本书涵盖了大学物理实验课程中几何光学与波动光学的主要内容，包括薄透镜、球面镜和透镜组焦距测量，用诺莫图法分析物像关系；分光计的调整、棱镜光谱仪和光栅光谱仪的搭建和应用；光的干涉、衍射和偏振特性研究；迈克耳逊干涉仪的调整、傅里叶变换光谱仪的搭建和应用等。 在教学安排上，完成所有实验内容需要约48学时；如根据各章的讨论题在实验中安排研讨环节，则可拓展到64学时；如取消各章的拓展应用部分 和课堂讨论，可以缩减到32学时。
本书主要特点是以本科层面的知识为依托，通过在实验中综合运用各类知识和技术手段，培养学生分析解决问题的能力。本书既可以与光学理论课程配舍，强化知识的牢固掌握，融会贯通不同部分的光学知识，并掌握在实际中应用的基本方法，也可作为理工科院校相关实验课程的教材或参考书。
法国高等教育机构主要有两大类，即面向大众开放的综合性大学和需要经过严格入学选拔考试才能进入的高等专业学校即大学校（Grande Ecole）。大多数法国大学校的培养目标是高级工程技术人员以及具有商务管理能力的企业领导人。这类学校教学严谨，在社会上享有很高声誉，同时对学生的理科基础知识要求也很严格，入学前必须经过两年的预科（等同于我国大学一二年级）学习，目的是让学生打下扎实的理科知识基础，之后还必须经过严格的选拔考试，以确保入选的学生初步具备接受精英教育的良好知识基础和文化素质。
本教材是与预科物理课程群中光学理论课程关联的实验课，涵盖了几何光学和波动光学方面的知识。为满足实验课程独立开设的需求，在中文版的编写过程中，适当增加了一些关联的知识和背景介绍。根据实验课程教学特点，以专题形式编排实验内容。每个专题包含多个（知识）由浅入深、（操作）由易到难、（系统性或应用性）由简单到复杂，关联度很高的系列实验项目。通过观察实验现象，获得客观真实的实验数据或特征，再对数据或特征进行分析以解释物理现象，从而帮助学生形成物理世界观。
全书共8章。第1章薄透镜和球面镜焦距测量及诺莫图法应用，从实像到虚像、实物到虚物，从定性到半定量、定量测量薄透镜和球面镜焦距，介绍了基础物理实验中焦距的基本测量理念和方法，后根据光经过器件后的发散或汇聚特征，以诺莫图法对各类薄透镜和球面镜的成像特点进行归纳总结，并以天文望远镜的研究作为应用拓展实验。第2章介绍了色差和消色差透镜组，并通过物像关系分析和位置的精确测量，得到透镜组的焦距，后以光学显微镜放大率测量作为探究性实验。第3章介绍了分光计的基本调整方法，并用小偏向角法研究三棱镜的折射率与波长的关系以验证柯西公式。第4章要求搭建并标定棱镜光谱仪和光栅光谱仪，并以此测定汞灯、节能灯的谱线；此章的探究实验是利用白光干涉法测量透明薄膜的厚度。第5章观察光的干涉、衍射现象，用CCD相机测量滤光片中心波长和光盘的特性参数，并以手机显示屏分辨率测量作为探究性实验。第6章研究光的偏振特性，观察瑞利散射和米氏散射现象，分析3D观影眼镜的结构，并以利用白光干涉谱法判定波片的快轴和慢轴作为探究性实验。第7章介绍迈克耳逊干涉仪的基本结构和调整方法，观察白光干涉现象。第8章要求搭建傅里叶变换光谱仪，并以此分析白光的光谱特性，测量滤光片的中心波长和带宽。其他高校采用本教材时，可以根据专业培养目标，结合课时和基于两性一度的定位，为学生开设其中的部分实验；而对于教师，则建议掌握本教材的全部实验内容，以便根据需要灵活编排实验项目。
本教材的编写思路是通过基础性实验巩固知识，培养光学实验基本技能；通过拓展性实验，培养归纳分析、建模和验证模型以及利用模型进行实验现象预测的能力；通过设计性实验，培养学生在限定条件下，基于理论和实验模型设计实验、完成实验并对结果进行有效性和局限性分析的能力；应用性探究实验则培养学生基于教材中给出的需求建立模型、构建实验，并通过比较模型、实验结果与需求之间差异，修正模型、改进设计以逼近实际需求的能力。实验中学生需要综合运用各种知识和技能，包括数学、计算、实验和实践技能。
与国内同类教材相比，本教材在拓展性、综合性以及数学与物理实验的紧密结合等方面具有鲜明特色。数学工具在建模和实验现象分析、实验结果预测等方面的普遍应用，有利于学生系统思维能力的培养；在应用性实验中，强调物理思想，融入工程技术的方法，定性、半定量和定量分析相结合的实验手段，现象-仿真-实验结果之间差异分析和修正，对于工程能力的启蒙、提升技术水平和实验技能具有重要作用，为物理实验与工程创新所需的技能之间构建了桥梁，也从某些侧面让学生了解到物理科学对现代技术的支撑作用，使STEM教育理念在实验教学中得到具体的体现。
还需要强调的是，很多实验专题中都设有讨论题或讨论环节，主要目的是培养学生批判性思维和学术交流能力。根据观察到的实验现象、得到的实验数据，学生应在批判性地解释这些数据和现象基础上，得到基于实验结果支持的结论；根据实验课堂的组织形式，通过书面和口头形式，陈述结果、推论或自己的观点。
本教材编写过程中，先由徐平、安炜、王峥、刘佳基于法文版和英文版讲义，对内容进行了补充、修订和完善；根据教学需要，安炜扩充了第二章的探究实验内容，王峥对第五章内容进行了优化，安炜、王峥和徐平对第八章内容进行了重新整理，后由徐平完成统稿。讲义的编写也曾得到中法工程师学院2005级学生郭天鹏、李皓岩同学的帮助，在此表示感谢。
感谢中国科学技术大学张增明教授对全书的审阅并提出宝贵的修改意见。
尽管我们做了很大的努力，但由于学识和水平的限制，仍可能存在缺陷甚至错误，敬请读者和专家批评指正。
编者
于北京航空航天大学中法工程师学院
2022年3月
徐平，男，北京市教学名师，2018-2022年大学物理课程教学指导委员会委员，兼物理实验专项委员会副主任，《物理与工程》杂志编委。
具有31年的教学经验。与法国教师团队合作，创建了法国工程师培养模式预科电子学实验室和光学实验室，合作编写了预科《电子学实验》、《光学实验》讲义，并长期担任这两门实验课程的主讲教师。积极开展教学研究，发表教学研究论文30多篇，特别是基于对法国工程师培养模式预科电子学实验和光学实验的深入研究，在《大学物理》、《物理实验》、《物理与工程》等杂志上发表实验研究论文10多篇。
先后承担过多项国家科技支撑计划、973课题和国家自然科学基金项目，以及北京市、中国学位与研究生教育学会研究课题；在国内外学术刊物和国际学术会议上发表论文80多篇，获得国家发明专利2项。
获得过国家教学成果二等奖、北京市教学成果一等奖、北京市科技进步三等奖以及北京市教学名师、宝钢优秀教师奖、北京市师德先进个人等称号。
第1章薄透镜和球面镜焦距测量及诺莫图法应用
1.1实验目的与主要实验器材
1.1.1 实验目的
1.1.2 主要实验器材
1.1.3光路图
1.2 快速识别聚光和散光器件
1.2.1 观察远处物体
1.2.2 观察近处物体
1.3观察透镜所成的像以及对焦距的简单测量
1.3.1 实物成实像的条件
1.3.2 像差与4P法则14 凸透镜成像
1.4.1虚像位置的测量142虚物成实像
1.4.3图示法分析物像位置关系
1.4.4诺莫图(Nomograph)
1.4.5凸透镜基础测焦法
1.5凹透镜成像
1.5.1快速测量凹透镜的焦距
1.5.2 凹透镜成实像的研究
1.5.3凹透镜成虚像的研究
1.6球面镜成像及焦距测量
1.6.1世面镜成像
1.6.2 凸面镜成像
1.7 诺莫图法小结
1.8天文望远镜的研究
1.8.1望远镜工作原理
1.8.2 实验方案
1.8.3天文望远镜的初步研究
1.8.4出射光瞳
第2章消色差透镜组及焦距的精确测量
2.1 实验目的与主要实验器材
2.1.1 实验目的
2.1.2 主要实验器材
2.2自准直望远镜
2.2.1自准直望远镜的组成
2.2.2将自准直望远镜调焦至无穷远
2.2.3 光路分析
2.3 平行光管
2.3.1平行光管的结构
2.3.2 平行光管的调整
2.4测距显微镜
2.4.1测距易微镜的结构
2.4.2测距显微镜的调整
2.4.3测距显微镜前距D的测量
2.4.4测距显微镜可聚焦区间
2.5焦距的精确测量:CORNU法
2.5.1测量原理
2.5.2 单个透镜焦距的测量
2.5.3惠更斯双透镜组的研究
2.5.4消色差透镜组焦距
2.5.5资镜组的光路示意图
2.5.6惠更斯透镜组的消色差特性
2.6 光学微镜放大率测量(探究实验)
2.6.1 光学易微镜结构
2.6.2 光学显微镜工作原理
2.6.3实验器材
2.6.4实验任务
第3章分光计的使用和柯西色散公式
3.1实验目的与主要实验器材
3.1.1 实验目的
3.1.2 主要实验器材
3.2分光计的基本结构与调节
3.2.1分光计基本结构
3.2.2自准直望远镜的结构与调节方法
3.2.3平行光管的结构与调节方法
3.2.4载物台的调节
3.3用两种方法测景三棱镜顶角
3.3.1游标读数
3.3.2自准直法测量三棱镜顶角
3.3.3反射法测量三棱镜顶角
3.3.4 结果分析
3.4研究偏向角与人射角的关系
3.4.1确定偏向角参考位置
3.4.2测景人射角和偏向角(方法一)
3.4.3测量人时角和偏向角(方法二)
3.5用小偏向角法研究三棱镜的折射率与波长的关系(柯西色散公式)
3.5.1小偏向角测量
3.5.2验证柯西色散公式
第4章光栅和棱镜光谱仪的搭建及应用
4.1实验目的与主要实验器材
4.1.1实验目的
4.1.2主要实验器材
4.2棱镜光谱仪的搭建与应用
4.2.1 预调节
4.2.2 测微辅助平行光管
4.2.3棱镜光谱仪的搭建和标定
4.2.4钠灯光谱的测量
4.3 光栅光谱仪的搭建与应用
4.3.1 理论回顾.
4.3.2 预调节
4.3.3用小偏向角法确定光栅常数
4.3.4光栅光谱仪的搭建和标定
4.3.5钠灯光谱的测量
4.3.6光栅光谱仪的分辨能力
4.3.7观察节能灯的光谱
4.4利用白光干涉法测量透明薄膜的厚度(探究实验)
4.4.1透明薄膜的白光干涉
4.4.2利用搭建的光谱仪观察条带状干涉谱线
4.4.3计算待测薄膜的光学厚度
4.4.4 误差分析
第5章光的干涉和衍射及光盘参数测量
5.1实验目的与主要实验器材
5.1.1实验目的
5.1.2 主要实验器材
5.1.3 CCD相机及配套软件
5.2 弹论回顾
5.2.1 光的波动特性
5.2.2 相干光源
5.3夫琅禾费衍射
5.3.1圆孔衍射
5.3.2单缝衍射
5.3.3矩形孔衍射
5.4杨氏双孔及双缝干涉
5.4.1双孔干涉
5.4.2双缝干涉
5.4.3自光照时杨氏双缝
5.5滤光片中心波长测量
5.6光盘参数测量
5.7手机显示屏的研究(探究实验)
第6章光的偏振及云母片快慢轴的测定
6.1实验目的与主要实验器材
6.1.1实验目的
6.1.2主要实验器材
6.2理论回顾
6.2.1 偏振光
6.2.2二向色性与偏振片
6.3光的线偏振
6.3.1用起偏器产生线偏振光
6.3.2布儒斯特(BREWSTER)实验
6.3.3 偏振片的应用
6.3.4马吕斯(MALUS)定律
6.4 波 片
6.4.1晶体的双折射
6.4.2 半波片
6.4.3四分之一波片
6.5 圆偏振光的产生和分析
6.5.1 圆偏振光的检测
6.5.2 圆偏振光的分析
6.6 椭圆偏振光的产生和分析
6.7 3D电影与3D观影眼镜
6.7.1 3D观影眼镜结构
6.7.2 3D观影原理分析
6.8利用白光干涉谱法判定波片的快轴和慢轴(探究实验)
6.8.1 双折射品体的白光干涉谱
6.8.2 云母片快轴和慢轴的判定
6.9 散射偏振
6.9.1瑞利散射和米氏散射
6.9.2 蓝天和落日的实验模拟
第7章迈克尔逊干涉仪的调整及白光干涉观察
7.1 实验目的与主要实验器材
7.1.1 实验目的
7.1.2 主要实验器材
7.2 迈克尔逊干涉仪
7.2.1 工作原理
7.2.2 主要结构
7.2.3 基本调节机构
7.3 迈克尔逊干涉仪的调整
7.3.1预调
7.3.2粗调
7.3.3细调
7.4 钠灯的干涉现象观察
7.4.1 钠灯等倾干涉
7.4.2 钠灯等厚干涉
7.5 白光干涉现象观察(拓展性实验)
7.6 迈克尔逊干涉仪的初步应用
7.6.1测量盖玻片的厚度
7.6.2测量盖玻片的楔角
第8章傅里叶变换光谱仪和光谱测量
8.1 实验目的与主要实验器材
8.1.1 实验目的
8.1.2主要实验器材
8.1.3实验前准备工作
8.1.4实验报告要求
8.2 动镜移动速度测景
8.2.1激光的等倾干涉
8.2.2测量动镜的移动速度
8.3 干涉滤光片的特性研究
8.3.1迈克尔逊干涉仪的傅里叶变换原理
8.3.2准单色光
8.3.3 实验研究
8.4 汞灯双黄光谱特性研究
8.4.1双谱线光干涉
8.4.2获取并观察汞灯双黄光谱干涉图
8.4.3汞灯双黄光谱干涉图分析
参考文献
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