設(shè)計(jì)性試驗(yàn)《微小線徑的測(cè)定》

1、<p>　　評(píng)分： </p><p>　　大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)</p><p>　　實(shí) 驗(yàn) 報(bào) 告</p><p>　　茂名學(xué)院 物理系 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室</p><p>　　實(shí)驗(yàn)日期：2009 年 12 月 4 日</p><p><b>　　原始數(shù)據(jù)記

2、錄：</b></p><p>　　實(shí)驗(yàn)臺(tái)號(hào)：5號(hào) 實(shí)驗(yàn)日期：2009.12.3</p><p>　　劈尖長(zhǎng)度L的測(cè)量數(shù)據(jù)記錄表：</p><p>　　條紋間距b的測(cè)量數(shù)據(jù)記錄表：</p><p><b>　　已知</b></p&g

3、t;<p>　　實(shí)驗(yàn)17 《微小線徑的測(cè)定》實(shí)驗(yàn)提要</p><p><b>　　課題的提出和依據(jù)</b></p><p>　　微小線徑的測(cè)量在現(xiàn)代科學(xué)中有很多的測(cè)量方法，但都可以歸結(jié)為，有直接測(cè)量和間接測(cè)量?jī)深?。在普通物理中，直接測(cè)量常用的儀器如：千分尺、讀數(shù)顯微鏡等，間接測(cè)量常采用的方法如：干涉法、衍射法等。對(duì)于0.01mm以下的線徑用千分尺和常用的

4、讀數(shù)顯微鏡來(lái)測(cè)量就顯得無(wú)能為力了，通常采用間接測(cè)量的方法。頭發(fā)對(duì)每一個(gè)人來(lái)說(shuō)都不陌生，但有誰(shuí)能說(shuō)出自己的頭發(fā)的直徑是多少？本課題要求設(shè)計(jì)一種測(cè)量自己頭發(fā)直徑的方法，通過(guò)實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證。</p><p><b>　　實(shí)驗(yàn)課題及任務(wù)</b></p><p>　　《微小線徑的測(cè)定》實(shí)驗(yàn)課題的任務(wù)是，利用光的的干涉、衍射(波動(dòng)性)現(xiàn)象及其理論，設(shè)計(jì)出一種實(shí)驗(yàn)方法，根據(jù)干涉、衍射

5、的花樣測(cè)量出自己頭發(fā)的直徑。</p><p>　　學(xué)生根據(jù)自己所學(xué)知識(shí)，設(shè)計(jì)出《微小線徑的測(cè)定》的整體方案，內(nèi)容包括：(寫出實(shí)驗(yàn)原理和理論計(jì)算公式；選擇測(cè)量?jī)x器；研究測(cè)量方法；寫出實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和步驟。)然后根據(jù)自己設(shè)計(jì)的方案，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，記錄數(shù)據(jù)，做好數(shù)據(jù)處理，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果，寫出完整的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，也可按書寫科學(xué)論文的格式書寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。</p><p>　　本實(shí)驗(yàn)題目要求開光學(xué)課程的各專業(yè)必選，

6、可以有三至四組選，但是每組的方法或采取的手段應(yīng)不同。建議電子專業(yè)的有四組選擇該實(shí)驗(yàn)，給專業(yè)光學(xué)實(shí)驗(yàn)打基礎(chǔ)。</p><p><b>　　實(shí)驗(yàn)原理提示</b></p><p><b>　　衍射法 </b></p><p><b>　　實(shí)驗(yàn)原理</b></p><p>　　激光衍射

7、互補(bǔ)測(cè)定法的原理是基于巴俾特原理，圖示如下。設(shè)一個(gè)任意形狀的開孔，在平面波照射下，在接收屏上的復(fù)振幅用U1表示；用同一平面波照射其互補(bǔ)屏?xí)r，在接收屏上其復(fù)振幅用U2表示。當(dāng)互補(bǔ)屏疊加時(shí)，開孔消失，在接收屏上的光強(qiáng)分布也應(yīng)消失，合成復(fù)振幅應(yīng)為零，即</p><p><b>　　即  </b></p><p>　　上式說(shuō)明，兩個(gè)互補(bǔ)屏所產(chǎn)生的衍射圖形，其形狀和光

8、強(qiáng)完全相同，僅位相相差 。這就是巴俾特原理。對(duì)激光衍射條紋來(lái)說(shuō)，原來(lái)是亮條紋的位置上互補(bǔ)時(shí)將出現(xiàn)暗條紋。利用這個(gè)互補(bǔ)原理，就可以測(cè)定各種細(xì)絲和薄帶的尺寸。</p><p>　　根據(jù)巴俾涅(Babinet)原理“兩個(gè)互補(bǔ)屏所產(chǎn)生的衍射圖形，其形狀和光強(qiáng)完全相同，僅位相差為”?？芍?xì)絲衍射圖形和狹縫衍射圖形是相同的，細(xì)絲衍射計(jì)算和狹縫衍射計(jì)算相同。</p><p>　　狹縫或細(xì)絲衍射的光強(qiáng)I的

9、分布，由物理學(xué)知道：</p><p>　　式中： ；為衍射角；d是狹縫寬度或細(xì)絲直徑；是單色光源波長(zhǎng)(激光光源波長(zhǎng))是時(shí)的光強(qiáng)，即光軸上的光強(qiáng)度。</p><p>　　當(dāng) 處將出現(xiàn)光強(qiáng)為零的條紋，即的暗條紋。測(cè)量出暗條紋的位置以及對(duì)應(yīng)的暗條紋的級(jí)數(shù)，就可以根據(jù)上面公式計(jì)算出細(xì)絲直徑d。</p><p>　　衍射法可以用細(xì)絲衍射法(和狹縫衍射互補(bǔ))，還可以用圓斑衍

10、射法(和小孔衍射互補(bǔ))。這兩種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。</p><p>　　干涉法 利用空氣劈尖的形成干涉條紋，根據(jù)劈尖干涉的原理和計(jì)算公式，測(cè)量出條紋的距離等參數(shù)計(jì)算出細(xì)絲直徑d。</p><p><b>　　設(shè)計(jì)要求</b></p><p>　　⑴ 通過(guò)在實(shí)驗(yàn)室觀察干涉(“劈尖”等厚干涉)、衍射(細(xì)絲衍射)現(xiàn)象

11、，選擇其中一種方法，制定出實(shí)驗(yàn)方案。</p><p>　?、?畫出實(shí)驗(yàn)原理圖，繪制出光路圖，通過(guò)對(duì)光路圖的分析，找出頭發(fā)直徑與光路圖中的那些物理量(即待測(cè)量的物理量)有關(guān)，根據(jù)干涉、或衍射理論及相關(guān)公式推導(dǎo)出計(jì)算公式，寫出該實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)原理。(注：這一步是本實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵所在，得先到實(shí)驗(yàn)室觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，通過(guò)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察，繪制出光路圖，分析論證，找出規(guī)律，才能寫出實(shí)驗(yàn)原理。)</p><p>　

12、　⑶ 根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理寫出實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，設(shè)計(jì)出實(shí)驗(yàn)步驟，要具有可操作性。</p><p>　　⑷ 實(shí)驗(yàn)結(jié)果用標(biāo)準(zhǔn)形式表達(dá)，即用不確定度來(lái)表征測(cè)量結(jié)果的可信賴程度。</p><p>　　實(shí)驗(yàn)儀器的選擇及提示</p><p>　?、?干涉法：讀數(shù)顯微鏡；鈉燈；平板玻璃兩塊；頭發(fā)絲(自帶)；也可以自制輔助器件。</p><p>　　⑵ 衍射法： 氦氖激光器

13、； 自制衍射屏(頭發(fā)絲固定在支架上)； 米尺(三米以上較好)； 光屏(可以自制，也可以利用實(shí)驗(yàn)室條件)； 也可以自制輔助器件。 可以用透鏡，也可以不用，推薦不用透鏡。</p><p>　　提交整體設(shè)計(jì)方案時(shí)間</p><p>　　學(xué)生自選題后2~3周內(nèi)完成實(shí)驗(yàn)整體設(shè)計(jì)方案并提交。提交整體設(shè)計(jì)方案，要求用紙質(zhì)版(電子版用電子郵件發(fā)送到指導(dǎo)教師的電子郵箱里)供教師修改。</p>

14、<p><b>　　思考題</b></p><p>　?、?衍射物屏與光屏之間的距離多遠(yuǎn)比較合適？</p><p>　?、?制作劈尖要注意什么？</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　參閱各實(shí)驗(yàn)書籍中的干涉、衍射原理。</p><p>

15、　　《物理學(xué)》下冊(cè) 第四版 東南大學(xué)等七所工科院校編 馬文蔚等改編 高等教育出版社出版 第十七章 17-4 17-6、7。</p><p>　　《近代光學(xué)測(cè)試技術(shù)》 楊國(guó)光 主編 浙江大學(xué)出版社 第五章 光的衍射技術(shù)。</p><p>　　《微小線徑的測(cè)定》實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案</p><p>　　材控08-2班25號(hào) 歐堅(jiān) </p><p>　

16、　實(shí)驗(yàn)題目：微小線徑的測(cè)定</p><p><b>　　整體設(shè)計(jì)思路：</b></p><p>　　利用干涉法，根據(jù)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的條紋分析，運(yùn)用劈尖干涉原理和計(jì)算公式來(lái)求頭發(fā)絲的直徑。</p><p><b>　　劈尖如圖：</b></p><p><b>　　實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?lt;/b>&

17、lt;/p><p>　　1． 練習(xí)用干涉法測(cè)量微小直徑。 </p><p>　　2． 通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步加深對(duì)等厚干涉原理理解。觀察等厚干涉現(xiàn)象及其特點(diǎn)。</p><p>　　3． 熟悉讀數(shù)顯微鏡的結(jié)構(gòu)原理，學(xué)會(huì)它的調(diào)節(jié)和使用方法。</p><p>　　4. 熟悉逐差法處理數(shù)據(jù)。</p><p>

18、;<b>　　實(shí)驗(yàn)儀器：</b></p><p>　　讀數(shù)顯微鏡、鈉燈、平板玻璃兩片、頭發(fā)絲</p><p>　　讀數(shù)顯微鏡的結(jié)構(gòu)如下：</p><p><b>　　實(shí)驗(yàn)原理：</b></p><p>　　將待測(cè)的頭發(fā)絲放在兩塊平板玻璃之間的一端，則形成劈尖形空氣薄膜，即在兩玻璃板之間形成一空氣劈尖

19、。d為細(xì)絲的直徑，為玻璃片長(zhǎng)度，為兩玻璃片間的夾角。由于實(shí)際很小，在光的照射下在劈尖的上表面處反射的光線和在劈尖下表面處反射的光線都可看作垂直于劈尖表面，它們?cè)谂獗砻嫣幭嘤霾⑾喔莎B加。則在空氣劈尖的上表面形成干涉條紋，條紋是平行于棱的一組等距離直線，且相鄰兩條紋所對(duì)應(yīng)的空氣膜厚度之差為半個(gè)波長(zhǎng)，即當(dāng)用單色光垂直照射時(shí)，在劈尖薄膜上下兩表面反射的兩束光發(fā)生干涉，其光程差為：</p><p>　　（為上下表面的距離

20、）</p><p>　　產(chǎn)生的干涉條紋是一簇與兩玻璃板相交接線平行且間距相等的平行條紋。</p><p>　　兩相鄰明（或暗）紋處劈尖的厚度差，設(shè)第級(jí)明（或暗）紋處劈尖的厚度為 ，第級(jí)明（或暗）紋處的劈尖厚度為，則有：</p><p>　　（k=1、2、3······）</p><p&g

21、t;　　一般劈尖的夾角很小，從圖中可以看出，若相鄰兩明（或暗）紋間的距離為b，則有：</p><p>　　得： </p><p>　　已知光在空氣中的波長(zhǎng)和劈尖空氣為介質(zhì)的折射率，對(duì)d進(jìn)行求解。</p><p><b>　　實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟：</b></p><p>　　先調(diào)節(jié)好讀數(shù)顯微鏡—>測(cè)出劈

22、尖長(zhǎng)度L—>測(cè)劈尖的干涉條紋間距b—>數(shù)據(jù)處理</p><p><b>　　具體步驟：</b></p><p>　　開啟鈉燈燈光源，等待幾分鐘后燈管發(fā)光穩(wěn)定后再開始做實(shí)驗(yàn)。</p><p>　　仔細(xì)調(diào)節(jié)讀數(shù)顯微鏡，使鈉光燈正對(duì)45度角玻璃片。直到眼睛看到顯微鏡視場(chǎng)較亮，并能觀察到玻璃片。將顯微鏡鏡筒緩慢地自上而下降低，通過(guò)正確調(diào)焦，

23、使目鏡視場(chǎng)中玻璃片清晰。再轉(zhuǎn)動(dòng)接目鏡，看清目鏡筒中的十字絲。放松目鏡筒動(dòng)螺絲，轉(zhuǎn)動(dòng)目鏡筒，使十字絲橫絲與外面讀數(shù)標(biāo)尺目測(cè)平行。</p><p>　　將頭發(fā)絲放在平板玻璃上的靠端處（不得放在最邊緣處），將另一塊玻璃輕輕蓋上去（避免用力過(guò)度讓頭發(fā)絲變形）然后放在顯微鏡物鏡上方先把鈉燈移到一邊，備免影響劈尖長(zhǎng)度L的測(cè)量，轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)微鼓輪，使鏡筒沿水平方向移動(dòng)，檢查十字絲的縱絲是否始終和玻璃片的邊緣平對(duì)齊，如不對(duì)齊則移動(dòng)玻璃

24、片的位置（在測(cè)量過(guò)程中，為了避免轉(zhuǎn)動(dòng)部件的螺紋間隙產(chǎn)生的空轉(zhuǎn)誤差，在轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)微鼓輪不可以倒退（即只朝一個(gè)方向轉(zhuǎn)，并在開始時(shí)先將十字叉絲移過(guò)4-6條條紋才開始記錄數(shù)字））。調(diào)節(jié)中，應(yīng)邊移動(dòng)玻璃片的位置，邊觀察縱絲是否對(duì)齊玻璃片，直到調(diào)好為止。記下此時(shí)的數(shù)據(jù)為，轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)微鼓輪直至與頭發(fā)絲對(duì)齊，記下數(shù)據(jù)為。重復(fù)測(cè)量6次，填入劈尖長(zhǎng)度L數(shù)據(jù)記錄表中。</p><p>　　測(cè)完L后，將鈉燈擺好，使得劈尖產(chǎn)生干涉條紋，調(diào)節(jié)目鏡使

25、得看到清晰的干涉條紋，并調(diào)節(jié)目鏡筒的十字絲，使得十字絲的縱絲與暗條紋平行。在轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)微鼓輪過(guò)程中，每個(gè)暗（亮）條紋讀一次數(shù)(在測(cè)量劈尖干涉條紋的間距b時(shí)，縱絲每次應(yīng)與明、暗條紋的交界線重合)，讀10個(gè)，并記下各對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)填入條紋間距b數(shù)據(jù)記錄表中。</p><p>　　實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，收拾好實(shí)驗(yàn)儀器。</p><p><b>　　數(shù)據(jù)處理：</b></p>&

26、lt;p>　　已知： </p><p>　　對(duì)的數(shù)據(jù)處理： 因此L1=32.465L2=32.467L3=32.465L4=32.462L5=32.459L6=32.461 </p><p>　　此時(shí)L平均數(shù)為：= = </p><p>　　A類不確定度： =</p><p&g

27、t;<b>　　=</b></p><p>　　B類不確定度： = </p><p>　　不確定度 ： ==</p><p>　　對(duì)a的數(shù)據(jù)處理： 于是有：b1=0.140b2=0.137b3=0.138b4=0.133b5=0.137 （mm） </p>

28、<p><b>　　==0.137</b></p><p>　　A類不確定度： =</p><p><b>　　=</b></p><p>　　B類不確定度： =</p><p><b>　　不確定度 ：</b></p><

29、p><b>　　=</b></p><p><b>　　由 得： =</b></p><p><b>　　又，</b></p><p>　　此時(shí)d的間接不確定度 ： =</p><p>　　所以相對(duì)不確定度為：</p><p><b&

30、gt;　　因此d=</b></p><p>　　思考題：⑵ 制作劈尖要注意什么？</p><p>　　答：頭發(fā)要與劈尖頂端平行，不能用力壓劈尖以免頭發(fā)變形，劈尖長(zhǎng)度盡量選取大一點(diǎn)。</p><p>　　實(shí)驗(yàn)心得：本實(shí)驗(yàn)讓我又復(fù)習(xí)了逐差法和讀數(shù)顯微鏡的使用，深入了解了劈尖的干涉原理（等候費(fèi)干涉），并親自作了實(shí)驗(yàn)。明白了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)原理的重要性。<

31、;/p><p>　　物理學(xué)是自然科學(xué)先導(dǎo)，物理實(shí)驗(yàn)是最基礎(chǔ)的實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練，但是長(zhǎng)期以來(lái)，物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式單一、教學(xué)內(nèi)容陳舊、教學(xué)方法過(guò)死；實(shí)驗(yàn)內(nèi)容基本上是測(cè)量性、驗(yàn)證性的，缺乏由學(xué)生自己設(shè)計(jì)的、帶研究性的內(nèi)容，學(xué)生只要讀懂教材上寫明的原理、按教材上寫明的步驟去做，就可以成功地測(cè)到數(shù)據(jù)、完成實(shí)驗(yàn)。這種千篇一律的教學(xué)方式不利于創(chuàng)新人才的培養(yǎng)。因此這個(gè)設(shè)計(jì)性試驗(yàn)讓我懂得了，自己動(dòng)腦想問(wèn)題，動(dòng)手做實(shí)驗(yàn)的好處，這樣能讓我們對(duì)事情都