设计性试验《微小线径的测定》.doc

1、评分： 大学物理实验设计性实验实 验 报 告实验题目： 微小线径的测定茂名学院 物理系 大学物理实验室班 级： 材控 08-2 班姓 名：学号：25指导教师： 徐祥福- 2 -实验日期：2009 年 12 月 4 日原始数据记录：实验台号：5 号 实验日期：2009.12.30.4instm1n5.89310cm劈尖长度 L 的测量数据记录表：次数测量值1 2 3 4 5 61()ym0.995 1.000 0.985 0.986 1.000 0.995233.460 33.467 33.450 33.448 33.459 33.4561()Ly32.465 32.467 32.465 32.

2、462 32.459 32.461m32.463条纹间距 b 的测量数据记录表：已知 5n测量值次数()x测量值次数()xm5()iixbmn()b1 14.351 6 8.061 0.1402 12.957 7 6.778 0.1373 11.651 8 5.630 0.1384 10.448 9 4.473 0.1335 9.256 10 3.085 0.1370.137- 3 -实验 17 微小线径的测定实验提要课题的提出和依据微小线径的测量在现代科学中有很多的测量方法，但都可以归结为，有直接测量和间接测量两类。在普通物理中，直接测量常用的仪器如：千分尺、读数显微镜等，间接测量常采用的方

3、法如：干涉法、衍射法等。对于 0.01mm 以下的线径用千分尺和常用的读数显微镜来测量就显得无能为力了，通常采用间接测量的方法。头发对每一个人来说都不陌生，但有谁能说出自己的头发的直径是多少？本课题要求设计一种测量自己头发直径的方法，通过实验加以验证。实验课题及任务微小线径的测定实验课题的任务是，利用光的的干涉、衍射(波动性) 现象及其理论，设计出一种实验方法，根据干涉、衍射的花样测量出自己头发的直径。学生根据自己所学知识，设计出微小线径的测定的整体方案，内容包括：(写出实验原理和理论计算公式；选择测量仪器；研究测量方法；写出实验内容和步骤。)然后根据自己设计的方案，进行实验操作，记录数据，做

4、好数据处理，得出实验结果，写出完整的实验报告，也可按书写科学论文的格式书写实验报告。本实验题目要求开光学课程的各专业必选，可以有三至四组选，但是每组的方法或采取的手段应不同。建议电子专业的有四组选择该实验，给专业光学实验打基础。实验原理提示1 衍射法 实验原理激光衍射互补测定法的原理是基于巴俾特原理，图示如下。设一个任意形状的开孔，在平面波照射下，在接收屏上的复振幅用 U1 表示；用同一平面波照射其互补屏时，在接收屏上其复振幅用 U2 表示。当互补屏叠加时，开孔消失，在接收屏上的光强分布也应消失，合成复振幅应为零，即即 - 4 -上式说明，两个互补屏所产生的衍射图形，其形状和光强完全相同，仅位

5、相相差 。这就是巴俾特原理。对激光衍射条纹来说，原来是亮条纹的位置上互补时将出现暗条纹。利用这个互补原理，就可以测定各种细丝和薄带的尺寸。根据巴俾涅(Babinet)原理“两个互补屏所产生的衍射图形，其形状和光强完全相同，仅位相差为 ”。可知细丝衍射图形和狭缝衍射图形是相同的，细丝衍射计算和狭缝衍射2计算相同。狭缝或细丝衍射的光强 I 的分布，由物理学知道： )sin(20I式中： ； 为衍射角；d 是狭缝宽度或细丝直径； 是单色光源波长( 激光sin 光源波长) 是 时的光强，即光轴上的光强度。0I当 处将出现光强为零的条纹，即 的暗条纹。n,32, 0I测量出暗条纹的位置以及对应的暗条纹的

6、级数，就可以根据上面公式计算出细丝直径 d。衍射法可以用细丝衍射法(和狭缝衍射互补 )，还可以用圆斑衍射法 (和小孔衍射互补)。这两种衍射方法都需要制作衍射屏，但前者制作衍射屏比后者容易。2 干涉法 利用空气劈尖的形成干涉条纹，根据劈尖干涉的原理和计算公式，测量出条纹的距离等参数计算出细丝直径 d。 图 9-2 劈 尖 形 空 气 薄 膜 设计要求 通过在实验室观察干涉( “劈尖”等厚干涉)、衍射(细丝衍射 )现象，选择其中一种方法，制定出实验方案。 画出实验原理图，绘制出光路图，通过对光路图的分析，找出头发直径与光路图中的那些物理量(即待测量的物理量 )有关，根据干涉、或衍射理论及相关公式推

7、导出计算公式，写出该实验的实验原理。( 注：这一步是本实验的关键所在，得先到实验室观察实验现象，通过实验现象的观察，绘制出光路图，分析论证，找出规律，才能写出实验原理。) 根据实验原理写出实验内容，设计出实验步骤，要具有可操作性。 实验结果用标准形式表达，即用不确定度来表征测量结果的可信赖程度。实验仪器的选择及提示- 5 - 干涉法：读数显微镜；钠灯；平板玻璃两块；头发丝(自带) ；也可以自制辅助器件。 衍射法： 氦氖激光器； 自制衍射屏(头发丝固定在支架上) ； 米尺(三米以上较好)；光屏( 可以自制，也可以利用实验室条件 )； 也可以自制辅助器件。 可以用透镜，也可以不用，推荐不用透镜。提

8、交整体设计方案时间学生自选题后 23 周内完成实验整体设计方案并提交。提交整体设计方案，要求用纸质版(电子版用电子邮件发送到指导教师的电子邮箱里) 供教师修改。思考题 衍射物屏与光屏之间的距离多远比较合适？ 制作劈尖要注意什么？参考文献参阅各实验书籍中的干涉、衍射原理。物理学下册 第四版 东南大学等七所工科院校编 马文蔚等改编 高等教育出版社出版 第十七章 17-4 17-6、7 。近代光学测试技术 杨国光 主编 浙江大学出版社 第五章 光的衍射技术。- 6 -微小线径的测定实验设计方案材控 08-2 班 25 号 欧坚 实验题目：微小线径的测定整体设计思路：利用干涉法，根据实验产生的条纹分析

9、，运用劈尖干涉原理和计算公式来求头发丝的直径。劈尖如图： 劈 尖 形 空 气 薄 膜 实验目的：1 练习用干涉法测量微小直径。 2 通过实验进一步加深对等厚干涉原理理解。观察等厚干涉现象及其特点。3 熟悉读数显微镜的结构原理，学会它的调节和使用方法。4. 熟悉逐差法处理数据。实验仪器：- 7 -读数显微镜、钠灯、平板玻璃两片、头发丝读数显微镜的结构如下：1 目 镜 接 筒 12 反 光 镜 旋 轮 2 目 镜 13 压 片 3 锁 紧 螺 钉 14 半 反 镜 组 4 调 焦 手 轮 15 物 镜 组 5 标 尺 16 镜 筒 6 测 微 鼓 轮 17 刻 尺 7 锁 紧 手 轮 18 锁 紧

10、 螺 钉 8 接 头 轴 19 棱 镜 室 9 方 轴 10 锁 紧 手 轮 1 底 座 实验原理：将待测的头发丝放在两块平板玻璃之间的一端，则形成劈尖形空气薄膜，即在两玻璃板之间形成一空气劈尖。d 为细丝的直径， 为玻璃片长度， 为两玻璃片间的L夹角。由于 实际很小，在光的照射下在劈尖的上表面处反射的光线和在劈尖 下表面Ld- 8 -处反射的光线都可看作垂直于劈尖表面，它们在劈尖表面处相遇并相干叠加。则在空气劈尖的上表面形成干涉条纹，条纹是平行于棱的一组等距离直线，且相邻两条纹所对应的空气膜厚度之差为半个波长，即当用单色光垂直照射时，在劈尖薄膜上下两表面反射的两束光发生干涉，其光程差为：（

11、为上下表面的2nd距离）产生的干涉条纹是一簇与两玻璃板相交接线平行且间距相等的平行条纹。两相邻明（或暗）纹处劈尖的厚度差，设第 级明（或暗）纹处劈尖的厚度为 ，k kd第 级明（或暗）纹处的劈尖厚度为 ，1 1则有：（k=1、2、3）ndk21一般劈尖的夹角 很小，从图中可以看出，若相邻两明（或暗）纹间的距离为 b，则有：Ldbn2- 9 -得： Lnbd2已知光在空气中的波长 和劈尖空气为介质的折射率 ，对 d 进行求解。n实验内容及步骤：先调节好读数显微镜测出劈尖长度 L测劈尖的干涉条纹间距 b数据处理具体步骤：a) 开启钠灯灯光源，等待几分钟后灯管发光稳定后再开始做实验。b) 仔细调节读

12、数显微镜，使钠光灯正对45 度角玻璃片。直到眼睛看到显微镜视场较亮，并能观察到玻璃片。将显微镜镜筒缓慢地自上而下降低，通过正确调焦，使目镜视场中玻璃片清晰。再转动接目镜，看清目镜筒中的十字丝。放松目镜筒动螺丝，转动目镜筒，使十字丝横丝与外面读数标尺目测平行。c) 将头发丝放在平板玻璃上的靠端处- 10 -（不得放在最边缘处） ，将另一块玻璃轻轻盖上去（避免用力过度让头发丝变形）然后放在显微镜物镜上方先把钠灯移到一边，备免影响劈尖长度 L 的测量，转动测微鼓轮，使镜筒沿水平方向移动，检查十字丝的纵丝是否始终和玻璃片的边缘平对齐，如不对齐则移动玻璃片的位置（ 在测量过程中，为了避免转动部件的螺纹间隙产生的空转误差，在转动测微鼓轮不可以倒退 （即只朝一个方向转，并在开始时先将十字叉丝移过 4-6条条纹才开始记录数字） ） 。调节中，应边移动玻璃片的位置，边观察纵丝是否对齐玻璃片，直到调好为止。记下此时的数据为 ，转动测微鼓轮直至与头发丝1y对齐，记下数据为 。重复测量 6 次，填2y入劈尖长度 L 数据记录表中。d) 测完 L 后，将钠灯摆好，使得劈尖产生干涉条纹，调节目镜使得看到清晰的干涉条纹，并调节目镜筒的十字丝，使得十字丝的纵丝与暗条纹平行。在转动测微鼓轮过程中，每个暗（亮）条纹读