设计性试验微小线径的测定

评分评分： ： 大学物理实验设计性实验大学物理实验设计性实验 实实验验报报告告 实验题目实验题目： 茂名学院 物 大 理 室 实验日期： 2009 月4日 微小线径的测定微小线径的测定 理系 学物 实验 班班级级： 姓姓名名： 材控材控 08-208-2 班班 年12 原原始始数数据据记记 学号学号： 实验台号：5 号 期：2009.12.3 徐祥福徐祥福指导教师指导教师： 2525 录：录： 实验日  inst  0.004mmn 1 5.893105cm 劈尖长度劈尖长度 L L 的测量数据记录表：的测量数据记录表： 次数 测量值 1 0.9950.995 33.46033.460 32.46532.465 2 1.0001.000 33.46733.467 32.46732.467 3 0.9850.985 33.45033.450 32.46532.465 32.46332.463 4 0.9860.986 33.44833.448 32.46232.462 5 1.0001.000 33.45933.459 32.45932.459 6 0.9950.995 33.45633.456 32.46132.461 y 1(mm) y 2 (mm) L  y 2  y 1(mm) L(mm) 条纹间距条纹间距 b b 的测量数据记录表：的测量数据记录表： 已知n 5 测量值 次数 1 2 3 4 5 x(mm) 14.35114.351 12.95712.957 11.65111.651 10.44810.448 9.2569.256 测量 值 次数 6 7 8 9 10 x(mm) 8.0618.061 6.7786.778 5.6305.630 4.4734.473 3.0853.085 b  x i5  x i(mm) n b(mm) 0.140 0.137 0.138 0.133 0.137 0.137 实验实验 1717 《微小线径的测定》实验提要《微小线径的测定》实验提要 课题的提出和依据课题的提出和依据 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？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。建议电子专业的有四组选择该实验，给专业光学实验打基础。 实验原理提示实验原理提示 ⑴⑴衍射法衍射法 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 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“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计算 2 相同。 狭缝或细丝衍射的光强 I I的分布，由物理学知道： I  I 0 ( 式中： sin2 2 ) d sin ；为衍射角；d 是狭缝宽度或细丝直径；是单色光源波长(激光  光源波长)I 0是  0时的光强，即光轴上的光强度。 当  0,,2,3,n 处将出现光强为零的条纹，即I 0  0的暗条纹。 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。 ⑵⑵干涉法干涉法 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 设计要求设计要求 ⑴ 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。 ⑵ 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，分析论证，找出规律，才能写出实验原理。) ⑶ 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。 ⑷ 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实验仪器的选择及提示 ⑴⑴ 干涉法干涉法：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。 ⑵⑵ 衍射法衍射法： 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。 提交整体设计方案时间提交整体设计方案时间 学生自选题后 2~3 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。 思考题思考题 ⑴ 衍射物屏与光屏之间的距离多远比较合适？ ⑵ 制作劈尖要注意什么？ 参考文献参考文献 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 17-417-6、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。 《微小线径的测定》实验设计方案《微小线径的测定》实验设计方案 材控材控 08-208-2 班班 2525 号号 欧坚欧坚 实验题目实验题目：微小线径的测定微小线径的测定 整体设计思路：整体设计思