21屆復(fù)賽(測量金屬絲直徑)

第二十一屆全國中學(xué)生奧林匹克物理競賽復(fù)賽 光學(xué)實驗試題 題目 測量金屬絲的直徑 儀器與用具 未知波長的激光器 凸透鏡 待測金屬絲 物屏 像屏 CD光盤 米尺 三角板 支架若干 金屬夾等 實驗內(nèi)容 1 測量激光器的波長 2 測量待測金屬絲的直徑 要求 1 自己設(shè)計實驗方法 根據(jù)需要從以上儀器與用具中選擇合適的器材 采取適當(dāng)方法和措施 盡量準(zhǔn)確地測量 2 畫出測量光路圖 準(zhǔn)確地反映出各器件間的位置 角度等關(guān)系 在圖中注明各量 3 簡述為提高測量準(zhǔn)確性所采取的方法和措施 4 完整記錄測量數(shù)據(jù) 寫出計算公式 計算結(jié)果 說明 1 待測金屬絲已裝在物屏的中心孔處 2 CD光盤表面是一些在光滑平面上連續(xù)不斷的 坑點(diǎn) 同心圓軌跡 其密度為每毫米625條 注 以卷面為評分依據(jù) 參考答案 一 半導(dǎo)體激光器波長的的測量1 測量光路圖 用反射光柵衍射的方法測量激光的波長 2 計算公式 為入射角 為衍射角 當(dāng)入射光垂直光盤表面時 0 測量1級譜線衍射角 所以 由光柵衍射方程 其中 的標(biāo)準(zhǔn)值 23 96度 3 實驗步驟 1 將激光器 觀察屏和光盤等按圖中位置擺放 開始觀察屏和光盤距離盡可能地近 2 將激光器出射口對準(zhǔn)觀察屏的中心孔 打開激光器電源 3 將光盤慢慢地遠(yuǎn)離觀察屏 保持光盤與觀察屏平行 觀察衍射光斑 使兩衍射光點(diǎn)與中心的反射光點(diǎn)距離相等 且在同一水平線上 4 用米尺測量兩衍射光斑之間的距離h和觀察屏到光盤之間的距離l 5 計算激光器波長 4 測量中采取的措施和注意事項 1 入射光應(yīng)采取垂直照射 可以用光線是否沿原路返回來判斷是否垂直照射 2 為避免入射光不垂直照射而造成正 負(fù)級譜線關(guān)于零級譜不對稱 只測量一側(cè)譜線造成衍射角測量誤差 應(yīng)測量正 負(fù)1級譜線間總夾角 除以2后得到垂直入射時的衍射角 3 應(yīng)盡量使屏與光盤平行 并與入射光垂直 可用測量不同位置光盤與屏間的距離是否相等來判斷 4 為準(zhǔn)確測量衍射光斑位置 可在光源后加凸透鏡 將光斑匯聚成較小的光點(diǎn) 5 多次測量 5 實驗數(shù)據(jù) 二 測量金屬絲直徑 1 測量光路圖 采用衍射原理測量細(xì)絲直徑 2 實驗步驟 1 將光盤換成觀察屏 調(diào)整激光器使光束中心通過待測金屬絲 后移觀察屏 使在屏上得到清晰的衍射條紋 2 用米尺測量中心亮斑兩測正負(fù)3級的衍射光點(diǎn)之間的距離 3 計算金屬絲直徑 3 測量中采取的措施和注意事項 1 像屏要與激光束垂直 2 為使衍射光斑清晰 可在光源與細(xì)絲間加匯聚透鏡 不可加在細(xì)絲之后 因透鏡焦距未知 3 測量的衍射條紋級數(shù)k在衍射條紋能看清楚的情況下 盡量大一些 4 多次測量 4 計算公式 已知夫瑯禾費(fèi)單縫衍射明紋暗紋條件 根據(jù)巴比涅 A Babinet 原理 單絲的衍射圖樣與其互補(bǔ)的單縫的衍射圖樣 在一定條件下是相同的 當(dāng)屏E與細(xì)絲間的距離l和細(xì)絲的線度 直徑 a相比滿足a l 且僅觀測中心附近的衍