《大學物理實驗》第六部分 16-28

PAGEPAGE2424.16邁克耳遜干涉儀的調(diào)整與使用干涉儀是根據(jù)光的干涉原理制成的一種進行精密測量的儀器，在科學技術上有著廣泛的應用。干涉儀的形式很多，邁克耳遜干涉儀就是其中的一種?！緦嶒災康摹?.了解邁克耳遜干涉儀的結構，學習調(diào)節(jié)方法。2.利用點光源產(chǎn)生的同心圓干涉條紋測量單色光的波長?！緦嶒炘怼?.邁克耳遜干涉儀的結構與光路=1\*GB2⑴、邁克耳遜干涉儀的結構圖4-16-1邁克耳遜干涉儀實物圖邁克耳遜干涉儀的結構如圖4-16-1所示，和是兩面經(jīng)精細磨光的平面反射鏡，是固定的，是活動的——松開鎖緊螺釘，轉動粗手動輪，能在精密導軌上前后移動，的鏡面垂直于移動方向，當粗動手輪對準某一刻線，微動手輪=10\*GB2⑽對準零時，將粗動手輪用螺釘鎖緊，這時轉動微動手輪，在精密導軌上作微小移動。在兩種情況下，移過的距離可由導軌標尺，以及粗動手輪和微動手輪上的刻度讀出。圖4-16-1邁克耳遜干涉儀實物圖和是兩塊材料、厚度一樣的平行平面玻璃。在的一個表面上鍍有半透明的鉻（或鋁）層，使射到它上面的光一半反射，另一半透射，稱之為分光板。，相互平行，且與成45?，調(diào)節(jié)M1可使它與互相垂直或成某一角度。調(diào)節(jié)時，粗調(diào)用背后三個（）螺絲進行，細調(diào)用下面的兩個互相垂直、有彈簧的微動螺絲“8”和“9”進行。圖4-16-2邁克耳遜干涉儀的光路圖圖4-16-3相干光束=2\*GB2⑵、邁克耳遜干涉儀的光路圖如圖4-16-2所示。光源上一點發(fā)出的光線射到半透明層上被分為兩部分：光線“1”和“2”。光線“2”射到上被反射回來后，透過到達處。光線“1”透過射到，被反射回來后再透過圖4-16-2邁克耳遜干涉儀的光路圖圖4-16-3射到K上，再被K反射而到達處。這兩條光線是由一條光線分出來的，所以它們是相干光。如果沒有，光線“2”到達E時通過玻璃片三次，光線“1”通過僅一次，這樣兩束光到達E時會存在較大的光程差。放上后，使光線“1”又通過玻璃片兩次，這樣就補償了光線“1”到達E時光路中所缺少的光程。所以，通常將稱為補償片。光線“1”也可看作是從在半透明鉻層中的虛像反射來的。在研究干涉時，與是等效的。2.干涉條紋的圖樣在邁克耳遜干涉儀中，由、反射出來的光是兩束相干光，和可看作是兩個相干光光源，因此在邁克耳遜干涉儀中可觀察到：=1\*GB2⑴、點光源產(chǎn)生的非定域干涉條紋。=2\*GB2⑵、點、面光源等頃干涉條紋。=3\*GB2⑶、面光源等厚干涉條紋。本實驗主要觀察第=1\*GB2⑴種干涉條紋，并利用這種條紋進行氦氖激光波長的測量。觀察第=2\*GB2⑵、=3\*GB2⑶種干涉條紋可作為選做內(nèi)容.點光源產(chǎn)生的非定域干涉圖樣是這樣形成的：凸透鏡匯聚后的激光束，是一個線度小、強度足夠大的點光源。點光源經(jīng)，反射后，相當于由兩個虛光源，發(fā)出的相干光束（如圖4-16-3所示），但和間的距離為M1和M2間距的兩倍，即等于2d。虛光源，發(fā)出的球面波在它們相遇的空間處處相干，因此這種干涉現(xiàn)象是非定域的干涉圖樣。若用平面屏觀察干涉圖樣，不同的地點可以觀察到圓、橢圓、雙曲線、直線狀的條紋（在邁克耳遜干涉儀的實際情況下，放置屏的空間是有限的，只有圓和橢圓容易出現(xiàn)）。通常，把屏E放在垂直與連線的處，對應的干涉圖樣是一組同心圓，圓心在延長線和屏的交點上。由到屏上任一點，兩光線的光程差為4-16-1通常，利用展開式取前兩項，可將式4-16-1改寫成由圖4-16-3的三角關系，上式可改寫成4-16-2略去二級無窮小項，可得4-16-3（明紋）4-16-4（暗紋）這種由點光源產(chǎn)生的圓環(huán)狀干涉條紋，無論將觀察屏E沿方向移動到什么位置都可以看到。由式（4-16-4）可知：①當時的最大，即圓心所對應的干涉級別最高。搖動手輪而移動，當增加時，相當于減小了和k相應的角（或圓錐角），可以看到圓環(huán)一個個從中心“涌出”而后往外擴張；若減小時，圓環(huán)逐漸縮小，最后“淹沒”在中心處。每“涌出”或“淹沒”一個圓環(huán)，相當于的光程差改變了一個波長。設移動了距離，相應地“涌出”或“淹沒”的圓環(huán)數(shù)為，則4-16-5從儀器上讀出及數(shù)出相應的N，就可以測出光波的波長。②增大時，光程差Δ每改變一個波長所需的的變化值減小，即兩亮環(huán)（或兩暗環(huán)）之間的間隔變小，看上去條紋變細變密。反之，減小時，條紋變粗變疏。③若將作為標準值，測出“涌出”（或“淹沒”）個圓環(huán)時的（移動的距離）與由式（4-16-5）算出的理論值比較，可以校準儀器傳動系統(tǒng)的誤差。④若以傳動系統(tǒng)作為基準，則由N和可測定單色光源的波長，實驗時，光源都有一定體積，要獲得一個比較理想的點光源，實驗中往往用光闌和透鏡將光束改變成較為理想的發(fā)散光束?！緦嶒瀮x器】邁克耳遜干涉儀、氦氖激光器、擴束鏡?！緦嶒瀮?nèi)容】1、儀器和非定域干涉條紋的調(diào)節(jié)：圖4-16-4微調(diào)螺旋測微裝置1，粗調(diào)手輪；2，鎖緊螺釘；3，粗調(diào)手柄；4，微調(diào)手輪=1\*GB2⑴、使氦氖激光束大致垂直于，即調(diào)節(jié)氦氖激光器高低左右位置，使反射回來的光束按原路返回（如圖圖4-16-41，粗調(diào)手輪；2，鎖緊螺釘；3，粗調(diào)手柄；4，微調(diào)手輪=2\*GB2⑵、裝上觀察屏，可看到分別由和反射到屏的兩排光點，每排4個光點，中間兩個較亮，旁邊兩個較暗。調(diào)節(jié)和背面的3個螺釘，使兩排光點一一重合，這時與大致互相垂直。=3\*GB2⑶、在氦氖激光器實際光路中加進擴束器（短焦距透鏡），擴束光照在上，此時在屏上就會出現(xiàn)干涉條紋，再調(diào)節(jié)細調(diào)拉簧微調(diào)螺釘（圖4-16-1中的8，9），直到能看到位置適中、清晰的圓環(huán)狀非定域干涉條紋。=4\*GB2⑷、觀察條紋變化。旋松刻度輪端面上鎖緊螺釘“2”（如圖4-16-4所示），轉動手柄“3”，可看到條紋上“涌出”或“淹沒”。判別之間的距離是變大還是變小，觀察條紋粗細、疏密和的關系。2．測量氦氖激光波長=1\*GB2⑴、讀數(shù)刻度基準線的調(diào)整。旋松鎖緊螺釘，轉動手柄，使讀數(shù)基準線與刻度鼓輪上某一刻度線對準（例如與70線對準），轉動微調(diào)讀數(shù)鼓輪=4\*GB2⑷，使零刻度線對準基準線。=2\*GB2⑵、微微旋緊螺釘后，慢慢轉動鼓輪，可以清晰地看到條紋一個一個地“涌出”或“淹沒”。待操作熟練后開始測量，記下刻度輪和微調(diào)輪上的初讀數(shù)d1，每當“涌出”或“淹沒”個條紋時，記下d，連續(xù)測量10次，將這10個d值分成兩組填入表4-16-1中（注意；前5個填入欄，后5個填入欄）。=3\*GB2⑶、用逐差法處理實驗數(shù)據(jù)，計算波長。【數(shù)據(jù)記錄與數(shù)據(jù)處理】表4-16-1單色光波長的測定數(shù)據(jù)移動條文數(shù)目/個050100150200反射鏡位置移動條文數(shù)目/個250300350400450反射鏡位置條文數(shù)目差/個250250250250250反射鏡位置差波長平均值標準差計算波長的不確定度：測量結果：測量值與公認值相對誤差：（實驗室給出標準值）【注意事項】1.邁克耳遜干涉儀是精密光學儀器，絕對不能用手觸摸各光學元件。2.調(diào)節(jié)M1背面螺釘和微調(diào)螺釘時均應緩緩旋轉。3.不要讓激光直射入眼?！舅伎碱}】根據(jù)邁克耳遜干涉儀的光路，說明各光學元件的作用。什么是非定域干涉條紋？簡述調(diào)出非定域干涉條紋的條件和程序。實驗中如何利用干涉條紋測出單色光的波長？計算一下，氦氖激光波長為632.8nm,當N=50時，Δd應為多大？4.17電子束的電偏轉帶電粒子在電場和磁場中運動，是近代科學技術應用領域中經(jīng)常遇到的一種物理現(xiàn)象。示波器的示波管、電視機顯像管、雷達指示管、電子顯微鏡等電子器件，外形和功用雖然各不相同，但其共同點是：都有電子束的發(fā)射系統(tǒng)、加速系統(tǒng)、聚焦、偏轉和強度控制等系統(tǒng)。電子束的聚焦和偏轉可以通過電場和磁場對電子的作用來實現(xiàn)，前者稱為電聚焦和電偏轉，后者稱為磁聚焦和磁偏轉。本實驗就是研究電子束電偏轉規(guī)律的。通過實驗，同學們可加深對電子在電場中運動規(guī)律的理解，有助于認識示波器和顯像管的工作原理?！緦嶒災康摹?、了解示波管的構造和工作原理，研究靜電場對電子的加速作用。2、定量分析電子束在橫向勻強電場作用下的偏轉規(guī)律和示波管的電偏轉靈敏度。【實驗原理】圖4-17-1示波管的構造圖4-17-1示波管又叫陰極射線管，它的構造如圖4-17-1所示，主要包括三個部分：前端為熒光屏，中間為偏轉系統(tǒng)，后端為電子槍。它們都密封在抽成高真空的玻璃殼之中，以免電子在示波管中穿越時與氣體分子發(fā)生碰撞。下面分別作以介紹：(1)電子槍電子槍的作用是發(fā)射電子，并把它們加速到一定速度聚成一細束。電子槍由燈絲H、陰極K、控制柵極G1、第一陽極A1、第二陽極A2等同軸金屬圓筒組成。燈絲H通電后加熱陰極K，使陰極K發(fā)射電子?？刂茤艠OG1的電位比陰極低，對陰極發(fā)出的電子起排斥作用，只有初速度較大的電子才能穿過柵極的小孔并射向熒光屏，而初速度較小的電子則被電場排斥回陰極。通過調(diào)節(jié)柵極G1可以控制射向熒光屏的電子流密度，從而改變熒光屏上的光斑亮度。陽極電位比陰極電位高很多，對電子起加速作用，使電子獲得足夠的能量射向熒光屏，從而激發(fā)熒光屏上的熒光物質(zhì)發(fā)光。第一陽極A1稱為聚焦陽極，面板上的“聚焦”旋鈕就是用來調(diào)節(jié)第一陽極電位的；第二陽極A2稱為加速陽極，增加加速電極的電壓，電子可獲得更大的轟擊動能，熒光屏的亮度雖然可以提高，但加速電壓一經(jīng)確定，就不宜隨時改變它來調(diào)節(jié)亮度。(2)偏轉系統(tǒng)偏轉系統(tǒng)由兩對互相垂直的偏轉板（平板電容器）構成，其中一對是上下放置的Y軸偏轉板(或稱垂直偏轉板)，另外，一對是左右放置的X軸偏轉板(或稱水平偏轉板)。若在偏轉板的極板間加上電壓，則板間電場會使電子束偏轉，使相應熒光屏上光點的位置發(fā)生偏移，偏移量的大小與所加電壓成正比。其中，X軸偏轉板使電子束在水平方向（X軸）上偏移，Y軸偏轉板使電子束在垂直方向（Y軸）上偏移。(3)熒光屏熒光屏是用以顯示電子束打在示波管端面的位置。屏上涂有熒光物質(zhì)，在高速電子轟擊下發(fā)出熒光。當電子射線停止作用后，熒光物質(zhì)將持續(xù)一段時間后才停止發(fā)光，這段時間稱為余輝時間。不同材料的熒光粉發(fā)出的顏色不同，余輝時間也不同。如果電子束長時間轟擊熒光屏上固定一點，則這一點會被燒壞而形成暗斑，所以當電子束光斑需要長時間停留在屏上不動時，應將光點亮度減弱。示波管內(nèi)部表面涂有石墨導電層，叫屏蔽電極，它與第二陽極連在一起，可避免熒光屏附近電荷積累。2、電子束的加速和電偏轉=1\*GB2⑴加速和電偏轉在示波管中，電子從被加熱的陰極逸出后，由于受到陽極電場的加速作用，使電子獲得沿示波管軸向的動能。令Z軸沿示波管的管軸方向從燈絲位置指向熒光屏，同時，從熒光屏上看，令X軸為水平方向向右，Y軸為垂直方向向上。假定電子從陰極逸出時初速度忽略不計，電子經(jīng)過電勢差為的空間后，電場力做的功應等于電子獲得的動能(4-17-1)顯然，電子沿Z軸運動的速度與第二陽極的電壓的平方根成正比，即(4-17-2)圖4-17-2電子束的電偏轉圖4-17-2電子束的電偏轉若偏轉板長、偏轉板末端至屏距離為、偏轉電極間距離為、軸向加速電壓（即第二陽極電壓）為，橫向偏轉電壓為，則熒光屏上光點的橫向偏移量由下式給出(4-17-3)式中。當不變時，可以通過實驗驗證～的線性關系，所以，根據(jù)屏上光點位移與偏轉電壓的線性關系，可以將示波管做成測量電壓的工具。若改變加速電壓，適當調(diào)節(jié)到最佳聚焦，可以測定～直線隨改變而使斜率改變的情況。=2\*GB2⑵電偏轉靈敏度電偏轉靈敏度是反映電子束在電場中偏轉特性的一個重要的物理量。式(4-64)表明，偏轉板的電壓越大，屏上光點的位移也越大，兩者是線性關系。其比例常數(shù)在數(shù)值上等于施加單位偏轉電壓（1V）時，光點在熒光屏上位移的大小，它即為示波管的電偏轉靈敏度。對X軸、Y軸偏轉板各有相應的電偏轉靈敏度， （4-17-4）電偏轉靈敏度單位為，式中及均為與偏轉板相關的幾何量?？梢钥吹?，電偏轉靈敏度與加速電壓成反比，越大，偏轉靈敏度越低；在其他條件相同時，遠離熒光屏的一對偏轉板的靈敏度較大。同時注意到，增加偏轉板的長度與縮小兩板距離雖然可以增大示波管的靈敏度，但偏移量較大的電子容易被偏轉板的末端阻擋，或電子束經(jīng)過末端邊緣的非均勻電場時，由于偏移量與偏轉電壓的線性關系遭到破壞，而引起電子束的散焦。因此，在實際的示波管中，偏轉電極并非一對平行板，而是呈喇叭口形狀，這是為了減小偏轉板的邊緣效應，增大偏轉板的有效長度?！緦嶒瀮x器】下面介紹兩種電子束實驗儀；EF-4型電子及場實驗儀和GD-DES-Ⅲ型電子束實驗儀1、EF-4型電子和場實驗儀EF-4型電子和場實驗儀儀器面板如圖4-17-3所示。燈絲H用6.3V交流電供電，其作用是對陰極加熱，使其發(fā)射電子。它由儀器面板上的“燈絲開關”控制。陰極的主要作用是發(fā)射電子，它的電壓(相對于地)在直流－950V～－1300V之間可調(diào)?？刂茤艠O相對于陰極的電勢為負，控制柵壓在0～－50V之間可調(diào)，其作用是控制電子束發(fā)射的多少，以保證有適當?shù)牧炼?。當該柵壓增高時，對陰極發(fā)射電子的抑制作用增強，反之則減少。柵極電壓由儀器面板上的“柵壓”旋鈕調(diào)節(jié)。聚焦陽極相對于陰極有450～950V的正電壓，實驗時，用儀器專用接線在儀器面板上將接線柱“”與接線柱“”接好。聚焦電壓由儀器面板上的“聚焦電壓”旋鈕調(diào)節(jié)，它的高低控制熒光屏上圖像的聚焦好壞。圖4-17-3EF-4型電子和場實驗儀加速陽極的作用是加速電子。實驗時，用儀器專用接線在儀器面板上將接線柱“”與接線柱“⊥”相連。調(diào)節(jié)陰極相對于地的電壓(陰極接負電壓)，也就是改變了加速陽極相對于陰極K的電壓，所以加速陽極相對陰極Ｋ有950～1300V的正電壓。加速電壓由儀器面板上的“加速電壓”旋鈕調(diào)節(jié)。圖4-17-3EF-4型電子和場實驗儀和是兩對相互垂直放置的平行電極板，稱為水平偏轉板，當在兩極板之間加上電壓時，極板間建立的電場就會使電子束在水平方向(X軸)上偏移。稱為垂直偏轉板，當在兩極板之間加上電壓時，極板間建立的電場就會使電子束在垂直方向(Y軸)上偏移。實驗時，用兩根儀器專用線在儀器面板上分別將接線柱“”和接線柱“”、接線柱“”和接線柱“”“”連接。水平偏轉電壓和垂直偏轉電壓由儀器板面上的偏轉電壓部分“直流電壓”旋鈕調(diào)節(jié)。在整個儀器面板上，除設有示波管各電極的接線外，還有供測量電壓用的測量孔，如“”、“”、“”、“”等測孔。用直流電壓表分別測量測孔“”、“”、“”與測孔“”之間的電壓，即為聚焦電壓、加速電壓、柵極電壓。2、GD-DES-Ⅲ型電子束實驗儀GD-DES-Ⅲ型電子束實驗儀儀器面板如圖4-17-4所示。儀器面板上的高壓指示屏用來顯示柵壓VG、聚焦電壓V1、加速電壓V2的數(shù)值。高壓測量旋鈕用來選擇高壓指示屏上顯示的物理量。圖4-17-4GD-DES-Ⅲ型電子束實驗儀控制柵極G相對于陰極K的電勢為負。柵壓VG在0～-65圖4-17-4GD-DES-Ⅲ型聚焦陽極相對于陰極K有205～420V的正電壓，聚焦電壓由儀器面板上的“聚焦電壓V1”旋鈕調(diào)節(jié)，它的高低控制熒光屏上圖像的聚焦好壞。加速陽極的作用是加速電子。調(diào)節(jié)陰極K相對于地的電壓(陰極接負電壓)，也就是改變了加速陽極相對于陰極K的電壓，加速陽極相對陰極Ｋ有1084～1320V的正電壓。加速電壓由儀器面板上的“加速電壓V2”旋鈕調(diào)節(jié)。儀器面板上的低壓指示屏用來顯示水平偏轉電壓Vd×X、豎直偏轉電壓Vd×Y、磁場線圈穩(wěn)壓電壓VS、Vm的數(shù)值。偏轉電壓旋鈕用來選擇低壓，控制屏上顯示的物理量。和是兩對相互垂直放置的平行板電極，稱為水平偏轉板，當在兩極板之間加上電壓時，極板間建立的電場就會使電子束在水平方向(X軸)上偏轉。稱為豎直偏轉板，當在兩極板之間加上電壓時，極板間建立的電場就會使電子束在豎直方向(Y軸)上偏轉。水平偏轉電壓Vd×X和豎直偏轉電壓Vd×Y由儀器板面上的“Vd×X偏轉”和“Vd×Y”偏轉旋鈕調(diào)節(jié)。正常做實驗時應將儀器面板中部的“聚焦方式”開關打至第一聚焦方式，“聚焦”開關打至左面點聚焦方式。實驗儀還裝備了提供給磁場線圈做實驗用的0-30V、30A直流穩(wěn)壓電源，分別由低壓指示屏和線圈電流指示屏顯示數(shù)據(jù)。使用電源前，應先將儀器總電源開關開啟，再將本電源“磁場線圈穩(wěn)壓電源”開關打開，同時，將“偏轉電壓”選擇開關打至VS、Vm檔，使低壓指示屏和線圈電流指示屏顯示直流穩(wěn)壓電源提供給磁場線圈的電壓、電流數(shù)據(jù)。開機前及使用直流穩(wěn)壓電源結束時，將穩(wěn)壓電源的“VS、Vm旋鈕左旋至底，使電壓處于最小值。面板左側“磁場線圈插孔”和“螺線管線圈插孔”為本實驗儀30V穩(wěn)壓電源電壓輸出插孔，不可將其他電源電壓輸入插孔內(nèi)。【實驗內(nèi)容】1、用GD-DES-Ⅲ型電子束實驗儀研究電子束的偏轉量D與偏轉電壓Ud的關系。⑴將“聚焦方式”開關打至第一聚焦方式，“聚焦開關”打至左邊的點聚焦方式。⑵接通電源開關，在顯示屏上找出亮點。⑶先將“高壓測量”旋鈕打至V2檔，加速電壓調(diào)至1200V；再將“高壓測量”旋鈕打至VG檔，調(diào)節(jié)柵壓旋鈕，把輝度控制在中等亮度，光點不要太亮，以免燒壞熒光物質(zhì)；再把“高壓測量”旋鈕打至V1檔，調(diào)節(jié)聚焦電壓旋鈕，使熒光屏上光點聚成一細點。調(diào)節(jié)完畢，將所得到的和值填入表4-17-1中。⑷將“偏轉電壓”旋鈕分別打至Vd×X、Vd×Y檔，調(diào)節(jié)Vd×X、Vd×Y旋鈕使豎直偏轉電壓變?yōu)榱?，此時若光點不在熒光屏的坐標原點，可調(diào)節(jié)X、Y光點調(diào)零旋鈕，使光點處于坐標原點。⑸保持豎直偏轉電壓為零，測出水平偏轉量D（坐標板上的一格表示2毫米）與水平偏轉電壓的關系；然后保持水平偏轉電壓為零，測出豎直偏轉量D（坐標板上的一格表示2毫米）與豎直偏轉電壓的關系；⑹將“加速電壓”調(diào)至1100V，重復⑶、⑷、⑸步驟。2、用EF-4型電子和場實驗儀研究電子束的偏轉量D與偏轉電壓Ud的關系。EF-4型電子和場實驗儀的操作方法與GD-DES-Ⅲ型實驗儀相似，可參看說明書自行完成實驗?！緮?shù)據(jù)記錄與數(shù)據(jù)處理】表4-17-1電子束的偏轉量D與偏轉電壓Ud的關系加速電壓U2(V)聚焦電壓U1(V)偏轉量D(mm)X偏轉電壓Y偏轉電壓X偏轉電壓Y偏轉電壓20181614121086420-2-4-6-8-10-12-14-16-18-20用Excel“圖表”功能（或在坐標紙上），以偏轉電壓為橫坐標，偏轉量為縱坐標，畫出在兩種加速電壓的情況下，X、Y偏轉電壓、與相應的偏轉量的四組－直線，并比較X方向和Y方向偏轉靈敏度以及偏轉靈敏度與加速電壓的關系?！咀⒁馐马棥?1)儀器箱內(nèi)電路中有高壓，裝拆時謹防觸電。(2)實驗過程中，光點不能過亮，以免損壞熒光物質(zhì)。(3)除需要測量“加速電壓V2”時，不要長時間將電壓表置于“加速電壓V2”測量檔，其他時間可轉換至“聚焦電壓V1”“柵壓V【思考題】1、根據(jù)實驗結果回答如下問題：⑴在加速電壓不變的條件下，偏轉距離是否與偏轉電壓成正比？⑵在偏轉電壓不變的條件下，偏轉距離與加速電壓有什么關系？2、在偏轉板上加交流信號時，會觀察到什么現(xiàn)象？3、電偏轉靈敏度與哪些因素有關？4.18電子束的磁偏轉與磁聚焦實驗17中，我們定量分析了電子束在橫向勻強電場中的偏轉規(guī)律。除了電場可以使電子受力發(fā)生偏轉外，磁場也可以使電子發(fā)生偏轉，磁偏轉是電子在磁場中受到洛倫茲力的作用而發(fā)生的偏轉，電視機等設備中采用的是磁偏轉結構。為了使電子束在熒光屏上清晰地成像，顯像設備中還設有聚焦系統(tǒng)。本實驗研究的就是示波管內(nèi)電子束的磁偏轉和磁聚焦規(guī)律，這個實驗有助于我們認識和理解顯像管的工作過程，也可獲得電子的荷質(zhì)比，以便加深對電子性質(zhì)的認識。【實驗目的】1、研究電子在磁場中的偏轉規(guī)律和聚焦規(guī)律。2、掌握測量電子荷質(zhì)比的一種方法．【實驗原理】1、電子束的磁偏轉電子束通過磁場時，在洛倫茲力作用下發(fā)生偏轉。如圖4-18-1所示，設實線方框內(nèi)有均勻的磁場，磁感應強度為，方向垂直于紙面指向讀者，在方框外。當電子束以速度垂直射入磁場，受洛倫茲力的作用，在磁場區(qū)域內(nèi)電子作勻速圓周運動，軌道半徑為，沿弧穿出磁場區(qū)域后變?yōu)樽鲃蛩僦本€運動，最后打在熒光屏的點上。由運動學知識可以導出弧半徑為θ（4-18-1）θ設電子束離開磁場區(qū)域時偏離Z軸的角度是q，側向偏轉位移為，由圖4-18-1中的幾何關可以看出圖4-18-1磁偏轉系統(tǒng)的工作原理圖圖4-18-1磁偏轉系統(tǒng)的工作原理圖電子束打在熒光屏上，側向偏轉位移為這里的偏轉角q是足夠小的，于是有和整理得到（4-18-2）再由式消去得（4-18-3）式（4-18-3）表明，電子束的側向偏轉位移與磁感應強度的大小成正比，與加速電壓的平方根成反比。比較式（4-18-3）與式（4-17-4）可以看出，加速電壓對磁偏轉靈敏度的影響，要比對電偏轉靈敏度的影響小一些。所以，磁偏轉系統(tǒng)中，常用提高陰極射線管中加速電壓的方法，來增強屏幕上圖象的亮度。而且，磁偏轉有利于電子束的大角度轉向，更適合于大屏幕的需求。因此顯像管往往采用磁偏轉系統(tǒng)。但偏轉線圈的電感較大，不利于高頻信號，而且體積和重量較大，這些方面都不及電偏轉系統(tǒng)。圖4-18-2磁偏轉線圈（一）圖4-18-3磁偏轉線圈（二）磁偏轉系統(tǒng)中的勻強磁場，可用載流線圈來獲取，這里的載流線圈被稱作磁偏轉線圈。常見磁偏轉線圈有兩種形式，一種是在陰極射線管管頸外套一個磁環(huán)，如圖4-18-2所示。磁環(huán)上繞有繞向相反的兩組線圈，兩線圈串聯(lián)后通以電流，這樣電流在環(huán)管內(nèi)產(chǎn)生的磁感線方向是相反的，磁感線就從環(huán)的直徑方向穿過，各自形成閉合線，磁環(huán)的直徑處的平行而且均勻的磁場，就是所需的偏轉磁場。若改變線圈電流(圖4-18-2毫安表顯示)，則磁感應強度隨之改變，屏上光點的偏轉位移也隨之改變。另一種磁偏轉線圈如圖4-18-3所示。該偏轉磁場是由緊貼于管頸兩側的兩組線圈串聯(lián)后通以電流而獲得的。無論采用哪種方法獲得的磁場，磁感應強度均滿足，其中常數(shù)（）是真空的磁導率，n為線圈的匝數(shù)密度（單位長度的匝數(shù)），為線圈中的電流。將代入式（4-圖4-18-2磁偏轉線圈（一）圖4-18-3磁偏轉線圈（二）（4-18-4）式（4-18-4）表明，當加速電壓一定時，偏轉位移與I成正比，這就滿足了偏轉系統(tǒng)的線性要求。按磁偏轉靈敏度定義（單位電流的偏轉量），磁偏轉靈敏度為（4-18-5）越大，表明磁偏轉系統(tǒng)的靈敏度越高。對于特定的陰極射線管和偏轉線圈來說，在加速電壓一定時，是常數(shù)。改變加速電壓，與成正比。2、電子束的磁聚焦若把示波管的第一陽極A1、第二陽極A2以及水平、垂直偏轉板全連在一起，再將它們相對于陰極板加一電壓，電子束進入第一陽極A1后，便在零電場中勻速前進，就如同電子束從柵極出口飛出，直接射向熒光屏。而電子的速度方向不盡相同，當電子束打在熒光屏上時，就會形成一個面積較大的光斑，怎樣控制光斑直徑呢？可以采用磁聚焦的辦法。下面介紹磁聚焦的原理。圖4-18-4電子束的螺旋軌跡示波管外套一載流長螺線管，螺線管通電后在Z軸方向產(chǎn)生一均勻磁場B，電子束進入第一陽極A1的同時，也進入均勻磁場B中，如圖4-18-4所示。若一電子進入磁場的速度為，與磁場方向的夾角為，受洛侖茲力的作用，電子將作螺旋運動。若將分解為平行B的分量和垂直于B的分量，則電子束的螺旋半徑為圖4-18-4電子束的螺旋軌跡（4-18-6）螺旋周期為（4-18-7）螺距為∥＝（4-18-8）式（4-18-6）（4-18-7）（4-18-8）中是電子的質(zhì)量，是電子的電荷量。從（4-18-7）式看出，周期T與速度無關，即在同一磁場中，不同速度的電子繞圓一周所需的時間是相等的，只不過速度大的電子繞的圓周大，速度小的電子繞的圓周小而已。進入均勻磁場的電子束中，各電子與的夾角是不同的，但夾角都很小，則＝由于不同，各個電子將沿不同半徑的螺旋曲線前進，而電子的分量近似相等，所以各螺旋曲線的螺距是相等的，這樣，由同一點出發(fā)的各電子沿不同半徑的螺旋曲線，經(jīng)過同一距離h后，又重新會聚在軸線上的一點，如圖4-18-5所示。調(diào)節(jié)磁場B的大小，使（為一整數(shù)，是示波管中柵極出口后方電子束交叉點到熒光屏的距離），這樣，電子束的會聚點就正好與熒光屏圖4-18-5電子束的聚焦重合，這就是磁聚焦。圖4-18-5電子束的聚焦3、電子荷質(zhì)比的測定磁聚焦系統(tǒng)中，通過調(diào)節(jié)磁場，使螺旋曲線的螺距正好等于示波管中電子束交叉點到熒光屏的距離時，在屏上將得到一個亮點（聚焦點）。這時整理可得到（4-18-9）將螺線管磁場代入式（4-18-9）得（4-18-10）式中為螺線管長度，為螺線管線圈匝數(shù)。為了減小電流I所帶來的誤差，式中的I可用一次、二次、三次聚焦時對應的勵磁電流求平均，因為第一次聚焦時的電流為I1，二次聚焦的電流為2I1，即磁場增強一倍，相應電子在示波管內(nèi)繞Z軸轉兩圈。同理，三次聚焦的電流I3應為3I1…。所以有（4-18-11）將所得的以及本套實驗儀器的相關數(shù)據(jù)（實驗室給出），代入式（4-18-10）,即可求出不同加速電壓時的電子荷質(zhì)比，并將計算荷質(zhì)比與標準值相比較?！緦嶒瀮x器】本實驗所用儀器EF-4型電子和場實驗儀和GD-DES-Ⅲ型電子束實驗儀，功能和儀器面板同4.17節(jié)電子束的電偏轉?！緦嶒瀮?nèi)容】1、電子束的磁偏轉用GD-DES-Ⅲ型電子束實驗儀研究電子束的偏轉量與勵磁電流的關系。⑴把兩只偏轉線圈分別插入示波管兩側磁場線圈插孔Vs內(nèi)。⑵將“聚焦方式”開關打至第一聚焦方式，將“聚焦開關”打至左邊的點聚焦。⑶接通電源開關，在熒光屏上找出亮點。⑷先將“高壓測量”旋鈕打至V2檔，“加速電壓”調(diào)至1250V；再把“高壓測量”旋鈕打至VG檔，調(diào)節(jié)柵壓旋鈕，將輝度控制在中等亮度，光點不要太亮，以免燒壞熒光物質(zhì)；再將“高壓測量”旋鈕打至V1檔,調(diào)節(jié)聚焦電壓旋鈕，使熒光屏上光點聚成一細點，將和的測量值填入表4-18-1中。⑸把“偏轉電壓”旋鈕分別打至Vd×X、Vd×Y檔,調(diào)節(jié)Vd×X、Vd×Y旋鈕將偏轉電壓調(diào)節(jié)為零，此時光點若不在坐標原點，可調(diào)節(jié)X、Y光點調(diào)零旋鈕，使光點處于坐標原點。⑹打開儀器面板上的“磁場線圈穩(wěn)壓電源”開關（開前電壓調(diào)節(jié)旋鈕左旋至底），“低壓測量”選擇開關打至Vs、VM檔，調(diào)節(jié)磁場線圈穩(wěn)壓電源“電壓調(diào)節(jié)”旋鈕，逐步增大磁偏電流I，此時觀察“低壓指示”表、“線圈電流指示”表，記錄磁偏量D（示波屏上的一格表示2mm）及對應的電流I數(shù)值，將數(shù)據(jù)填入表4-18-1⑺撥動“換向開關”，重復第⑹步，測量Y軸反方向數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)填入表4-18-1中。⑻將“高壓測量”旋鈕打至V2檔，將“加速電壓”依次調(diào)至1200V、1150V和1100V，重復⑷、⑸、⑹、⑺步驟。2．電子束的磁聚焦用GD-DES-Ⅲ型電子束實驗儀研究電子束的磁聚焦。⑴將“聚焦方式”開關打至第一聚焦方式，“聚焦開關”打至左面點聚焦。⑵將縱向螺線管線圈套在示波管上，線圈兩頭插孔與儀器面板上的“螺線管線圈插孔VM”用專用線相連接，接通電源開關，在熒光屏上找出亮點。⑶先將“高壓測量”旋鈕打至V2檔，加速電壓調(diào)至1200V；再把“高壓測量”旋鈕打至VG檔，調(diào)節(jié)柵壓旋鈕，將輝度控制在中等亮度；再將“高壓測量”旋鈕打至V1檔,調(diào)節(jié)聚焦電壓旋鈕，使熒光屏上光點聚成一細點。⑷將“偏轉電壓”旋鈕分別打至Vd×X、Vd×Y檔,調(diào)節(jié)Vd×X、Vd×Y旋鈕使偏轉電壓調(diào)節(jié)為零，此時光點若不在坐標原點，可調(diào)節(jié)X、Y光點調(diào)零旋鈕，使光點處于坐標原點。⑸打開“磁場線圈穩(wěn)壓電源”開關（打開前電壓調(diào)節(jié)旋鈕左旋至底），坐標刻度板貼近熒光屏，用Vd×X、Vd×Y旋鈕把光點拉開至左上方，偏離中心。⑹保持加速電壓U2不變，將“低壓測量”選擇開關打至Vs、VM檔，調(diào)節(jié)磁場線圈穩(wěn)壓電源“電壓調(diào)節(jié)”旋鈕，逐步增大勵磁電流I，觀察其三次聚焦情況，記錄三次聚焦對應的數(shù)值，將數(shù)據(jù)填入表4-18-2中，利用公式=求出勵磁電流的平均值。⑺將所測量的加速電壓及所求出的勵磁電流平均值代入式（4-18-10）可求出電子荷質(zhì)比，并與標準值=1.76×1011c/Kg進行比較，求出相對誤差?！緮?shù)據(jù)記錄與數(shù)據(jù)處理】表4-18-1電子束的偏轉量與勵磁電流的關系加速電壓聚焦電壓偏轉量勵磁電流勵磁電流勵磁電流勵磁電流20181614121086420-2-4-6-8-10-12-14-16-18-20用Excel“圖表”功能（或在坐標紙上），以勵磁電流I為橫坐標，磁偏量為縱坐標，作D-I圖線，描出不同下的D-I關系圖線，求出各自的值并分析加速電壓與磁偏轉靈敏度之間的關系。表4-18-2測量電子荷質(zhì)比加速電壓次數(shù)第一次聚焦電流第二次聚焦電流第三次聚焦電流聚焦電流平均值電子荷質(zhì)比1200123平均記錄本臺儀器上螺線管的相關數(shù)據(jù)：長度=，匝數(shù)N=，?！咀⒁馐马棥?、儀器箱內(nèi)電路中有高壓，裝拆時謹防觸電。2、實驗過程中，光電不能過亮，以免損壞熒光屏。3、做磁聚焦實驗時，特別是做三次聚焦實驗時，不要使螺線管線圈長時間工作，以免線圈過熱，影響實驗結果。4、除需要測量“加速電壓V2”時，不要長時間將電壓表置于“加速電壓V2”測量檔，其他時間可轉換至“聚焦電壓V1”“柵壓V【思考題】1、如果一電子束同時在電場和磁場中通過，則在什么條件下，熒光屏上光點恰好不發(fā)生偏轉？2、若示波管既不加任何偏轉電壓，也不人為外加橫向磁場，把示波管聚焦調(diào)好以后，將儀器原地轉一圈，觀察熒光屏上的光點位置是否會變化？可否根據(jù)熒光屏上光點的變化來估算當?shù)氐卮艌龅拇鸥袘獜姸龋?、當螺線管電流I逐漸增加，電子束線從一次聚焦到二次、三次聚焦，熒光屏上的亮斑怎樣運動？并解釋之。4.19聲速的測定頻率在20Hz～20000Hz之間的機械振動，在彈性媒質(zhì)中的傳播稱為可聞聲波，簡稱聲波。聲波的振動方向與傳播方向一致，是縱波。聲波的波長、強度、聲速、頻率、相位等是描述聲波重要特性的物理量，其中聲速是與彈性媒質(zhì)（材料）的密度和彈性模量有關的量，彈性媒質(zhì)許多參量均可與聲速之間建立某種數(shù)學關系。這種數(shù)學關系為材料分析、聲波定位、距離測量等提供了理論基礎，如：測量氣體或溶液的濃度、通信以及GPS全球定位等。因此，學習聲速的測量方法具有重要的理論意義與實際的應用價值。高于20000Hz的聲波稱為超聲波，其頻率范圍在2×104～5×108Hz之間。超聲波的波長短，易于定向發(fā)射，在超聲波段進行聲速測量則比較方便。本實驗就是用這種超聲波來測定聲波的速度的。實驗中介紹兩種測定聲速方法：相位比較法和駐波干涉法，這兩種方法都是采用壓電陶瓷（晶體）換能器對聲速進行非電量的電測量，測量過程簡單，準確性較高?！緦嶒災康摹?．加深對波合成與波的相位的理解。2．用駐波干涉法和相位法測量聲波在空氣中的傳播速度。3．了解壓電換能器的功能。4、培養(yǎng)綜合使用儀器的能力【實驗原理】聲波是一種在彈性媒質(zhì)中傳播的縱波。波長、波速、頻率是描述聲波重要特征的物理量，其三者間的關系為(4-19-1)測出頻率和波長以后，就可由上式求出聲速。而聲波的頻率可通過測量聲源的振動頻率得出，因而聲速測量的主要工作就是聲波波長的測量。下面介紹相位比較法和駐波干涉法測定聲速。相位比較法測聲速波的傳播是波源的振動狀態(tài)的傳播，而振動狀態(tài)是由相位來決定的，因而波的傳播也就是相位的傳播。在波傳播方向上的兩個振動相位相差的狀態(tài)點之間的距離就是一個波長，若兩個振動狀態(tài)點相位差為，則兩點間的距離及波的波長與之間有下述對應關系(4-19-2)表(4-19-1)給出了一組兩點距離與兩點振動相位差的相關數(shù)據(jù)。表4-19-1--關系數(shù)據(jù)表0…0…對于在波傳播方向上的兩個狀態(tài)點，當時，這兩個點的振動狀態(tài)相反，稱之為反相；當時，這兩個點的振動狀態(tài)相同，稱之為同相。這種對應關系便構成了相位比較法測聲速的理論基礎。圖(4-19-1)圖4-19-1相位比較法測聲速狀置圖圖4-19-2圖4-19-1相位比較圖4-19-2信號發(fā)生器產(chǎn)生的振動信號來激勵發(fā)射器，并使其處于諧振狀態(tài)，從而發(fā)射出平面波形式的聲波；而接收器端面垂直于波的傳播方向時，沿傳播方向移動接收器，總可以找到一個位置使得接收到的聲波信號與發(fā)射器的激勵信號同相。繼續(xù)移動接收器，直到接收的信號和發(fā)射器的激勵信號反相或再次同相時，可以判定接收器移過的這段距離必等于聲波的半波長或一個波長。我們把信號發(fā)生器產(chǎn)生的信號與接收器接收到的信號分別輸入到示波器的、輸入端，反相或同相的判斷，就可通過李薩如圖形法來觀察，即通過示波器可觀察到兩個相互垂直的振動所合成的李薩如圖形。各種相位差情況下的典型李薩如圖形見表（4-19-2）。表4-19-2幾種典型相位差情況下的李薩如圖形相位差0李薩如圖可以看到，相位差時，李薩如圖形將退化為右斜直線或左斜直線，此時進行相位差的分析與判斷最為敏銳與準確。本實驗正是通過右斜直線或左斜直線的觀察來進行相位差的分析與判斷，并進一步通過相位差與兩點間的距離及波的波長之間的關系式來確定波長的大小。圖4圖4-19-3如圖4-19-3所示，在聲源發(fā)射器端面與接收器端面平行的條件下，由發(fā)出的平面波沿方向傳播，經(jīng)端面反射后，聲波將在這兩個平行端面之間往返反射，入射波和反射波將發(fā)生疊加。這兩列波有相同的振動方向、相同的頻率和相同的波長，在方向上以相反的方向傳播，它們的波動方程分別是疊加后合成波的波方程為(4-19-3)這是一個駐波方程，其波腹的位置是(4-19-4)其波節(jié)的位置是(4-19-5)顯然，相鄰的兩個波腹（或波節(jié)）的距離均為由于駐波波節(jié)處介質(zhì)的形變最大，此處聲壓也就最大，移動到波節(jié)處的壓電陶瓷換能器可以接收到最強的超聲波信號，在示波器上能看到最大幅度的正弦波信號（即干涉加強的波形）。因此，在實驗中只要測得相鄰兩波節(jié)（或波腹）的位置、，即可得到聲波的波長為(4-19-6)為測出駐波上相鄰兩波腹（或波節(jié)）間的半波長距離，可通過改變與之間的距離，即移動的位置，觀察連接的示波器顯示屏上所呈現(xiàn)的駐波振幅發(fā)生的周期性大小變化，如圖圖4-19-4示波器信號變化示意圖4-19-4所示。振幅大小每一次周期性的變化，就相當于與之間的距離改變了。與之間的距離改變可由游標尺讀數(shù)得到，聲波的振動頻可通過信號發(fā)生器上的頻率計測出，由此可以求出聲速的大小。圖4-19-4示波器信號變化示意圖【實驗儀器】函數(shù)信號發(fā)生器，示波器，聲速測量儀。聲速測量儀是由發(fā)射換能器、接收換能器及長度測量系統(tǒng)（游標尺）組成。發(fā)射換能器利用電致伸縮效應將電信號轉換為平面超聲波；接收換能器則利用壓電效應將平面超聲波能量轉換為電信號；長度測量系統(tǒng)是由一螺旋游標尺組成，其中發(fā)射器固定在游標尺的主尺上，接收器則裝在游標尺的螺旋游標尺上。隨著螺旋的移動，可以精密地調(diào)節(jié)和測量與之間的距離?！緦嶒瀮?nèi)容】1.相位比較法測聲速⑴.按圖4-19-1⑵.調(diào)整發(fā)射器的發(fā)射面，使之與游標尺垂直；同時使接收器端面與端面平行，且保持一微小距離。⑶.調(diào)整低頻信號發(fā)生器的輸出頻率，使發(fā)射器處于諧振狀態(tài)（示波器上信號振幅的為極大值）。⑷、移動接收器的位置，觀察示波器上李薩如圖形的變化，依次讀取示波器上顯示相位差圖形（右斜直線）時接收器的位置坐標。將數(shù)據(jù)填入表4-19-3，⑸、用逐差法求出聲波波長和相應的不確定度，進而計算聲速。2.駐波干涉法測聲速⑴、按圖4-19-3⑵、選擇適當?shù)慕邮論Q能器的起始位置，微調(diào)信號發(fā)生器的頻率，確定信號振幅的為極大值（諧振狀態(tài)）時，記錄信號源的頻率并固定不變；微調(diào)接收換能器位置，使示波器上觀察到的信號最強，記下接收換能器的位置。⑶、移動接收換能器依次到相鄰的振幅的極大值位置，記下共6個數(shù)據(jù)。然后，按同一個方向繼續(xù)移動接收換能器，并默數(shù)極大值位置的個數(shù)到第21個時記下相應的位置，按同樣的方法依次記下。填入數(shù)據(jù)記錄表4-19-4⑷、由上述12個接收換能器極大值的位置數(shù)據(jù)，用逐差法計算聲波波長和相應的不確定度，再計算聲速。【數(shù)據(jù)記錄與數(shù)據(jù)處理】1、相位比較法測定聲速數(shù)據(jù)記錄與計算表4-19-3相位法測定聲速數(shù)據(jù)表環(huán)境溫度諧振頻率位號123456789101112位置逐差計算的不確定度：的測量結果：記錄的超聲波頻率：計算聲速：聲速的不確定度：實驗結果：相對誤差：2、駐波干涉法測定聲速數(shù)據(jù)記錄與計算表4-19-4駐波法測聲速數(shù)據(jù)表環(huán)境溫度諧振頻率干涉加強位置數(shù)123456干涉加強位置數(shù)212223242526仿照相位比較法數(shù)據(jù)處理辦法計算聲速測量結果，并將兩種測量方法所得到的實驗結果進行比較?！咀⒁馐马棥?、在實驗前應掌握儀器的使用操作規(guī)程。2、實驗中用的導線是接頭處帶有鎖扣的饋線，插取導線時應先扭動鎖扣，不得用力硬拔導線?！舅伎碱}】1.為什么要在系統(tǒng)駐波共振狀態(tài)下進行聲速的測量？如何判斷系統(tǒng)處于共振狀態(tài)?2.是否可以用本實驗的兩種方法測量聲波在液體或固體中的傳播速度？4.20簡諧振動的研究本實驗是在氣墊導軌上觀察簡諧振動現(xiàn)象并測定簡諧振動的周期，同時觀察諧振動系統(tǒng)中的彈性勢能和動能之間相互轉化的現(xiàn)象，進一步測定和計算它們之間的數(shù)量關系?！緦嶒災康摹繄D4-20-1圖4-20-1簡諧振動示意圖2.測定簡諧振動系統(tǒng)中的勢能和動能間轉換的數(shù)量關系?！緦嶒炘怼慨敋鈮|導軌充氣后，在其上放置一滑塊，用兩個彈簧分別將滑塊和氣墊導軌兩端連接起來，如圖4-20-1（a）所示。選滑塊的平衡位置為坐標原點，將滑塊由平衡位置準靜態(tài)移至某點，其位移為，此時滑塊一側彈簧被壓縮，而另一側彈簧被拉長如圖4-20-1（b）。若彈簧的勁度系數(shù)為，則滑塊受到的彈性力為(4-20-1)式中，負號表示力和位移方向相反，由于滑塊與氣軌間的摩擦極小，故可以略去。而在豎直方向上滑塊所受的重力和支持力平衡，滑塊僅受到方向的恢復力即彈性力的作用，這時系統(tǒng)將作簡諧振動，其力學方程為：(4-20-2)令，則方程改寫為：這個常數(shù)系數(shù)二階微分方程的解為：(4-20-3)式中，稱為圓頻率，它與每秒振動次數(shù)(頻率）的關系為，從而簡諧振動的周期為：(4-20-4)將（4-20-3）式對時間求導數(shù)，可得滑塊運動的速度：(4-20-5)由于滑塊只受彈性力（保護力）作用，因此系統(tǒng)振動過程中機械能守恒。設滑塊在某位置處的速度為，則系統(tǒng)在該位置處的總能量應為：(4-20-6)把（4-20-3）式和（4-20-5）式代入（4-20-6）式有：又故（4-20-7）式中，、、及都是常量，它說明盡管振動過程中動能、位能不斷隨時間變化，但其總能量保持不變。實驗中若將滑塊移至點并作為起點，初速度，位移則該點處動能為零，系統(tǒng)總能量即為彈性位能。當滑塊運動到平衡位置O點時，位移而速度有最大值，該點處位能為零，系統(tǒng)總能量全部轉化為動能即。因此，只要測出起始位置的最大位移或平衡位置O點的滑塊速度，即可算出振動系統(tǒng)的總能量，而在振動過程中其它任意位置的動能和位能之和總等于。【實驗儀器】氣墊導軌、滑塊、數(shù)字毫秒計、物理天平和游標卡尺?！緦嶒瀮?nèi)容】1.觀察實驗=1\*GB2⑴、觀察本實驗中振動現(xiàn)象，指出滑塊在何處受力最大，何處受力最小；何處速度最大，何處速度最??；何處加速度最大，何處加速度最小。=2\*GB2⑵、仔細觀察滑塊振動的振幅有無衰減，分析其原因。=3\*GB2⑶、若將氣墊導軌由水平改為傾斜狀態(tài)觀察滑塊的振動，此時與水平放置有無區(qū)別？振動周期是否相同？是否為諧振動？試寫出振動方程。圖4-20-2圖4-=1\*GB2⑴、氣墊導軌充氣后，把滑塊置于氣軌上并將導軌調(diào)成水平。=2\*GB2⑵、如圖4-20-2將被測彈簧系于導軌和滑塊之間，滑塊再通過尼龍細線繞過氣墊滑輪吊一砝碼盤，盤內(nèi)加上45g砝碼使彈簧預先伸長，記下滑塊位置。然后依次加20g、40g、60g的砝碼并分別記下滑塊的位置。把數(shù)據(jù)記入表4-20-1。求出勁度系數(shù)。3.測簡諧振動的周期=1\*GB2⑴、用已知勁度系數(shù)的二根彈簧及滑塊按圖4-20-1排布力學系統(tǒng)。將數(shù)字毫秒計撥至“手動”復位，然后使滑塊從平衡位置向右（或向左）移動cm，放手后仔細觀察系統(tǒng)的運動情況并用數(shù)字毫秒計記下滑塊完成10次全振動所用的時間。將數(shù)據(jù)記入表4-20-2。=2\*GB2⑵、改變初始位置（即振幅）分別為、，重復=1\*GB2⑴的內(nèi)容，最后計算出諧振動周期。4.測振動系統(tǒng)的能量=1\*GB2⑴、將數(shù)字毫秒計選擇開關撥至自動復位，把其中一個光電門移至系統(tǒng)平衡位置處，另一個光電門置距點約20cm的處，給滑塊一適當?shù)某跷灰疲缓蠓攀?，滑塊開始振動，記錄滑塊遮光時間和，并將、的值記入表4-20-3中。=2\*GB2⑵、給滑塊不同的振幅、，重復=1\*GB2⑴的內(nèi)容。=3\*GB2⑶、用游標卡尺量出擋光片寬度，用天平稱出滑塊連同彈簧的質(zhì)量，計算滑塊分別經(jīng)過點、點處的速度和系統(tǒng)在、、各位置處的總機械能并加以比較。【數(shù)據(jù)記錄與數(shù)據(jù)處理】1.測量彈簧的勁度系數(shù)表4-20-1測彈簧初始位置加砝碼后位置彈簧伸長量伸長量均值標準差20g40g60g80g100g=1\*GB2⑴、計算出的不確定度，并正確表達其測量結果=2\*GB2⑵、由式計算勁度系數(shù)的測量值，由式計算相對不確定度，表達出勁度系數(shù)的測量結果2.測簡諧振動的周期表4-20-2測諧振動周期測量次序改變振幅10個周期周期T/s周期平均值123=1\*GB2⑴、計算周期的測量值和測量的不確定度，正確表達測量結果。、=2\*GB2⑵、利用周期公式計算周期的理論值，將周期的實驗值與理論值進行比較，計算百分誤差。3.測振動系統(tǒng)的能量表4-20-3測量次數(shù)滑塊質(zhì)量擋光片寬度勁度系數(shù)位置時間速度動能勢能機械能123運用測到的數(shù)據(jù)分析簡諧振動的能量轉化與守恒關系?！咀⒁馐马棥?.閱讀實驗4的注意事項。2.決不能用手去隨便拉伸作簡諧振動的彈簧。因為它的彈性限度很小，如果超過彈性限度，彈簧就不能恢復原狀了。【思考題】1.從簡諧振動周期公式看，測量時如何減小誤差？2.諧振系統(tǒng)內(nèi)動能和勢能如何實現(xiàn)轉換？4.21分光計的調(diào)整和使用分光計是一種分光和精確測量角度的光學儀器，可用來測量三棱鏡的頂角、最小偏向角、光柵的衍射角等，并通過角度測量來測定其它一些光學量，例如棱鏡玻璃的折射率、光柵常數(shù)、光波的波長等。分光計也是攝譜儀、單色儀等光譜分析儀器的重要部件。分光計比較精密，結構較為復雜，使用時必須嚴格按照一定的步驟進行調(diào)整，才能得到較高精度的測量結果。分光計的調(diào)整原理、方法和技巧，在光學儀器中具有一定的代表性?！緦嶒災康摹?.調(diào)整分光計。2.測量三棱鏡的頂角。3.測量三棱鏡玻璃的折射率。【實驗原理】1.自準法測三棱鏡頂角圖4-21-1自準法光路圖圖4-21-2反射法光路圖如圖4-21-1所示為常用的等邊三棱鏡。光線垂直入射于面，而沿原路反射回來，記下此時光線入射方位，然后使光線垂直入射于面，記下沿原路反射回來的方位，則角圖4-21-1自準法光路圖圖4-21-2（4-21-1）2.反射法測三棱鏡頂角如圖4-21-2所示，一束平行光射入三棱鏡，經(jīng)過面和面反射的光線分別沿和方位射出，記下、方位，由幾何學關系可知（4-21-2）3.最小偏向角法測三棱鏡玻璃折射率假設有一束單色平行光入射到棱鏡上，經(jīng)過兩次折射后沿方向射出，則入射光線與出射光線間的夾角稱為偏向角（如圖4-21-3所示），改變?nèi)肷涔鈱鈱W面的入射角(實際是轉動棱鏡），出射光線方向隨之而變，即偏向角發(fā)生變化。繼續(xù)轉動棱鏡偏向角逐漸減??；到某個位置時（如圖中由轉至）偏向角達到最?。ㄈ鐖D中由變?yōu)椋蝗粼倮^續(xù)沿此方向轉動，偏向角又逐漸增大。圖4-21-3偏向角測定可以證明（參閱本實驗附錄圖4-21-3偏向角(4-21-3)實驗測出三棱鏡頂角及最小偏向角，即可測出（及由分光計測定）。圖4-21-4圖4-21-4分光計結構1.小燈；2.分劃板；3.目鏡；4.目鏡筒制螺絲；5.望遠鏡傾斜度調(diào)節(jié)螺絲；6.望遠鏡鏡筒；7.夾持待測件的彈簧片；8.平行光管；9.平行光管傾斜度調(diào)節(jié)螺絲；10.狹縫套筒制動螺絲；11.狹縫寬度調(diào)節(jié)手輪；12.游標圓盤制動螺絲；13.游標圓盤微調(diào)螺絲14.放大鏡；15.游標圓盤；16.刻度圓盤；17.底座。18.刻度圓盤制動螺絲19.刻度圓盤微調(diào)螺絲20.載物小平臺21.載物平臺水平調(diào)節(jié)螺絲22.載物平臺緊固螺絲1.小燈2.分劃板3.目鏡4.目鏡筒制螺絲5.望遠鏡傾斜度調(diào)節(jié)螺絲6.望遠鏡鏡筒7.夾持待測件的彈簧片8.平行光管9.平行光管傾斜度調(diào)節(jié)螺絲10.狹縫套筒制動螺絲11.狹縫寬度調(diào)節(jié)手輪12.游標圓盤制動螺絲13.游標圓盤微調(diào)螺絲14.放大鏡15.游標圓盤16.刻度圓盤17.底座18.刻度圓盤制動螺絲19.刻度圓盤微調(diào)螺絲20.載物小平臺21.載物平臺水平調(diào)節(jié)螺絲22.載物平臺緊固螺絲圖4-21-5⑴、結構圖4-21-5平行光管圖4-21-5①平行光管管的一端裝有會聚透鏡，另一端內(nèi)插入一套筒，其末端為一寬度可調(diào)的狹縫，如圖圖4-21-圖4-21-6圖4-21-7載物小平臺②自準直望遠鏡（阿貝式）：阿貝式自準直望遠鏡與一般望遠鏡一樣，具有目鏡、分劃板及物鏡三部分。分劃板上刻劃的是“”形的準線，且邊上沾有一塊全反射小棱鏡，其表面涂了不透明膜，薄膜上刻了一個空心十字窗口。小燈泡的光從管側射入后，調(diào)節(jié)目鏡前后位置，可在望遠鏡目鏡視場中看到圖4-21-圖4-21-7物鏡后在分劃板上形成十字窗口的像。若平面鏡鏡面與望遠鏡光軸垂直，此像將落在“”準線上部的交叉點上，如圖4-21-6圖4-21-8分光計讀數(shù)裝置③載物小平臺：載物小平臺用以放置待測物體。臺上有一彈簧壓片夾，用以夾緊物體，臺下有三個螺絲，，,可調(diào)節(jié)平臺水平，如圖4-21-7圖4-21-8分光計④讀數(shù)裝置：讀數(shù)裝置由刻度圓盤和沿圓盤邊相隔180o對稱安裝的兩游標，組成（稱作角游標）如圖4-21-8（a）所示。刻度盤分成360o，最小分度為半度（30’）,小于半度的讀數(shù)，利用游標讀出。游標上有30格，故游標上的讀數(shù)單位是。角游標讀數(shù)方法與游標相同，如圖4-21-8（b）所示的位置，其讀數(shù)為87o+(30/+15/)=87o4兩個游標對稱放置，是為了消除刻度盤中心與分光計中心軸之間的偏心差。測量時，要同時記下兩游標的讀數(shù)。⑵、調(diào)整分光計在測量前，必須經(jīng)過仔細調(diào)整。調(diào)整分光計，要求達到以下幾點：①望遠鏡聚焦于無窮遠處，或稱為適合于觀察平行光。②望遠鏡和平行光管的光軸與分光計的中心軸線相互正交。③平行光管射出的光是平行光?！緦嶒瀮x器】分光計、鈉光燈、三棱鏡、平面鏡?！緦嶒瀮?nèi)容】1.分光計的調(diào)整分光計的型號有好幾種，它們的基本結構雖然相同，即都由前述的四個部分組成，但是不同型號的分光計，它們各部分調(diào)整螺絲的位置是有所不同的，由于分光計的調(diào)整螺絲很多（參閱圖4-21-4①調(diào)節(jié)望遠鏡高低傾斜度的螺絲；②控制望遠鏡（連同度盤）轉動的制動螺絲；③目鏡調(diào)焦（看清分劃板準線）手輪；④望遠鏡聚焦（看清物體）調(diào)節(jié)手輪（或螺絲）；⑤調(diào)整載物臺水平狀態(tài)的螺絲；⑥控制游標盤（連同載物臺）轉動的制動螺絲；⑦調(diào)整平行光管高低傾斜度的螺絲；⑧調(diào)整平行光管上狹縫寬度的螺絲；⑨平行光管調(diào)焦手輪（或螺絲）。⑴、目測粗調(diào)根據(jù)眼睛粗略的估計，調(diào)節(jié)望遠鏡和平行光管上的高低傾斜的調(diào)節(jié)螺絲，使望遠鏡、平行光管大致呈水平狀態(tài)；調(diào)節(jié)載物臺下的三個水平調(diào)節(jié)螺絲，使載物臺也大致呈水平狀態(tài)（這一步粗調(diào)是細調(diào)的前提，也是細調(diào)成功的保證）。圖4-21-9圖4-21-9三棱鏡的①調(diào)節(jié)目鏡調(diào)焦手輪，直到能夠清楚地看到分劃板“準線”為止。②接上小燈泡電源，打開開關，可在目鏡視場中看到如圖4-21-6③把三棱鏡按圖4-21-9所示的位置放置在載物臺上，使平臺下三個螺絲，，中每兩個的連線與三棱鏡的鏡面正交，輕輕地放下彈簧壓片夾，夾住三棱鏡。④放松控制游標盤（連同載物臺）轉動的控制螺絲，轉動游標盤（連同載物臺）使三棱鏡的某一個鏡面(例如面)與望遠鏡光軸大致正交。然后，慢慢地左、右轉動游標盤，同時從望遠鏡中觀察和尋找由鏡面反射回來的綠色小十字像，隨著游標盤的旋轉像應該左、右晃動。如圖4-21-10中的圖（a），圖（b），圖（c）所示，隨著游標盤自左向右轉動，綠色小十字像也自左向右移動。因此，仔細緩慢地轉動游標盤可使小十字像調(diào)至視場中央，實現(xiàn)小十字像和“”準線中的兩豎線相重合，如圖4-21-10（b）所示。圖4-21-10望遠鏡中像的調(diào)節(jié)如果在游標盤轉動過程中，望遠鏡中看不到小十字像，則說明粗調(diào)尚未調(diào)好，應調(diào)節(jié)望遠鏡高低傾斜螺絲或載物平臺水平調(diào)節(jié)螺絲，使鏡面與望遠鏡軸基本正交后，即可看到。待看到隨著游標盤轉動而左右移動的小十字像后，再轉動游標盤，相繼使三棱鏡透光面、先后對準望遠鏡，找反射像。當用、與三個面均能看到反射的小十字像后，再調(diào)節(jié)望遠鏡聚焦手輪（或螺絲），使小十字像聚焦清晰并且與分劃板“準線”間無視差，望遠鏡就適合于接受平行光了。圖4-21-10⑶、調(diào)整望遠鏡的光軸與儀器中心軸線正交圖4-21-12平行光管光軸的調(diào)節(jié)圖4-21-11望遠鏡光軸的調(diào)節(jié)當望遠鏡中分別能看到三棱鏡、、三個面上反射的小十字像時，說明望遠鏡光軸與儀器中心軸線基本正交，尚需進一步調(diào)整到完全正交。先使望遠鏡對準面，看到反射的小十字像，它與分劃板上的十字絲一般并不重合，如圖4-21-10（a),豎直線的重合可由緩慢地轉動游標盤來實現(xiàn),如圖4-21-10(b）或圖4-21-11（a)；水平線重合的調(diào)節(jié)，可采用“減半逐步逼近調(diào)節(jié)法”：調(diào)整望遠鏡高低傾斜螺絲，使兩水平線的間距由減半縮小為（)，如圖4-21-11（b），然后調(diào)節(jié)面下方載物臺下的水平調(diào)節(jié)螺絲，使兩水平線“完全重合”，如圖4-21-11（c),再轉動游標盤（連同載物臺），先后使三棱鏡面、面分別對準望遠鏡，以同樣方法調(diào)整成“完全重合”（注意：調(diào)節(jié)中，載物臺下螺絲應分別調(diào)，）。經(jīng)反復調(diào)整，直到三棱鏡不論哪一面對準望遠鏡時，反射回來的小十字像均能和分化板準線的上部十字線重合為止，這時望遠鏡光軸和分光計中心軸線已經(jīng)完全正交了。圖4-21-12圖4-21-11⑷、調(diào)整平行光管①調(diào)整平行光管產(chǎn)生平行光。關掉望遠鏡中小燈泡，用燈照亮狹縫，使縫寬適中，取下載物臺上三棱鏡，以調(diào)好的望遠鏡為基準，從望遠鏡中觀察來自平行光管的狹縫像，調(diào)節(jié)平行光管調(diào)焦手輪（或螺絲），前后微微移動狹縫，務必使狹縫像清晰而無視差。②調(diào)整平行光管的光軸與儀器中心軸線正交?？吹角逦氖窒窈?，轉動狹縫（但前后不能移動）成水平狀態(tài)，調(diào)節(jié)平行光管傾斜螺絲，使狹縫水平像被分化板上中央十字線的水平線上下平分，如圖4-21-12（a）所示，然后將狹縫轉，再調(diào)節(jié)平行光管傾斜螺絲，使狹縫豎直像被中央十字線的水平線上下平分，如圖4-21-12（b），反復調(diào)節(jié)幾次即可。2.測量在正式測量前，請先弄清你所使用的分光計中下列各螺絲的位置：①控制望遠鏡（連同刻度板）轉動的制動螺絲；②控制望遠鏡微動的螺絲；③控制游標盤（連同載物臺）轉動的制動螺絲和微動螺絲。⑴、自準法測三棱鏡頂角將三棱鏡重新放在載物臺上，由于重新放置，所以位置可能有微小的變化，因此需按上述的調(diào)節(jié)步驟⑶再調(diào)節(jié)校準一次。旋緊望遠鏡制動螺絲，固定望遠鏡，轉動游標盤使面對準望遠鏡，調(diào)節(jié)游標盤微調(diào)螺絲使反射的小十字像與分化板上部十字絲完全重合（如圖4-21-11（c）所示），分別記下在此位置時（如圖4-21-1所示）兩對稱游標中指示的讀數(shù)、，轉動游標盤使面對準望遠鏡，同上法記下、,可得，，算出再重復測五次。⑵、反射法測三棱鏡頂角如圖4-21-2所示，使三棱鏡的角對準平行光管，打開鈉燈（或汞燈），使平行光照射在三棱鏡、面上，旋緊標盤制動螺絲，固定游標盤位置，放松望遠鏡制動螺絲，轉動望遠鏡（連同刻度盤）尋找面反射的狹縫像，使分劃板上豎直線與狹縫像基本對準后旋緊望遠鏡制動螺絲，用望遠鏡微調(diào)螺絲使豎直線與狹縫完全重合，記下此時兩對稱游標上指示的讀數(shù)、,轉動望遠鏡至面進行同樣的測量得,可得：，，則再重復測5次。以上兩種測量方法可任選一種，也可兩種全做。⑶、最小偏向角的測量分別放松游標盤和望遠鏡的制動螺絲，轉動游標盤（連同三棱鏡），使平行光射入三棱鏡面如圖4-21-3所示，轉動望遠鏡在面處尋找平行光管狹縫像，然后向一個方向緩慢地轉動游標盤（連同三棱鏡），在望遠鏡中觀察狹縫像的移動情況，當隨著游標盤轉動而轉動的狹縫像，正要開始折返回來時，固定游標盤，輕輕地轉動望遠鏡，使分劃板上豎直線與狹縫像對準，記下對稱兩游標指示的讀數(shù)。然后取下三棱鏡，轉動望遠鏡使它直接對準平行光管，并使分劃板上豎直線與狹縫像對準，記下對稱的兩游標指示的讀數(shù)，可得,再重復測量5次?！緮?shù)據(jù)記錄與數(shù)據(jù)處理】1、反射法測量三棱鏡頂角表4-21-1三棱鏡頂角的測量數(shù)據(jù)測量次序位置1位置2平均值標準差右窗左窗右窗左窗12345計算出棱鏡頂角測量的不確定度，表達測量結果。測量結果：相對誤差：2、自準法測三棱鏡頂角，表格自擬，并進行數(shù)據(jù)處理，正確表達實驗結果。3、最小偏向角的測量選做，表格自擬。【注意事項】1.望遠鏡、平行光管上的鏡頭、三棱鏡鏡面不能用手摸、擦，有塵埃時，應該用專用擦鏡紙輕輕擦拭。三棱鏡要輕拿輕放，避免打碎。2.望遠鏡和游標盤在制動螺絲旋緊的情況下，不能硬去扳轉它們，以免磨損儀器的轉軸。為了避免這種情況的出現(xiàn)，應在每次轉動望遠鏡和游標盤前，先看一下制動螺絲是否放松。3.在暗室中，由望遠鏡中觀察圖像和分劃板十字線時，眼睛容易疲勞，所以一要耐心，二要及時地自我調(diào)節(jié)，即觀察久了要脫離望遠鏡，讓眼睛休息一下，必要時做做眼保健操?！舅伎碱}】1.分光計有哪幾部分組成？2.分光計的調(diào)整要求是什么？3.轉動游標盤（連同載物臺）上的三棱鏡時，如在望遠鏡中看不到由鏡面反射的小十字像，應怎么辦？4.怎樣調(diào)節(jié)可使反射小十字像與分劃板上部十字線的兩水平線相互重合？5.如何判別最小偏向角？6.為什么分光計要調(diào)整到望遠鏡光軸與儀器中心軸線正交？不正交時對測量結果有何影響？4.22牛頓環(huán)裝置測量平凸鏡的曲面半徑光的干涉是光的波動性的一種表現(xiàn)。“牛頓環(huán)”是一種分振幅等厚干涉現(xiàn)象，最早為牛頓所發(fā)現(xiàn)，但由于他主張光的微粒說而沒能對它作出正確的解釋，牛頓環(huán)干涉現(xiàn)象在光學加工中有廣泛應用?！緦嶒災康摹?.了解牛頓環(huán)等厚干涉的原理和觀察方法。2.掌握用牛頓環(huán)測量透鏡曲率半徑的方法?！緦嶒炘怼繄D4-22-1牛頓環(huán)原理圖圖4-22-2牛頓環(huán)干涉條紋當一個曲率半徑很大的平凸透鏡的凸面與平面玻璃接觸時，兩者之間就形成了一個空氣間隔層，如圖4-22-1所示。間隙層的厚度從中心接觸點到邊緣逐漸增加，若有一束單色光垂直地入射到平凸透鏡上，則空氣間隔層上下表面反射的兩束光存在光程差，它們在平凸透鏡的凸面上相遇時就會產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。當凸透鏡面的曲率半徑很大時，在點處相遇的兩反射光線的光程差為該處空氣間隙厚度的兩倍，即；又因這兩條相干光線中有一條光線來自光密媒質(zhì)面上的反射，另一條光線來自光疏媒質(zhì)面上的反射，它們之間有一大小為的相位突變，通常叫做“半波損失”，所以，在圖4-22-1牛頓環(huán)原理圖圖4-22-2牛頓環(huán)干涉條紋（4-22-1)光程差是隨空氣間隙厚度改變的，相同厚度處的干涉狀態(tài)相同，所以叫“等厚干涉”，干涉條紋是以接觸點為圓心的許多同心圓環(huán)，如圖4-22-2所示。當光程差滿足（4-22-2)時為暗條紋，將式（4-22-1）代入式（4-22-2）后，得到暗條紋的空氣間隙層厚度滿足（4-22-3)由此可見，接觸點處，對應的是零級暗條紋。明條紋的光程差應滿足,它出現(xiàn)在空氣間隙厚度為處，由于一般測量時均使用暗條紋，所以對亮條紋不再詳述?？諝忾g隙層厚度和透鏡凸面曲率半徑及干涉環(huán)暗條紋的半徑之間有著簡單的幾何關系，即：（4-22-4)因為>>，所以<<，略去項，將式（4-21-3)代入式（4-22-4)后，得出暗條紋的半徑為：（4-22-5)由式（4-22-5)可以看出，如果單色光源的波長已知，測出個暗環(huán)的半徑，就可以標出曲率半徑，反之，如果已知，測出后，就可以計算出入射單色光源的波長。但是用此測量關系式時往往誤差很大，原因在于凸面和平面不可能是理想的點接觸，接觸壓力會引起局部形變，使接觸處成為一個圓面，干涉環(huán)中心為一暗斑；或者空氣間隙層中有了塵埃，附加了光程差，干涉環(huán)中心為一亮（或暗)斑，所以無法確定環(huán)的幾何中心，比較準確的方法是測量干涉環(huán)的直徑，在數(shù)據(jù)處理上可采用兩種方法：1.圖解法處理測出了個對應環(huán)的直徑，由式（4-22-5）可得（4-22-6)作圖線，應為一直線，由其斜率，可算或。2.逐差法處理測出了各后，將其分成兩組，可分別得,，因而有：（4-22-7)求出了組（）平均值，即可算出或。本實驗用讀數(shù)顯微鏡測量牛頓環(huán)直徑，讀數(shù)顯微鏡的構造原理和使用方法，請參閱3.2.1.4小節(jié)“讀數(shù)顯微鏡”部分?！緦嶒瀮x器】讀數(shù)顯微鏡、平凸透鏡和平面玻璃組成的牛頓環(huán)裝置、450平面反射玻璃片、鈉光燈。【實驗內(nèi)容】1.實驗裝置的調(diào)整實驗裝置如圖4-22-3所示。鈉光燈（圖中4）發(fā)出波長＝黃色光，經(jīng)玻璃片（圖中7)反射后，垂直入射到由平面玻璃（圖中5）和平凸透鏡（圖中8）組成的牛頓環(huán)元件，形成的牛頓環(huán)可通過讀數(shù)顯微鏡觀察，觀察時眼睛位于讀數(shù)顯微鏡目鏡（圖中3）的上方。使用讀數(shù)顯微鏡應進行下列三步調(diào)整：⑴、對焦：移動牛頓環(huán)元件使其幾何中心對準讀數(shù)顯微鏡的物鏡。⑵、調(diào)焦：調(diào)解目鏡使十字叉絲清晰，旋轉物鏡調(diào)節(jié)手輪，使鏡筒由最低位置緩緩上升，邊升邊觀察，直至在目鏡中看到聚焦清晰的牛頓環(huán)。圖4-22-3牛頓環(huán)實驗裝置1.讀數(shù)鼓輪；2.物鏡調(diào)節(jié)螺釘；3.目鏡；４.鈉光燈；5.平板玻璃；6.物鏡；7.反射玻璃片；8.平凸透鏡；9.載物臺；10.支架。圖4-22-3牛頓環(huán)實驗裝置1.讀數(shù)鼓輪；2.物鏡調(diào)節(jié)螺釘；3.目鏡；４.鈉光燈；5.平板玻璃；6.物鏡；7.反射玻璃片；8.平凸透鏡；9.載物臺；10.支架。2.牛頓環(huán)直徑的測量⑴、請考慮如何測量才能保證測出的是牛頓環(huán)的直徑而不是弦長。⑵、旋轉讀數(shù)顯微鏡讀數(shù)鼓輪，使顯微鏡筒向左移動，同時從中心開始數(shù)干涉條紋暗環(huán)級次到30環(huán)以上，然后鼓輪反轉，使顯微鏡筒向右移動，當顯微鏡叉絲豎線與第30個暗環(huán)寬度的中心線相切時，記下顯微鏡標尺讀數(shù)，繼續(xù)向右移動，依次讀出，，繼續(xù)沿同一方向移動顯微鏡筒，越過干涉環(huán)圓心，測出同級干涉環(huán)另一邊的，數(shù)據(jù)記錄于表格中，求得30～15環(huán)的直徑測量過程中，不能中途倒退，只能單方向前進。⑶、重復步驟⑵再測一次。⑷、測量完成后，觀察一下白光照射下的牛頓環(huán)干涉圖樣，并與鈉光下觀察的圖樣作比較?！緮?shù)據(jù)記錄與數(shù)據(jù)處理】平凸鏡的凸面半徑的測量表4-22-1牛頓環(huán)直徑的測量數(shù)據(jù)圈數(shù)顯微鏡讀數(shù)左方右方302029192818271726162515計算出，本實驗中相對很小(小于)，可忽略不計，則。所以，取，代入，計算平凸鏡半徑；由計算的不確定度。平凸鏡曲面半徑測量結果：相對誤差：重復測量數(shù)據(jù)記錄表4-22-2牛頓環(huán)直徑的測量數(shù)據(jù)（重復測量）圈數(shù)顯微鏡讀數(shù)左方右方15161718192021222324252627282930=1\*GB2⑴重復測量數(shù)據(jù)用圖解法處理，方法是以數(shù)據(jù)表中第15至第30條條紋直徑平方為縱坐標，條紋級次為橫坐標，用Excel圖表導向作出圖線，并用擬合的線性方程，求得斜率，由斜率值求得平凸鏡的半徑〔見式（4-22-6)〕。=2\*GB2⑵將兩種處理方法得到的平凸鏡半徑進行比較?！咀⒁馐马棥?.讀數(shù)顯微鏡在調(diào)節(jié)中要防止其物鏡與45o玻璃片或被測牛頓環(huán)元件相碰。2.在測量牛頓環(huán)直徑的過程中，為了避免螺距誤差，只能單方向前進，不能中途倒退后再前進。【思考題】1.牛頓環(huán)干涉條紋形成在哪一個面上（即定域在何處）？2.實驗中為什么測牛頓環(huán)直徑而不測半徑，如何保證測出的是直徑而不是弦長？3.若牛頓環(huán)裝置中落入了灰塵，因而平凸透鏡與平面玻璃間離開了距離，若仍要測量透鏡的曲率半徑，則其測量關系式是怎樣的？為什么？4.23楊氏雙縫干涉1801年，英國物理學家托馬斯·楊（ThomasYoung）首先用實驗方法研究了光的干涉現(xiàn)象。他是讓太陽光通過一個針孔，再通過離這針孔一段距離的兩個針孔，在兩針孔后面的屏幕上得到了干涉圖樣。繼而發(fā)現(xiàn)，用相互平行的狹縫代替針孔，可以得到明亮得