設計性試驗《微小線徑的測定》

1、<p>　　評分： </p><p>　　大學物理實驗設計性實驗</p><p>　　實 驗 報 告</p><p>　　茂名學院 物理系 大學物理實驗室</p><p>　　實驗日期：2009 年 12 月 4 日</p><p><b>　　原始數(shù)據(jù)記

2、錄：</b></p><p>　　實驗臺號：5號 實驗日期：2009.12.3</p><p>　　劈尖長度L的測量數(shù)據(jù)記錄表：</p><p>　　條紋間距b的測量數(shù)據(jù)記錄表：</p><p><b>　　已知</b></p&g

3、t;<p>　　實驗17 《微小線徑的測定》實驗提要</p><p><b>　　課題的提出和依據(jù)</b></p><p>　　微小線徑的測量在現(xiàn)代科學中有很多的測量方法，但都可以歸結(jié)為，有直接測量和間接測量兩類。在普通物理中，直接測量常用的儀器如：千分尺、讀數(shù)顯微鏡等，間接測量常采用的方法如：干涉法、衍射法等。對于0.01mm以下的線徑用千分尺和常用的

4、讀數(shù)顯微鏡來測量就顯得無能為力了，通常采用間接測量的方法。頭發(fā)對每一個人來說都不陌生，但有誰能說出自己的頭發(fā)的直徑是多少？本課題要求設計一種測量自己頭發(fā)直徑的方法，通過實驗加以驗證。</p><p><b>　　實驗課題及任務</b></p><p>　　《微小線徑的測定》實驗課題的任務是，利用光的的干涉、衍射(波動性)現(xiàn)象及其理論，設計出一種實驗方法，根據(jù)干涉、衍射

5、的花樣測量出自己頭發(fā)的直徑。</p><p>　　學生根據(jù)自己所學知識，設計出《微小線徑的測定》的整體方案，內(nèi)容包括：(寫出實驗原理和理論計算公式；選擇測量儀器；研究測量方法；寫出實驗內(nèi)容和步驟。)然后根據(jù)自己設計的方案，進行實驗操作，記錄數(shù)據(jù)，做好數(shù)據(jù)處理，得出實驗結(jié)果，寫出完整的實驗報告，也可按書寫科學論文的格式書寫實驗報告。</p><p>　　本實驗題目要求開光學課程的各專業(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不同。建議電子專業(yè)的有四組選擇該實驗，給專業(yè)光學實驗打基礎。</p><p><b>　　實驗原理提示</b></p><p><b>　　衍射法 </b></p><p><b>　　實驗原理</b></p><p>　　激光衍射

7、互補測定法的原理是基于巴俾特原理，圖示如下。設一個任意形狀的開孔，在平面波照射下，在接收屏上的復振幅用U1表示；用同一平面波照射其互補屏時，在接收屏上其復振幅用U2表示。當互補屏疊加時，開孔消失，在接收屏上的光強分布也應消失，合成復振幅應為零，即</p><p><b>　　即  </b></p><p>　　上式說明，兩個互補屏所產(chǎn)生的衍射圖形，其形狀和光

8、強完全相同，僅位相相差 。這就是巴俾特原理。對激光衍射條紋來說，原來是亮條紋的位置上互補時將出現(xiàn)暗條紋。利用這個互補原理，就可以測定各種細絲和薄帶的尺寸。</p><p>　　根據(jù)巴俾涅(Babinet)原理“兩個互補屏所產(chǎn)生的衍射圖形，其形狀和光強完全相同，僅位相差為”?？芍毥z衍射圖形和狹縫衍射圖形是相同的，細絲衍射計算和狹縫衍射計算相同。</p><p>　　狹縫或細絲衍射的光強I的

9、分布，由物理學知道：</p><p>　　式中： ；為衍射角；d是狹縫寬度或細絲直徑；是單色光源波長(激光光源波長)是時的光強，即光軸上的光強度。</p><p>　　當 處將出現(xiàn)光強為零的條紋，即的暗條紋。測量出暗條紋的位置以及對應的暗條紋的級數(shù)，就可以根據(jù)上面公式計算出細絲直徑d。</p><p>　　衍射法可以用細絲衍射法(和狹縫衍射互補)，還可以用圓斑衍

10、射法(和小孔衍射互補)。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算公式，測量出條紋的距離等參數(shù)計算出細絲直徑d。</p><p><b>　　設計要求</b></p><p>　?、?通過在實驗室觀察干涉(“劈尖”等厚干涉)、衍射(細絲衍射)現(xiàn)象

11、，選擇其中一種方法，制定出實驗方案。</p><p>　?、?畫出實驗原理圖，繪制出光路圖，通過對光路圖的分析，找出頭發(fā)直徑與光路圖中的那些物理量(即待測量的物理量)有關，根據(jù)干涉、或衍射理論及相關公式推導出計算公式，寫出該實驗的實驗原理。(注：這一步是本實驗的關鍵所在，得先到實驗室觀察實驗現(xiàn)象，通過實驗現(xiàn)象的觀察，繪制出光路圖，分析論證，找出規(guī)律，才能寫出實驗原理。)</p><p>　

12、?、?根據(jù)實驗原理寫出實驗內(nèi)容，設計出實驗步驟，要具有可操作性。</p><p>　?、?實驗結(jié)果用標準形式表達，即用不確定度來表征測量結(jié)果的可信賴程度。</p><p>　　實驗儀器的選擇及提示</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，也可以利用實驗室條件)； 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>　　提交整體設計方案時間</p><p>　　學生自選題后2~3周內(nèi)完成實驗整體設計方案并提交。提交整體設計方案，要求用紙質(zhì)版(電子版用電子郵件發(fā)送到指導教師的電子郵箱里)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比較合適？</p><p>　　⑵ 制作劈尖要注意什么？</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　參閱各實驗書籍中的干涉、衍射原理。</p><p>

15、　　《物理學》下冊 第四版 東南大學等七所工科院校編 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>　　《近代光學測試技術》 楊國光 主編 浙江大學出版社 第五章 光的衍射技術。</p><p>　　《微小線徑的測定》實驗設計方案</p><p>　　材控08-2班25號 歐堅 </p><p>　

16、　實驗題目：微小線徑的測定</p><p><b>　　整體設計思路：</b></p><p>　　利用干涉法，根據(jù)實驗產(chǎn)生的條紋分析，運用劈尖干涉原理和計算公式來求頭發(fā)絲的直徑。</p><p><b>　　劈尖如圖：</b></p><p><b>　　實驗目的：</b>&

17、lt;/p><p>　　1． 練習用干涉法測量微小直徑。 </p><p>　　2． 通過實驗進一步加深對等厚干涉原理理解。觀察等厚干涉現(xiàn)象及其特點。</p><p>　　3． 熟悉讀數(shù)顯微鏡的結(jié)構(gòu)原理，學會它的調(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>　　實驗儀器：</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>　　實驗原理：</b></p><p>　　將待測的頭發(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為細絲的直徑，為玻璃片長度，為兩玻璃片間的夾角。由于實際很小，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，它們在劈尖表面處相遇并相干疊加。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，且相鄰兩條紋所對應的空氣膜厚度之差為半個波長，即當用單色光垂直照射時，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>　?。樯舷卤砻娴木嚯x

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，設第級明（或暗）紋處劈尖的厚度為 ，第級明（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和劈尖空氣為介質(zhì)的折射率，對d進行求解。</p><p><b>　　實驗內(nèi)容及步驟：</b></p><p>　　先調(diào)節(jié)好讀數(shù)顯微鏡—>測出劈

22、尖長度L—>測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)定后再開始做實驗。</p><p>　　仔細調(diào)節(jié)讀數(shù)顯微鏡，使鈉光燈正對45度角玻璃片。直到眼睛看到顯微鏡視場較亮，并能觀察到玻璃片。將顯微鏡鏡筒緩慢地自上而下降低，通過正確調(diào)焦，

23、使目鏡視場中玻璃片清晰。再轉(zhuǎn)動接目鏡，看清目鏡筒中的十字絲。放松目鏡筒動螺絲，轉(zhuǎn)動目鏡筒，使十字絲橫絲與外面讀數(shù)標尺目測平行。</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，備免影響劈尖長度L的測量，轉(zhuǎn)動測微鼓輪，使鏡筒沿水平方向移動，檢查十字絲的縱絲是否始終和玻璃片的邊緣平對齊，如不對齊則移動玻璃

24、片的位置（在測量過程中，為了避免轉(zhuǎn)動部件的螺紋間隙產(chǎn)生的空轉(zhuǎn)誤差，在轉(zhuǎn)動測微鼓輪不可以倒退（即只朝一個方向轉(zhuǎn)，并在開始時先將十字叉絲移過4-6條條紋才開始記錄數(shù)字））。調(diào)節(jié)中，應邊移動玻璃片的位置，邊觀察縱絲是否對齊玻璃片，直到調(diào)好為止。記下此時的數(shù)據(jù)為，轉(zhuǎn)動測微鼓輪直至與頭發(fā)絲對齊，記下數(shù)據(jù)為。重復測量6次，填入劈尖長度L數(shù)據(jù)記錄表中。</p><p>　　測完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)動測微鼓輪過程中，每個暗（亮）條紋讀一次數(shù)(在測量劈尖干涉條紋的間距b時，縱絲每次應與明、暗條紋的交界線重合)，讀10個，并記下各對應的坐標填入條紋間距b數(shù)據(jù)記錄表中。</p><p>　　實驗結(jié)束后，收拾好實驗儀器。</p><p><b>　　數(shù)據(jù)處理：</b></p>&

26、lt;p>　　已知： </p><p>　　對的數(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d的間接不確定度 ： =</p><p>　　所以相對不確定度為：</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，劈尖長度盡量選取大一點。</p><p>　　實驗心得：本實驗讓我又復習了逐差法和讀數(shù)顯微鏡的使用，深入了解了劈尖的干涉原理（等候費干涉），并親自作了實驗。明白了實驗數(shù)據(jù)對檢驗實驗原理的重要性。<

31、;/p><p>　　物理學是自然科學先導，物理實驗是最基礎的實驗訓練，但是長期以來，物理實驗教學模式單一、教學內(nèi)容陳舊、教學方法過死；實驗內(nèi)容基本上是測量性、驗證性的，缺乏由學生自己設計的、帶研究性的內(nèi)容，學生只要讀懂教材上寫明的原理、按教材上寫明的步驟去做，就可以成功地測到數(shù)據(jù)、完成實驗。這種千篇一律的教學方式不利于創(chuàng)新人才的培養(yǎng)。因此這個設計性試驗讓我懂得了，自己動腦想問題，動手做實驗的好處，這樣能讓我們對事情都