基礎(chǔ)光學(xué)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、綜合物理實(shí)驗(yàn)報(bào)告 基礎(chǔ)光學(xué)實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)儀器從基礎(chǔ)光學(xué)軌道系統(tǒng)，紅光激光器及光圈支架，光傳感器與轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器，科學(xué)工作室500或750接口，DataStudio軟件系統(tǒng)二、實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介利用傳感器掃描激光衍射斑點(diǎn)，可標(biāo)度各個(gè)衍射單縫之間光強(qiáng)與距離變化的具體規(guī)律。同樣可采集干涉雙縫或多縫的光強(qiáng)分布規(guī)律。與理論值相對(duì)比，并比較干涉和衍射模式的異同。理論基礎(chǔ)衍射：當(dāng)光通過單縫后發(fā)生衍射，光強(qiáng)極小（暗點(diǎn)）的衍射圖案由下式給出asin=m （m=1,2,3,.） （1）其中a是狹縫寬度，為衍射角度，是光的波長(zhǎng)。下圖所以為激光實(shí)際衍射圖案，光強(qiáng)與位置關(guān)系可由計(jì)算機(jī)采集得到。衍射角是指從單縫中心到第一級(jí)小，則m為衍射

2、分布級(jí)數(shù)。雙縫干涉：當(dāng)光通過兩個(gè)狹縫發(fā)生干涉，從中央最大值（亮點(diǎn)）到單側(cè)某極大的角度由下式給出：dsin=m （m=1,2,3,.） （2）其中d是狹縫間距，為從中心到第m級(jí)最大的夾角，是光的波長(zhǎng)，m為級(jí)數(shù)（0為中心最高，1為第一級(jí)的最大，2為第二級(jí)的最大從中心向外計(jì)數(shù)）。如下圖所示，為雙縫干涉的各級(jí)光強(qiáng)包絡(luò)與狹縫的具體關(guān)系。三、實(shí)驗(yàn)預(yù)備1.將單縫盤安裝到光圈支架上，單縫盤可在光圈支架上旋轉(zhuǎn)，將光圈支架的螺絲擰緊，使單縫盤在使用過程中不能轉(zhuǎn)動(dòng)。要選擇所需的狹縫，秩序旋轉(zhuǎn)光柵片中所需的狹縫到單縫盤中心即可。2、將采集數(shù)據(jù)的光傳感器與轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器安裝在光學(xué)軌道的另一側(cè)，并調(diào)整方向。3、將激光器只對(duì)準(zhǔn)

3、狹縫，主義光柵盤側(cè)靠近激光器大約幾厘米的距離，打開激光器（切勿直視激光）。調(diào)整光柵盤與激光器。4、自左向右和向上向下的調(diào)節(jié)激光束的位置，直至光束的中心通過狹縫，一旦這個(gè)位置確定，請(qǐng)勿在實(shí)驗(yàn)過程中調(diào)整激光束。5、初始光傳感器增益開關(guān)為10，根據(jù)光強(qiáng)適時(shí)調(diào)整。并根據(jù)右圖正確講轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器及光傳感器接入科學(xué)工作室500.6、打開DataStudio軟件，并設(shè)置文件名。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容A、單縫衍射 1、旋轉(zhuǎn)單縫光柵，使激光光束通過設(shè)置為0.16毫米的單縫。 2、采集數(shù)據(jù)前，將光傳感器移動(dòng)衍射光斑的一側(cè)，使傳感器采集狹縫到需要掃描的起點(diǎn)。 3、在計(jì)算機(jī)上啟動(dòng)傳感器，然后慢慢允許推動(dòng)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳感器掃描衍射斑點(diǎn)，

4、完成掃描后點(diǎn)擊停止傳感器。若果光強(qiáng)過低或者過高，改變光傳感器（1，10，100）。 4、使用式（1）確定狹縫寬度： (a)測(cè)量中央主級(jí)大到每一側(cè)上的第一個(gè)極小值之間的距離S。 (b)激光波長(zhǎng)使用激光器上的參數(shù)。 (c)測(cè)量單縫光柵到光傳感器的前部之間的距離L。 (d)利用以上數(shù)據(jù)計(jì)算至少兩個(gè)不同的最小值和平均的答案。分析計(jì)算結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)縫寬之間的誤差以及主要來源。B、雙峰衍射 1、將單縫光柵轉(zhuǎn)為多縫光柵。選擇狹縫間距為0.25mm(d)和狹縫官渡0.04mm(a)的多縫。 2、采集數(shù)據(jù)前，將光傳感器移動(dòng)衍射光板的一側(cè)，是傳感器采集狹縫到需要掃描的起點(diǎn)。 3、在計(jì)算機(jī)上啟動(dòng)傳感器，然后慢慢允許推動(dòng)

5、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳感器掃描衍射斑點(diǎn)。完成掃描后點(diǎn)擊停止傳感器。如光強(qiáng)過低或者過高，改變光傳感器（1，10，100）。 4、利用DataStudio軟件來測(cè)量主極大到一側(cè)第一、二、三次極大的距離，并測(cè)量整個(gè)包絡(luò)寬度。 5、測(cè)量最大的中心之間的距離和第二次和第三次的最大側(cè)。測(cè)量距離從中央最高最低衍射（干擾）模式。 6、使用式（2）確定縫間距： (a) 測(cè)量中央主級(jí)大到每一側(cè)上的第n個(gè)極大值之間的距離Hn（n=1,2,3）。 (b)測(cè)量單縫光柵到光傳感器的前部之間的距離L。 (c)確定”d”值，使用第一，第二和第三的最大值，求”d”平均值。分析實(shí)驗(yàn)值與標(biāo)準(zhǔn)縫間距的誤差。 7、確定狹縫寬度，使用式（1）根據(jù)主

6、級(jí)包絡(luò)到第一級(jí)包絡(luò)的距離，計(jì)算雙縫縫寬，并與標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)比。 8、選擇兩組其他雙縫，重復(fù)上述步驟。五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與處理單縫衍射：SL=0.0042m； SR=0.0040m；L=101.50cm;僅當(dāng)=650nm;由式（1）算得aR=1.64910-4m；aL=1.57210-4m；a=1.61110-4m計(jì)算誤差R=(1.649-1.600)/1.600=3.06% L=(1.600-1.572)/1.600=1.75% =(1.611-1.600)/1.600=0.69%實(shí)驗(yàn)誤差主要來源于：圖像的取值讀數(shù)的誤差，移動(dòng)傳感器速度的不穩(wěn)定的影響，以及系統(tǒng)誤差影響等。雙縫衍射：L=81.30cm;HR

7、1=0.002m；HR2=0.004m；HR3=0.007m；HL1=0.002m；HL2=0.005m；HL3=0.007m；由式（2）計(jì)算得dR1=2.6410-4 dR2=2.6410-4 dR3=2.2610-4 dL1=2.6410-4 dL2=2.1110-4 dL3=2.2610-4 平均值為：d=2.4310-4 誤差=（0.25-0.243）/0.25=2.8%五、課后思考1、單縫衍射與雙縫干涉的物理本質(zhì)是否相同？答：它們本質(zhì)是相同的，沒有明確的界限。2、對(duì)于一個(gè)參數(shù)確定的雙縫，主級(jí)包絡(luò)的光強(qiáng)極值數(shù)量及相對(duì)強(qiáng)度如何確定？答：主級(jí)包絡(luò)的光強(qiáng)極值數(shù)量為2d/a-1條。相對(duì)強(qiáng)度I/

8、I0=N2。實(shí)驗(yàn)II激光光速的測(cè)定 實(shí)驗(yàn)儀器：He-Ne激光器及電源適配器，實(shí)驗(yàn)基臺(tái)，透鏡及反射平面鏡，光接收器，示波器及函數(shù)發(fā)生器，30米卷尺及平板小車，連接電纜若干實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介利用函數(shù)信號(hào)發(fā)生器，調(diào)整激光器輸出為高頻周期脈沖方波信號(hào)，等距改變激光傳輸光程并用光接收器接收反射信號(hào)，利用示波器便可以測(cè)定光速。理論基礎(chǔ) 在自由空間內(nèi)光的速度是一個(gè)重要而有趣的自然常數(shù)，光源的速度與觀察者的相對(duì)速度無關(guān)，且有以下規(guī)律光的速度，是宇宙見任何事物速度的上限2移動(dòng)物體接近光速，遵循一套物理原則，不符合牛頓定律且超過了我們的直覺假設(shè)。實(shí)驗(yàn)預(yù)備1.準(zhǔn)備了光接收器和紅光激光器2.在實(shí)驗(yàn)基臺(tái)上，依次放置好激光器，透鏡

9、和光接收器，并將反射平面鏡放置在另外一個(gè)平板小車上。3. 反射平面鏡放置的平板小車須有1020m活動(dòng)空間。4.調(diào)整平面鏡垂直及水平，使反射光和入射光在同一水平高度。5.使用BNC同軸線纜連接TTL與示波器通道1，使用RCA-BNC線纜連接光接收器與示波器通道2，使用3.5mm耳機(jī)線-BNC線纜連接激光器電源與函數(shù)發(fā)生器輸出接口。6.設(shè)置函數(shù)發(fā)生器為方波，頻率設(shè)置-3MHZ，調(diào)節(jié)函數(shù)發(fā)生器的直流輸出和偏移，直至激光器亮度始終為止。7.調(diào)節(jié)示波器參數(shù)，調(diào)整示波器時(shí)間軸為25ns/div實(shí)驗(yàn)內(nèi)容調(diào)整激光反射鏡透鏡位置和接收器，使信號(hào)最大化。在示波器上，調(diào)整信號(hào)以最大限度的顯示顯示信號(hào)變化。注意測(cè)量全

10、程不要更改示蹤的水平位置。記錄的反射鏡的位置d和示波器信號(hào)的相位差T改變反射鏡位置，并重復(fù)上述步驟，至少采集7個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)以上。實(shí)驗(yàn)結(jié)果得|m|=0.302m/ns，則通過實(shí)驗(yàn)所測(cè)得的光速c=3.02*108m/s。相對(duì)誤差為(c-c0)/c=0.67%。實(shí)驗(yàn)建議勿直視激光斑點(diǎn)，小心傷眼。應(yīng)使激光器反射信號(hào)盡量打入光接收器傳感芯片的中心位置。測(cè)量全程不應(yīng)更改示蹤的水平位置。使反射光與入射光處于同一水平高度上，必要時(shí)要調(diào)整激光器的固定傾角。思考題激光器反射方波信號(hào)經(jīng)接收器接收后顯示在示波器的通道而上形成類余弦的光信號(hào)，分析原因。答：激光的能量會(huì)在空氣中消耗，且光路調(diào)節(jié)并非完全精確，在雜光的影響下使示波器中的正弦波不穩(wěn)