表面成一定傾 角，平行光以入射角i 1入射到晶體表面。AB為入射光波面，B點發(fā)出次波傳至o點時，A點發(fā)出的次波已進入晶體內(nèi)，作出o光和e光的波面，它們在光軸方向相切，作出整個光束在晶體內(nèi)傳播時o光和e光的波面，o光的波面為DE，e光的波面為DF，o光傳播方向與波面垂直，e光的傳播方向與波面不垂直。

2、光軸垂直于晶體表面，并平行于入射面，平行光垂直入射。o光和e光傳播方向一致，速度相同不產(chǎn)生雙折射。

3、光軸平行于晶體表面，并平行于入射面，平行光垂直入射。產(chǎn)生雙折射。

4、光軸平行于晶體表面，并垂直于入射面，平行光垂直入射。O光和e光的傳播方向一致，但速度不同，產(chǎn)生雙折射。

5、光軸平行于晶體表面，并垂直于入射面，平行光以入射角i1射到晶體表面。e光在垂直于光軸方向傳播時，傳播方向與波面垂直，Ve為常數(shù)。

二、單軸晶體的主折射率

1、晶體對o光的折射率

c , ∵v0與方向無關，n0與方向無關。v0n0?

2、晶體對e光的折射率

e光在晶體內(nèi)的傳播速度與方向有關，雙折射晶體對e光的折射率是方向的函數(shù)。光軸垂直于入射面的特殊情況下，e 光也遵從折射定律。

sini1BD/ADc?tc=常數(shù)，遵守折射定律 ???sini2eAF/ADve?tvec，為晶體對e光的主折射率，即e光在垂直于光軸方向的折射率。ve定義：ne?晶體對e光在其他方向的折射率價于n0與ne之間。

正晶體，n0ne.例：

第四篇：光學發(fā)展簡史教案

光學發(fā)展簡史教案

一、教學目標

1.使學生了解本課程的主要內(nèi)容，了解光學的發(fā)展簡史。2.使學生了解光學的研究內(nèi)容和方法，掌握光學的基本概念。3.了解光學的研究對象和光學發(fā)展的五個時期。4.了解并掌握學習光學的方法。

二、教學重點及難點

1.教學重點：學生通過學習光學，對內(nèi)容的理解，了解光學的發(fā)展史。

2.教學難點：學生在學習光學的過程中，讓學生了解光學發(fā)展的五個時期所代表的人物和成就，了解這些人物中各有哪些成就。

三、教學準備：ppt課件、光學發(fā)展簡史資料。

四、教學過程：

一、導入新課

1.談話引入：上課開始時，提問：學生，你們對光學的發(fā)展了解多少呢？知道什么叫光學嗎？

2.（學生思考、討論，指名學生回答）

3.這節(jié)課，我們一起來了解一下，光學的發(fā)展簡史。

二、光學的基本概念 1.師：什么是光學？

（學生思考、討論，回答）2.師：出示ppt課件進行講解 光學是一門研究光（電磁波）的行為和性質，以及光和物質相互作用的物理學科。

三、光學的研究對象

1.師：光學的研究對象分為哪兩個部分？

（學生思考、討論，回答）

師：出示ppt課件展示

（經(jīng)典光學、現(xiàn)代光學）

2.結合ppt課件問學生，經(jīng)典光學、現(xiàn)代光學又分為哪幾個部分。

（學生思考、討論，回答。）

師：出示ppt課件展示，進行講解。

四、師：光學發(fā)展分為哪幾個時期？

學生思考、討論，回答。

（分為五個時期）

師：光學發(fā)展的五個時期主要有哪些？

（學生思考、討論，回答）

結合有關光學發(fā)展史資料、ppt課件展示進行講解 1.萌芽時期

2.幾何光學時期 3.波動光學時期

4.量子光學時期 5.現(xiàn)代光學時期

五、師：光學發(fā)展的五個時期中所代表的人物和成就有哪些？

（學生思考、討論，回答。）

師：結合ppt課件、光學發(fā)展史資料進行展示、講解。

六、拓展延伸

通過對光學發(fā)展史的學習，學生對本課所講授的知識已完全掌握，因此我將設計了課后作業(yè)，讓學生課后去查閱有關光學發(fā)展史的資料，了解光學發(fā)展中的一些偉大的歷史人物和成就。

七、板書設計

板書就像一份微型的教案，體現(xiàn)了教學目標、教學重難點及教學過程。我的板書設計是：此板書力圖全面而簡明的將授課內(nèi)容傳授給學生，清晰直觀，便于學生理解和記憶，理清文章的脈絡。

光學的發(fā)展簡史：

什么是光學

光學的研究對象

光學發(fā)展的五個時期

光學發(fā)展的五個時期所代表的人物

第五篇：角度測量 光學經(jīng)緯儀 教案

§3.2光學經(jīng)緯儀

一、復習：

1、水平較測量原理

2、豎直角測量原理

二、引入：

根據(jù)測量水平角和豎直角的原理和要求，而設計制造的一種測角儀器稱為經(jīng)緯儀，這節(jié)課我們主要學習，認識下光學經(jīng)緯儀。

三、新課：

光學經(jīng)緯儀

經(jīng)緯儀按精度分為DJ0.7、DJ1、DJ2、DJ6、DJ15、DJ20六個等級，D—大地測量、J—經(jīng)緯儀、下標表示經(jīng)緯儀的精度，以秒為單位，數(shù)字越小，精度越高。<一>、DJ6級光學經(jīng)緯儀的構造

它主要由照準部(包括望遠鏡、豎直度盤、水準器、讀數(shù)設備)、水平度盤、基座三部分組成?，F(xiàn)將各組成部分分別介紹如下：

１．望遠鏡

望遠鏡和橫軸固連在一起放在支架上，并要求望遠鏡視準軸垂直于橫軸，當橫軸水平時，望遠鏡繞橫軸旋轉的視準面是一個鉛垂面。為了控制望遠鏡的俯仰程度，在照準部外殼上還設置有一套望遠鏡制動和微動螺旋。在照準部外殼上還設置有一套水平制動和微動螺旋，以控制水平方向的轉動。當擰緊望遠鏡或照準部的制動螺旋后，轉動微動螺旋，望遠鏡或照準部才能作微小的轉動。

２．水平度盤

水平度盤是用光學玻璃制成圓盤，在盤上按順時針方向從0°到360°刻有等角度的分劃線。相鄰兩刻劃線的格值有1°或30′兩種。度盤固定在軸套上，軸套套在軸座上。水平度盤和照準部兩者之間的轉動關系，由離合器扳手或度盤變換手輪控制。

３．讀數(shù)設備

我國制造的DJ6型光學經(jīng)緯儀采用分微尺讀數(shù)設備，它把度盤和分微尺的影像，通過一系列透鏡的放大和棱鏡的折射，反映到讀數(shù)顯微鏡內(nèi)進行讀數(shù)。在讀數(shù)顯微鏡內(nèi)就能看到水平度盤和分微尺影像。度盤上兩分劃線所對的圓心角，稱為度盤分劃值。

在讀數(shù)顯微鏡內(nèi)所見到的長刻劃線和大號數(shù)字是度盤分劃線及其注記，短刻劃線和小號數(shù)字是分微尺的分劃線及其注記。分微尺的長度等于度盤１°的分劃長度，分微尺分成６大格，每大格又分成10，每小格格值為1′，可估讀到0.1′。分微尺的0°分劃線是其指標線，它所指度盤上的位置與度盤分劃線所截的分微尺長度就是分微尺讀數(shù)值。為了直接讀出小數(shù)值，使分微尺注數(shù)增大方向與度盤注數(shù)方向相反。讀數(shù)時，以在分微尺上的度盤分劃線為準讀取度數(shù)，而后讀取該度盤分劃線與分微尺指標線之間的分微尺讀數(shù)的分數(shù)，并估讀到0.1′，即得整個讀數(shù)值

４．豎直度盤

豎直度盤固定在橫軸的一端，當望遠鏡轉動時，豎盤也隨之轉動，用以觀測豎直角。另外在豎直度盤的構造中還設有豎盤指標水準管，它由豎盤水準管的微動螺旋控制。每次讀數(shù)前，都必須首先使豎盤水準管氣泡居中，以使豎盤指標處于正確位置。目前光學經(jīng)緯儀普遍采用豎盤自動歸零裝置來代替豎盤指標水準管。即提高了觀測速度又提高了觀測精度。

５．水準器

照準部上的管水準器用于精確整平儀器，圓水準器用于概略整平儀器。

６．基座部分

基座是支撐儀器的底座?；嫌腥齻€腳螺旋，轉動腳螺旋可使照準部水準管氣泡居中，從而使水平度盤水平。基座和三腳架頭用中心螺旋連接，可將儀器固定在三腳架上，中心螺旋下有一小鉤可掛垂球，測角時用于儀器對中。光學經(jīng)緯儀還裝有直角棱鏡光學對中器。光學對中器比垂球對中具有精確度高和不受風吹搖動干擾的優(yōu)點。<二>、DJ2級光學經(jīng)緯儀

DJ2級光學經(jīng)緯儀的構造，除軸系和讀數(shù)設備外基本上和DJ6級光學經(jīng)緯儀相同。我國某光學儀器廠生產(chǎn)的DJ2型光學經(jīng)緯儀外形。下面著重介紹它和DJ6級光學經(jīng)緯儀的不同之處。

１．水平度盤變換手輪

水平度盤變換手輪的作用是變換水平度盤的初始位置。水平角觀測中，根據(jù)測角需要，對起始方向觀測時，可先撥開手輪的護蓋，再轉動該手輪，把水平度盤的讀數(shù)值配置為所規(guī)定的讀數(shù)。

２．換像手輪 在讀數(shù)顯微鏡內(nèi)一次只能看到水平度盤或豎直度盤的影像，若要讀取水平度盤讀數(shù)時，要轉動換像手輪10，使輪上指標紅線成水平狀態(tài)，并打開水平度盤反光鏡5，此時顯微鏡呈水平度盤的影像。若打開豎直度盤反光鏡1時，轉動換像手輪，使輪上指標線豎直時，則可看到豎盤影像。

３．測微手輪

測微手輪是DJ2級光學經(jīng)緯儀的讀數(shù)裝置。對于DJ2級經(jīng)緯儀，其水平度盤（或豎直度盤）的刻劃形式是把每度分劃線間又等分刻成三格，格值等于20′。通過光學系統(tǒng)，將度盤直徑兩端分劃的影像同時反映到同一平面上，并被一橫線分成正、倒像，一般正字注記為正像，倒字注記為倒像。下圖為讀數(shù)窗示意圖，測微尺上刻有600格，其分劃影像見圖中小窗。當轉動測微手輪使分微尺由零分劃移動到600分劃時，度盤正、倒對徑分劃影像等量相對移動一格，故測微尺上600格相應的角值為10′，一格的格值等于1″。因此，用測微尺可以直接測定1″的讀數(shù)，從而起到了測微作用。

DJ2級光學經(jīng)緯儀讀數(shù)窗

具體讀數(shù)方法如下；

１）轉動測微手輪，使度盤正、倒像分劃線精密重合。

２）由靠近視場中央讀出上排正像左邊分劃線度數(shù)，即30°。３）數(shù)出上排的正像30°與下排倒像210°之間的格數(shù)再乘以10′，就是整十分的數(shù)值，即20′。

４）在旁邊小窗中讀出小于10′的分、秒數(shù)。測微尺分劃影像左側的注記數(shù)字是分數(shù)，右側的注記數(shù)字1、2、3、4、5是秒的十位數(shù)，即分別為10″、20″、30″、40″、50″。將以上數(shù)值相加就得到整個讀數(shù)。故其讀數(shù)為：

度盤上的度數(shù) 30°

度盤上整十分數(shù) 20′

測微尺上分、秒數(shù) 8′00″

全部讀數(shù)為 30°28′00″

４．半數(shù)字化讀數(shù)方法

我國生產(chǎn)的新型TDJ2級光學經(jīng)緯儀采用了半數(shù)字化的讀數(shù)方法，使讀數(shù)更為方便，不易出錯。中間窗口為度盤對徑分劃影像，沒有注記，上面窗口為度和整10′的注記，用小方框“?”標記欲讀的整10′數(shù)，下面窗口的上邊大字為分，下邊小字為“10秒”。讀數(shù)時，轉動測微手輪使中間窗口的分劃線上下重合，從上窗口讀得5°10′，下窗口讀得2′34″，全部讀數(shù)為5°12′34″。

四、小結：

1、重點：光學經(jīng)緯儀的構造和操作方法

2、難點：光學經(jīng)緯儀的讀數(shù)

五、作業(yè)：

無 講授方法：

采用授導法和探究教學，充分發(fā)揮學生主觀能動性。