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： 机电 08-1姓 名： 李景文学号：24指导教师： 徐祥福实验日期：2009 年 12 月 2 日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
2、？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
3、有四组选择该实验，给专业光学实验打基础。实验原理提示 衍射法 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2同的，细丝衍射计算和狭缝衍射计算相同。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sind 波长(激光光源波长) 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n,32, 0I条纹。测量出暗条纹的位置以及对应的暗条纹的级数，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
4、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。 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。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
5、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 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。微小线径的测定实验目的：1 观察等厚干涉现象及其特点。2 通过实验进一步加深对等厚干涉原理理解。3 练习用干涉法测量微小直径。4 熟悉读数显微镜的结
6、构原理，学会它的调节和使用方法。实验仪器：读数显微镜、钠灯、平板玻璃两片、头发丝实验原理：将两块光学平面玻璃板迭在一起，在一端插入头发丝线（或薄片等），则在两玻璃板之间形成一空气劈尖。 为细丝的直径， 为玻璃片长度， 为两DL玻璃片间的夹角。由于 实际很小，所以在劈尖的上表面处反射的光线和在劈尖下表面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。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：（ 为上下表面的距离）2nd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
7、厚k度为 ，第 级明（或暗）纹处的劈尖厚度为 ，则有：kd11d12kdn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s，则有： sLD得：n2已知光在空气中的波长 和劈尖空气为介质的折射率 ，对 进行求解nD实验内容及步骤：1）启动钠灯灯光源，几分钟后灯管发光稳定变亮。2）将头发丝放在平板玻璃上的靠端处（不得放在最边缘处） ，并固定好，然后放在显微镜物镜上方。3）前后左右移动读数显微镜，也可轻轻转动镜筒上的 45 度角反光玻璃片，使钠光灯正对 45 度角玻璃片。直至眼睛看到显微镜视场较亮，并观察到玻璃片。将显微镜镜筒缓慢地自上而下升高，通过正确调焦，使目镜视场中玻璃片
8、清晰。4）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。5）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。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对齐，记下数据为 。重复测量 6 次，1y 2y填入表一中。6）将玻璃片取下制成劈尖，放在显微镜物镜上方，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。7）在测量过程中，为了避免转动部件的螺纹间隙产生的空程误差，在转动测微鼓
9、轮不可以倒退。在转动测微鼓轮过程中，每 10 个暗（亮）条纹读一次数，读 10 个，并记下各对应的坐标 于表二中。x实验数据：表一次数测量值1 2 3 4 5 61()ym0.803 0.802 0.801 0.802 0.801 0.801247.578 47.577 47.580 47.582 47.580 47.581yL146.775 46.775 46.779 46.780 46.779 46.780()m46.778表二已知 05n测量值次数()xm测量值次数()xm)(5mnxsiis1 18.322 6 26.298 0.1602 19.962 7 27.821 0.1573
10、21.602 8 29.321 0.1544 23.189 9 30.797 0.1525 24.750 10 32.248 0.1500.155数据处理：已知： 0.4instm1nm410893.5对 的数据处理： ( ) L 7607.421 yL同理 ( ) ( )75.462 963( ) ( ) ( )80m.5m8.46Lm(mm) 78.460.79.0.79.46.7.461 niLA 类不确定度： niiLLS12= 0.0024( )2278.460.78.465.6 mB 类不确定度： = =0.0023( )3instu0.m总不确定度： = =0.0033( )2L
11、US2203.4.对 s 的数据处理： ( )160.52.89.651651 xnxsii m同理 ( ) ( ) ( ) ( ) 57.02m4.03m.04s5.s( ) 15.152.157.6.1 nisA 类不确定度：nissS12= 0.004( )2215.0.5.06.5 mB 类不确定度： = ( )3instu3.4.总不确定度： = =0.0046( )2bUS220. ( )89.15.074689.52snLDm由 得 直径 的不确定度： 22sLDUDU= 222424 046.15.0786893.03.15.0893 =0.00260.003 ( )m相对不确定度： 100= 100=2.92DUr 089.26D=(0.0890.003) .rU心得体会：物理实验需要的是严谨的思维，需要认真的去想，每一步都要做的很严谨，不然就会产生不该产生的误差影响最终的数据结果，导致实验失败。通过物理实验的学习，我认识到了实验是物理学的基础，许多理论直接来自于实验。而要设计一个实验去验证某个理论或者利用某个理论去测量某个物理，更是十分有学问的，是非常复杂的。我们学理科的同学，尤其要重视实验课，注重理论与实践相结合。
