大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)2

1、實(shí)驗(yàn)5 組裝邁克爾遜干涉儀測(cè)量空氣折射率（304）一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 學(xué)習(xí)一種測(cè)量空氣折射率的方法。2. 進(jìn)一步了解光的干涉現(xiàn)象及其形成條件。3. 學(xué)習(xí)調(diào)整光路的方法。二、實(shí)驗(yàn)儀器1、激光器； 2、二維調(diào)整架（SZ-07）； 3、擴(kuò)束鏡（f=15mm）； 4、升降調(diào)整座（SZ-03）； 5、三維平移底座（SZ-01）； 6、分束鏡（50%）； 7、通用底座（SZ-04）； 8、白屏（SZ-13）； 9、二維調(diào)整架（SZ-07）； 10、空氣室； 11、光源二維調(diào)節(jié)架； 12、二維平移底座（SZ-02）； 13、二維調(diào)整架（SZ-07）； 14、平面反射鏡（SZ-18）； 15、二維平移底座（SZ

2、-02）； 16、二維平移底座（SZ-02） ；17、平面反射鏡 ；18、二維調(diào)整架（SZ-07）； 19、升降調(diào)整座（SZ-03）； 20、精密電子氣壓計(jì)圖3.1-1 自組邁克耳孫干涉儀測(cè)量空氣折射率的實(shí)物示意圖三、實(shí)驗(yàn)原理邁克爾遜干涉儀光路示意圖如圖（3.1-2）所示。其中，BS為平板玻璃，稱為分束鏡，它的一個(gè)表面鍍有半反射金屬膜，使光在金屬膜處的反射光束與透射光束的光強(qiáng)基本相等。M1、M2為互相垂直的平面反射鏡，M1、M2鏡面與分束鏡BS均成450角；M1可以移動(dòng)，M2固定。表示M2對(duì)BS金屬膜的虛像。從光源S發(fā)出的一束光，在分束鏡BS的半反射面上被分成反射光束1和透射光束2。光束1從B

3、S反射出后投向M1鏡，反射回來再穿過BS；光束2投向M2鏡，經(jīng)M2鏡反射回來再通過BS膜面上反射。于是，反射光束1與透射光束2在空間相遇，發(fā)生干涉。O 圖3.1-2 邁克爾遜干涉儀光路示意圖激光SBS12由圖（3.1-2）可知，邁克爾遜干涉儀中，當(dāng)光束垂直入射至M1、M2鏡時(shí)，兩束光的光程差為 （3.1-1）式中，和分別是路程、上介質(zhì)的折射率。設(shè)單色光在真空中的波長(zhǎng)為，當(dāng) （3.1-2）時(shí)干涉相長(zhǎng)，相應(yīng)地在接收屏中心的總光強(qiáng)為極大。由式（3.1-1）知，兩束相干光的光程差不但與幾何路程有關(guān)，還與路程上介質(zhì)的折射率有關(guān)。當(dāng)支路上介質(zhì)折射率改變時(shí)，因光程的相應(yīng)改變而引起的干涉條紋的變化數(shù)為。由（3

4、.1-1）式和（3.1-2）式可知 （3.1-3）例如：取和，若條紋變化，則可以測(cè)得?？梢?，測(cè)出接收屏上某一處干涉條紋的變化數(shù)，就能測(cè)出光路中折射率的微小變化。正常狀態(tài)（）下，空氣對(duì)在真空中波長(zhǎng)為的光的折射率，它與真空折射率之差為。用一般方法不易測(cè)出這個(gè)折射率差，而用干涉法能很方便地測(cè)量，且準(zhǔn)確度高。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟（1）實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)裝置如圖3.1-3所示。用He-Ne激光作光源（He-Ne激光的真空波長(zhǎng)為），并附加小孔光欄H及擴(kuò)束鏡T。擴(kuò)束鏡T可以使激光束擴(kuò)束。小孔光欄H是為調(diào)節(jié)光束使之垂直入射在M1，M2鏡上時(shí)用的。另外，為了測(cè)量空氣折射率，在一支光路中加入一個(gè)玻璃氣室，其長(zhǎng)度為。氣壓表

5、用來測(cè)量氣室內(nèi)氣壓。在O處用毛玻璃作接收屏，在它上面可看到干涉條紋。O圖3.1-3 測(cè)量空氣折射率實(shí)驗(yàn)裝置示意圖激光器G氣壓表HTL氣室打氣球（2）測(cè)量方法調(diào)好光路后，先將氣室抽成真空（氣室內(nèi)壓強(qiáng)接近于零，折射率），然后再向氣室內(nèi)緩慢充氣，此時(shí)，在接收屏上看到條紋移動(dòng)。當(dāng)氣室內(nèi)壓強(qiáng)由0變到大氣壓強(qiáng)時(shí)，折射率由1變到。若屏上某一點(diǎn)（通常觀察屏的中心）條紋變化數(shù)為，則由式（3.1-3）可知 （3.1-4）但實(shí)際測(cè)量時(shí)，氣室內(nèi)壓強(qiáng)難以抽到真空，因此利用（3.1-4）式對(duì)數(shù)據(jù)作近似處理所得結(jié)果的誤差較大。應(yīng)采用下面的方法才比較合理。理論證明，在溫度和濕度一定的條件下，當(dāng)氣壓不太大時(shí)，氣體折射率的變化量

6、與氣壓的變化量成正比：所以 （3.1-5）將（3.1-3）式代入該式，可得 （3.1-6）式（3.1-6）給出了氣壓為時(shí)的空氣折射率?？梢?，只要測(cè)出氣室內(nèi)壓強(qiáng)由變化到時(shí)的條紋變化數(shù)，即可由式（3.1-6）計(jì)算壓強(qiáng)為時(shí)的空氣折射率，氣室內(nèi)壓強(qiáng)不必從0開始。例如，取=760mmHg，改變氣壓的大小，測(cè)定條紋變化數(shù)目，用（3.1-6）式就可以求出一個(gè)大氣壓下的空氣折射率的值。（3）實(shí)驗(yàn)步驟1. 按實(shí)驗(yàn)裝置示意圖把儀器放好。打開激光光源。2. 調(diào)節(jié)光路光路調(diào)節(jié)的要求是：M1，M2兩鏡相互垂直；經(jīng)過擴(kuò)束和準(zhǔn)直后的光束應(yīng)垂直入射到M1，M2的中心部分。（1）粗調(diào)H和T先不放入光路，調(diào)節(jié)激光管支架，目測(cè)使光

7、束基本水平并且入射在M1，M2反射鏡中心部分。若不能同時(shí)入射到M1，M2的中心，可稍微改變光束方向或光源位置。注意操作要小心，動(dòng)作要輕慢，防止損壞儀器。（2）細(xì)調(diào)放入H，使激光束正好通過小孔H。然后，在光源和干涉儀之間沿光束移動(dòng)小孔H。若移動(dòng)后光束不再通過小孔而位于小孔上方或下方，說明光束未達(dá)到水平入射，應(yīng)該緩慢調(diào)整激光管的仰俯傾角，最后使得移動(dòng)小孔時(shí)光束總是正好通過小孔為止。此時(shí)，在小孔屏上可以看到由M1，M2反射回來的兩列小光斑。用小紙片擋住M2鏡，H屏上留下由M1鏡反射回來的一列光斑，稍稍調(diào)節(jié)光束的方位，使該列光斑中最亮的一個(gè)正好進(jìn)入小孔H（其余較暗的光斑與調(diào)節(jié)無關(guān)，可不管它）。此時(shí)，光

8、束已垂直入射到M1鏡上了。調(diào)節(jié)時(shí)應(yīng)注意盡量使光束垂直入射在M1鏡的中心部分。用小紙片擋住M1鏡，看到由M2鏡反射回來的光斑，調(diào)節(jié)M2鏡后面的三個(gè)調(diào)節(jié)螺釘，使最亮的一個(gè)光斑正好進(jìn)入小孔H。此時(shí)，光束已垂直入射到M2鏡的中心部分了。記住此時(shí)光點(diǎn)在M2鏡上的位置。放入擴(kuò)束鏡，并調(diào)節(jié)擴(kuò)束鏡的方位，使經(jīng)過擴(kuò)束后的光斑中心仍處于原來它在M2鏡上的位置。調(diào)節(jié)至此，通常即可在接收屏O上看到非定域干涉圓條紋。若仍未見條紋，則應(yīng)按、步驟重新調(diào)節(jié)。條紋出現(xiàn)后，進(jìn)一步調(diào)節(jié)垂直和水平拉簧螺絲，使條紋變粗、變疏，以便于測(cè)量。3. 測(cè)量測(cè)量時(shí)，利用打氣球向氣室內(nèi)打氣，讀出氣壓表指示值，然后再緩慢放氣，相應(yīng)地看到有條紋“吐出

9、”或“吞進(jìn)”（即前面所說條紋變化）。當(dāng)“吐出”或“吞進(jìn)”=30個(gè)條紋時(shí)，記錄氣壓表讀數(shù)值。然后重復(fù)前面的步驟，共取6組數(shù)據(jù)，求出移過=30個(gè)條紋所對(duì)應(yīng)的氣室內(nèi)壓強(qiáng)的變化值的6次平均值。4. 計(jì)算空氣的折射率氣壓為時(shí)的空氣的折射率為我們要求測(cè)量為1個(gè)大氣壓強(qiáng)時(shí)空氣的折射率。五、注意事項(xiàng)1. 點(diǎn)燃激光管需要幾千伏直流高壓，調(diào)節(jié)時(shí)不要碰到激光管上的電極，以免觸電。強(qiáng)光還會(huì)灼傷眼睛，注意不要讓激光直接射入眼睛。2. 嚴(yán)禁觸摸光學(xué)儀器表面。3. 防止小氣室及氣壓表摔壞；打氣時(shí)不要超過氣壓表量程。4. 實(shí)驗(yàn)中必須保持安靜，盡量避免身體觸碰光學(xué)平臺(tái)以及在實(shí)驗(yàn)臺(tái)附近走動(dòng)。5. 如何利用對(duì)氣室抽空后充氣的方法測(cè)

10、量空氣的折射率？六、數(shù)據(jù)記錄及處理室溫15 ；大氣壓760mmHg；200mm；nm；30。123456(mmHg)280280280280280280( mmHg)( mmHg )平均值 (mmHg)空氣折射率七、思考題1、本實(shí)驗(yàn)?zāi)芊裼冒谉霟糇鞴庠矗?、在什么條件下產(chǎn)生等傾干涉條紋？在什么條件下產(chǎn)生等厚干涉條紋？3、試簡(jiǎn)述如何使干涉條紋的寬度變大？實(shí)驗(yàn)6 用光杠桿測(cè)量金屬的彈性模量（311）一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1學(xué)習(xí)用光杠桿測(cè)量微小長(zhǎng)度變化的原理，掌握放大法. 2理解視差，掌握消除視差的調(diào)整方法.3學(xué)會(huì)用逐差法處理數(shù)據(jù)，掌握對(duì)測(cè)量結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)不確定度進(jìn)行評(píng)定.二、實(shí)驗(yàn)儀器楊氏模量測(cè)定儀、鋼絲、砝碼、

11、游標(biāo)卡尺、卷尺三、實(shí)驗(yàn)原理設(shè)金屬絲的長(zhǎng)度為L(zhǎng)，橫截面積為S，沿長(zhǎng)度方向受到作用力F時(shí)，金屬絲發(fā)生彈性形變，伸長(zhǎng)(或縮短)L.比值FS是單位橫截面上的作用力，稱為正應(yīng)力；比值L/L是相對(duì)伸長(zhǎng)，稱為線應(yīng)變.胡克定律告訴我們：在物體的彈性限度內(nèi)正應(yīng)力與線應(yīng)變成正比 (9-1)比例系數(shù)E稱為彈性模量(曾稱楊氏模量)，單位名稱為帕斯卡，單位符號(hào)為Pa.實(shí)驗(yàn)證明，彈性模量與溫度有關(guān)，與物體本身材料的化學(xué)成分、結(jié)構(gòu)、加工制造方法有關(guān)，而與外力、物體的形狀及大小無關(guān)，是表征固體性質(zhì)的一個(gè)重要物理量.固體中縱波的波速、固體材料的很多力學(xué)性質(zhì)都與彈性模量有關(guān)，據(jù)此可以提供測(cè)彈性模量的不同方法.本實(shí)驗(yàn)就是從(9-1

12、)式出發(fā)來測(cè)量彈性模量。裝置介紹(9-1)式中F、S、L的測(cè)量很容易解決，而L很小，用一般工具不易測(cè)準(zhǔn)，因此可采用光杠桿法。其裝置如圖9-1(a)所示，其細(xì)部見圖9-1(b):待測(cè)金屬絲的上端固定在支架的頂部，下端固定在“口”形框的上端，“口”形框下端的絲口接砝碼托，在托上放置砝碼.可上下移動(dòng)的平臺(tái)固定在支架的中部，平臺(tái)上有一個(gè)矩形孔，“口”形框穿過此孔并可以在孔中上下自由移動(dòng).平面鏡安裝在有三只尖腳的鏡座上，前兩只尖腳放在平臺(tái)上，第三只主桿尖腳卡在“口”形框內(nèi)側(cè)底面中央的接砝碼托絲口的凹處，可以隨著金屬絲的伸長(zhǎng)而上下移動(dòng).將水準(zhǔn)儀放在平臺(tái)上，調(diào)節(jié)支架底部的三個(gè)螺釘使平臺(tái)水平.將平面鏡的鏡面轉(zhuǎn)

13、到與水平面垂直，望遠(yuǎn)鏡正對(duì)平面鏡，調(diào)節(jié)目鏡與叉絲距離調(diào)節(jié)手輪和調(diào)焦手輪，從望遠(yuǎn)鏡中可以看到由平面鏡反射過來的標(biāo)尺的像.平面鏡與鏡座構(gòu)成了光杠桿(見圖9-1（b）).光杠桿測(cè)微小伸長(zhǎng)量的原理見圖9-3.當(dāng)金屬絲伸長(zhǎng)L時(shí)，光杠桿的長(zhǎng)為b的主桿尖腳也隨之下落L,帶動(dòng)平面鏡M轉(zhuǎn)過角而至M'，鏡面的法線也轉(zhuǎn)過角至.根據(jù)反射定律，從標(biāo)尺的n2處發(fā)出的光線將反射到n0，從望遠(yuǎn)鏡中看到的是經(jīng)平面鏡反射過來的標(biāo)尺上n2處的刻線.由圖9-2可以看出圖9-1 用光杠桿測(cè)量彈性模量裝置圖 因?yàn)槭窃谕h(yuǎn)鏡中觀察到的標(biāo)尺上刻線的變化，即，設(shè)，由于角很小，因此 消去得 (9-2)從圖9-2可以看出，o相當(dāng)于杠桿的支

14、點(diǎn)，b+D相當(dāng)于杠桿本身，只是D由光線所代替，所以稱為光杠桿。L原來是難測(cè)的微小長(zhǎng)度，當(dāng)取D遠(yuǎn)大于b時(shí)，經(jīng)光杠桿轉(zhuǎn)換后的量n卻是較大的量，可以從標(biāo)尺上直接讀得.這種放大法是物理實(shí)驗(yàn)的基本測(cè)量方法之一。將(9-2)式代入(9-1)式，由于金屬絲的截面積，d為金屬絲直徑，得 (9-3)望遠(yuǎn)鏡的光路和結(jié)構(gòu)參見圖9-3。焦距較長(zhǎng)的物鏡固定在外筒上，焦距較短的目鏡套在內(nèi)筒的右端，內(nèi)筒的左端固定著十字叉絲，叉絲與物鏡之間的距離可旋轉(zhuǎn)手輪來調(diào)節(jié)，叉絲與目鏡之間的距離可旋轉(zhuǎn)手輪來調(diào)節(jié).用望遠(yuǎn)鏡觀察遠(yuǎn)處的物體時(shí)，視角為，光線經(jīng)過物鏡后，將在物鏡的后焦平面附近生成一個(gè)倒立縮小的實(shí)像A'B'，此像應(yīng)

15、與叉絲共面.此實(shí)像雖較原物體小，但比原物體離眼睛近，放大的視角為.目鏡的作用是將此實(shí)像和叉絲放大，觀察者就可看到原物體和叉絲的虛像.使用望遠(yuǎn)鏡時(shí)，應(yīng)先調(diào)節(jié)目鏡與叉絲距離調(diào)節(jié)手輪，使觀察到的十字叉絲最清晰.再調(diào)節(jié)叉絲與物鏡距離調(diào)節(jié)手輪，使觀察到的物體的像清晰.如果物鏡所成的像A'B'與叉絲共面，當(dāng)上下或左右移動(dòng)眼睛時(shí)，叉絲與物體之間就不會(huì)有相對(duì)移動(dòng)；如果像A'B'不與叉絲共面，當(dāng)上下或左右移動(dòng)眼睛時(shí)，叉絲與物體之間就發(fā)生了相對(duì)移動(dòng)，而測(cè)不準(zhǔn)物體的位置.當(dāng)指示器(如儀器指針或像A'B')與標(biāo)尺(如儀器標(biāo)度盤或叉絲)表面不在同一平面時(shí)，觀測(cè)者偏離正確觀

16、察方向進(jìn)行讀數(shù)或瞄準(zhǔn)時(shí)所引起的誤差稱為視差.望遠(yuǎn)鏡、顯微鏡等光學(xué)儀器使用前，都應(yīng)反復(fù)仔細(xì)地調(diào)節(jié)物鏡與叉絲及目鏡與叉絲之間的距離，使像A'B'與叉絲(或分劃板)共面，消除視差.四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1. 調(diào)節(jié)圖9-1裝置中的底腳螺釘，使平臺(tái)水平(可用水準(zhǔn)儀檢查).砝碼托質(zhì)量，它與“口”形框可把金屬絲拉直.調(diào)節(jié)平面鏡與標(biāo)尺之間的距離為152m，而且鏡面和尺都與水平面垂直.望遠(yuǎn)鏡的鏡筒水平放置，并正對(duì)平面鏡.2. 旋轉(zhuǎn)叉絲與目鏡距離調(diào)節(jié)手輪，使觀察到的叉絲最清晰.從望遠(yuǎn)鏡外側(cè)沿鏡筒軸線方向目測(cè)，看從平面鏡反射來的標(biāo)尺的像，如目測(cè)不到，就應(yīng)左右移動(dòng)望遠(yuǎn)鏡和標(biāo)尺的位置或檢查平面鏡與標(biāo)尺是否都與水平

17、面垂直，仔細(xì)、輕微轉(zhuǎn)動(dòng)平面鏡，直到目測(cè)到為止.調(diào)節(jié)叉絲與物鏡距離調(diào)節(jié)手輪，以便在目鏡中清楚地讀出標(biāo)尺上的標(biāo)度(即調(diào)焦).上下或左右移動(dòng)眼睛的同時(shí)，仔細(xì)調(diào)節(jié)這兩個(gè)手輪，使標(biāo)尺刻線與叉絲之間沒有相對(duì)移動(dòng)，以基本消除視差.記下叉絲橫線所對(duì)準(zhǔn)的標(biāo)尺刻度.3. 輕輕地按順序依次在砝碼托上增加質(zhì)量都為的砝碼，從望遠(yuǎn)鏡中觀察標(biāo)尺的像，并逐次記下相應(yīng)的標(biāo)尺刻度n1、 n2、 n3、 n4、 n5、 n6、 n7.然后輕輕地將砝碼依次取下，記錄相應(yīng)的標(biāo)尺讀數(shù).放砝碼時(shí)，砝碼的缺口應(yīng)交錯(cuò)放置，防止砝碼傾倒.將以上結(jié)果填人表9-1中.4. 用千分尺測(cè)金屬絲的直徑d，將數(shù)據(jù)填入表9-2.5. 用鋼卷尺測(cè)出金屬絲的長(zhǎng)度

18、L和平面鏡到標(biāo)尺的距離D.將光杠桿放在紙上壓出三只尖腳的痕跡，用鋼卷尺量出主桿尖腳跡點(diǎn)至其余兩尖腳跡點(diǎn)連線間的垂線長(zhǎng)度b(參見圖9-1（b）).L、D、b這三個(gè)量只測(cè)一次，由儀器誤差決定測(cè)量的B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度.6. 取同一負(fù)荷下標(biāo)尺讀數(shù)的平均差值，用逐差法算出平均值，這是增重時(shí)的平均差值完成表9-1和表9-2的各項(xiàng)計(jì)算。7. 將以上數(shù)據(jù)代入(9-3)式，計(jì)算金屬絲的彈性模量E的最佳測(cè)得值。五、注意事項(xiàng)1. 調(diào)好裝置記下后，實(shí)驗(yàn)過程中不能再動(dòng)光杠桿、望遠(yuǎn)鏡和標(biāo)尺所構(gòu)成的光路系統(tǒng)，否則應(yīng)重新測(cè)量.2. 加減砝碼時(shí)應(yīng)輕拿輕放，減小光杠桿的振動(dòng)，同時(shí)加砝碼時(shí)應(yīng)將砝碼缺口交錯(cuò)放置，防止砝碼從砝碼托上掉下

19、。六、數(shù)據(jù)處理七、誤差分析 八、附原始數(shù)據(jù)記錄表格（注：作實(shí)驗(yàn)時(shí)記錄在原始數(shù)據(jù)上用）表 9-1 用逐差法處理數(shù)據(jù) 單位：cm次數(shù)所加砝碼質(zhì)量（g）增重時(shí)的讀數(shù)減重時(shí)的讀數(shù)兩次讀數(shù)的平均值加4m0砝碼時(shí)標(biāo)尺讀數(shù)的變化與的偏差0m0=12m023m034m045m056m067m078m0平均值表9-2 千分尺零點(diǎn)d0= mm次數(shù)123456平均（mm）初讀值d'i(mm)測(cè)量值di=d'i-d0(mm)殘差(mm)實(shí)驗(yàn)7拉膜法測(cè)定液體表面張力系數(shù)（309）一引言很多現(xiàn)象表明，液體表面具有收縮到盡可能小的趨勢(shì)。從微觀角度看，液體表面是具有厚度為分子吸引力有效半徑(約)的薄層，稱之為

20、表面層。處于表面層內(nèi)的分子較之液體內(nèi)部的分子缺少了一部分能和它起吸引作用的分子，因而出現(xiàn)了一個(gè)指向液體內(nèi)部的吸引力。使得這類分子有向液體內(nèi)部收縮的趨勢(shì)。從能量觀點(diǎn)看，任何內(nèi)部分子欲進(jìn)入表面層都要克服這個(gè)吸引力而作功?？梢姡砻鎸佑斜纫后w內(nèi)部更大的勢(shì)能，即所謂表面能，表面積越大、表面能也越大。如所周知，任何體系總以勢(shì)能最小的狀態(tài)最為穩(wěn)定。所以，液體要處于穩(wěn)定，液面就必須縮小，以使其表面能盡可能減小，宏觀上就表現(xiàn)為液體表面層的張力，稱為表面張力。液體因表面張力而收縮的事實(shí)，說明表面張力是與液體表面相切的，也就是沿液體表面而作用的，其方向不論在平面或曲面里，都與液面的邊界垂直。如果在液體表面想像地畫

21、一根直線，則表面張力的作用就表現(xiàn)為線段兩邊的液面以一定的拉力相互作用，而且力的方向與線段相垂直，其大小與該線段之長(zhǎng)度成正比。即： (24.1)其中，比例系數(shù)稱為液體的表面張力系數(shù)，它表示單位長(zhǎng)度的線段兩側(cè)液面的相互拉力。其單位為：。當(dāng)液體表面與其蒸汽或空氣相接觸時(shí)，表面張力僅與液體本身的性質(zhì)及其溫度有關(guān)。各種液體，其的數(shù)值可以很不相同：密度小、容易蒸發(fā)的液體，其較??；而熔融金屬的則很大。在一般情況下，同種液體溫度愈高，愈小。另外，的大小還與其相鄰物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)有關(guān)，與液體本身的純度也有很大關(guān)系，某些雜質(zhì)能使增大，而表面活性物質(zhì)則能使表面張力系數(shù)減小。液體與固體相接觸時(shí)的情況，不僅取決于液體自身

22、的內(nèi)聚力，而且取決于液體分子與其接觸的固體分子之間的吸引力（稱為附著力）。當(dāng)內(nèi)聚力大于附著力時(shí)，液面與自由液面相似，有收縮的取向。這時(shí)，接觸角（與固體接觸處液體表面的切線和固體表面指向液體內(nèi)部的切線間的夾角），則稱液體不潤(rùn)濕該固體；反之，當(dāng)附著力大于內(nèi)聚力時(shí)，液體就潤(rùn)濕該固體。本實(shí)驗(yàn)就是利用液體與固體潤(rùn)濕的現(xiàn)象，用拉膜法測(cè)定水的表面張力系數(shù)。二實(shí)驗(yàn)?zāi)康?了解焦利氏秤的結(jié)構(gòu)、原理并學(xué)會(huì)正確使用。 用拉膜法測(cè)定液體的表面張力系數(shù)。 用最小二乘原理擬合直線。三、實(shí)驗(yàn)儀器焦利氏秤；砝碼；玻璃皿；“”形金屬絲；游標(biāo)卡尺；待測(cè)樣品：自來水；酒精燈(共用)。焦利氏秤實(shí)際上是一個(gè)特殊結(jié)構(gòu)的彈簧秤，是用來測(cè)量鉛

23、直方向微小力的儀器之一。其結(jié)構(gòu)如圖24-2所示。帶有標(biāo)尺（主尺）的銅管裝入頂部帶有游標(biāo)（副尺）的套筒內(nèi)，二者一起配合讀數(shù)組成一“游標(biāo)尺”，且可以通過調(diào)節(jié)安裝在套筒下部的調(diào)節(jié)旋鈕使銅管上下移動(dòng)?？逃袦?zhǔn)線“”的玻璃指示管通過套夾固定于套筒中部。套筒下部還由套夾固定著一個(gè)可放置玻璃皿(或其他容器)的小載物平臺(tái)，載物臺(tái)的升降可由其下部的螺旋調(diào)節(jié)。使用時(shí)，將儀器專用彈簧用頂絲緊固在銅管之頂部伸出的支撐臂上，彈簧下端掛一刻有準(zhǔn)線“”的指示鏡，并將其套于指示管內(nèi)。然后，將砝碼盤掛在指示鏡下端。調(diào)節(jié)焦利氏秤底部?jī)蓚€(gè)地腳螺絲，使套筒處于鉛直位置（此時(shí)指示鏡應(yīng)自由懸于指示管中央）。調(diào)節(jié)旋鈕，使準(zhǔn)線與及其在指示鏡中

24、的像三線重合，并將此位置定為彈簧的平衡位置。當(dāng)在砝碼盤施以力時(shí)，由于彈簧伸長(zhǎng)，指示鏡之準(zhǔn)線下移。只要再度調(diào)節(jié)，使重新上升至三線重合，即可通過此時(shí)游標(biāo)尺上的讀數(shù)求出彈簧的伸長(zhǎng)量。若為已知，則彈簧的倔強(qiáng)系數(shù)：(24.6)可見，焦利氏秤是一個(gè)下端“固定”，靠彈簧“向上”伸長(zhǎng)來測(cè)定微小力的彈簧秤。四實(shí)驗(yàn)原理將一表面潔凈、寬度、絲直徑為的“”形細(xì)金屬絲豎直地浸于水中，然后將其徐徐拉出。由于水能潤(rùn)濕該金屬絲，所以，水膜將布滿“”形絲四周，且在其邊框內(nèi)被帶起?？紤]到拉起的水膜系具有幾個(gè)分子層厚度的雙面膜，其與水分界面接觸部分的周長(zhǎng)約為，因此，式(24.1)變?yōu)椋?(24.2)若將“”形絲通過其的正中點(diǎn)懸掛于

25、可測(cè)微小力的彈簧秤之上(如圖24-1（a）所示)，則可由拉膜過程中彈簧的伸長(zhǎng)量求出。根據(jù)虎克定律：在彈性限度內(nèi)，彈簧恢復(fù)力與彈簧的絕對(duì)伸長(zhǎng)量成正比，且方向相反，即： (24.3)其中，表彈簧的倔強(qiáng)系數(shù)，單位為。實(shí)際上，拉膜過程中，“”形絲框除了受到及的作用外，如圖24-1（b）所示，還有如下諸力的作用：（）水膜自身的重力很小可忽略；（）金屬絲仍處于水中的那部分體積所受到的浮力，因金屬絲框很細(xì)，即很小，故也可以忽略不計(jì)；（）金屬絲框受到大氣壓力的合力為零；及（）“”形絲本身的重力。若將“”形金屬絲框掛上之后，且使其邊與水面平齊之時(shí)規(guī)定彈簧的平衡位置，則“”形絲的重力對(duì)彈簧從該平衡位置算起的伸長(zhǎng)量

26、也將沒有貢獻(xiàn)。在上述假定下，彈簧的伸長(zhǎng)就只取決于表面張力在垂直方向的分量。設(shè)接觸角為，則該分量為：。顯然，在彈簧伸長(zhǎng)至且使液膜剛剛破裂的瞬間，該分力應(yīng)與彈簧的彈性恢復(fù)力相平衡，即： (24.4)考慮到水與“”形金屬絲接觸角很小，；而且實(shí)際上；所以，式(24.4)可簡(jiǎn)化為： (24.5)其中，表示拉膜過程中彈簧的伸長(zhǎng)量?？梢姡灰獪y(cè)得及，即可由(24.5)式求出水的表面張力系數(shù)。五實(shí)驗(yàn)步驟 1安裝、調(diào)整并熟悉儀器。然后測(cè)儀器專用彈簧的倔強(qiáng)系數(shù)。 2將以酒精燈灼燒過的潔凈的“”形絲輕輕掛在砝碼盤下端，前后緩緩拉膜4次，測(cè)出在水的表面張力作用下彈簧的伸長(zhǎng)量。 3用游標(biāo)卡尺測(cè)“”形絲寬度。然后，求出室

27、溫時(shí)水的表面張力系數(shù)。六注意事項(xiàng) 1調(diào)節(jié)焦利氏秤時(shí)一定要保證指示鏡在整個(gè)測(cè)量過程中自由懸于指示管中央。 2焦利氏秤專用彈簧不要隨意拉動(dòng)，或掛較重物體，以防損壞。 3測(cè)量“”形絲寬度時(shí)，應(yīng)放在紙上，注意防止其變形。 4灼燒“”形絲時(shí)不宜使其溫度過高，微紅（約）即可，以防變形。灼燒之后不應(yīng)再用手觸摸，因“”形絲很小，故應(yīng)防止遺失。 5拉膜時(shí)動(dòng)作要輕，盡力避免彈簧的上、下振動(dòng)。為使數(shù)據(jù)測(cè)量準(zhǔn)確，拉膜過程中動(dòng)作要協(xié)調(diào)：在調(diào)節(jié)旋鈕使彈簧均勻向上伸長(zhǎng)時(shí)，需同時(shí)反時(shí)針旋轉(zhuǎn)螺旋，使載物臺(tái)均勻下移，以始終保持、及其在指示鏡中的像的三線重合。七數(shù)據(jù)處理八誤差分析 實(shí)驗(yàn)8 邁克爾遜干涉儀測(cè)量He-Ne激光波長(zhǎng)（30

28、6）一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?、了解邁克爾遜干涉儀的結(jié)構(gòu)、原理和調(diào)節(jié)使用方法；2、了解光的干涉現(xiàn)象；觀察、認(rèn)識(shí)、區(qū)別等傾干涉3、掌握用邁克爾遜干涉儀測(cè)HeNe激光的波長(zhǎng)的方法。二、實(shí)驗(yàn)儀器邁克耳遜干涉儀；HeNe激光器三、實(shí)驗(yàn)原理圖3點(diǎn)光源非定域干涉2 M2 如圖2示，從光源S發(fā)出的光束射向分光板G1，被G1底面的半透半反膜分成振幅大致相等的反射光1和透射光2，光束被動(dòng)鏡M2再次反射回并穿過G1到達(dá)E；光束2穿過補(bǔ)償片G2后被定鏡M1反射回，二次穿過G2到達(dá)G1 并被底層膜反射到達(dá)E；最后兩束光是頻率相同、振動(dòng)方向相同，光程差恒定即位相差恒定的相干光，它們?cè)谙嘤隹臻gE產(chǎn)生干涉條紋。 由M反射回來的光波在

29、分光板G的第二面上反射時(shí)，如同平面鏡反射一樣，使M在M附近形成M的虛像M，因而光在邁克爾遜干涉儀中自M和M的反射相當(dāng)于自M和M的反射。由此可見，在邁克爾遜干涉儀中所產(chǎn)生的干涉與空氣薄膜（M和M之間所夾）所產(chǎn)生的干涉是等效的。 當(dāng)M和M平行時(shí)(此時(shí)M和M嚴(yán)格互相垂直)，將觀察到環(huán)形的等傾干涉條紋。一般情況下，M和M形成一空氣劈尖，因此將觀察到近似平行的等厚干涉條紋。1、 單色光的等傾干涉激光器發(fā)出的光波長(zhǎng)為，經(jīng)凸透鏡L后會(huì)聚S點(diǎn)。S點(diǎn)可看做一點(diǎn)光源，經(jīng)G、M、M的反射，也等效于沿軸向分布的2個(gè)虛光源S、S所產(chǎn)生的干涉。因S、S發(fā)出的球面波在相遇空間處處相干，所以觀察屏E放在不同位置上，均可看到干

30、涉條紋，故稱為非定域干涉。當(dāng)E垂直于軸線時(shí)(見圖2)，調(diào)整M和M的方位使相互嚴(yán)格垂直，則可觀察到等傾干涉圓條紋。邁克爾遜干涉儀所產(chǎn)生的環(huán)形等傾干涉圓條紋的位置取決于相干光束間的光程差，而由M和M反射的兩列相干光波的光程差為2dcos （1）其中為反射光在平面鏡M上的入射角。由干涉明紋條件有2dcosk（2）(考慮到較小，)（1） d、一定時(shí)，若 = 0，光程差 = 2d最大，即圓心所對(duì)應(yīng)的干涉級(jí)次最高，從圓心向外的干涉級(jí)次依次降低；（2） k、一定時(shí)，若d增大，隨之增大，可觀察到干涉環(huán)紋從中心向外“涌出”， 干涉環(huán)紋逐漸變細(xì)，環(huán)紋半經(jīng)逐漸變??；當(dāng)d增大至光源相干長(zhǎng)度一半時(shí)，干涉環(huán)紋越來越細(xì)，圖

31、樣越來越小，直至消失。反之，當(dāng) d減小時(shí)，可觀察到干涉環(huán)紋向中心“縮入”。 當(dāng) d逐漸減小至零時(shí)，干涉環(huán)紋逐漸變粗，干涉環(huán)紋直經(jīng)逐漸變大，至光屏上觀察到明暗相同的視場(chǎng)。附圖1d變化時(shí)，等傾干涉條紋的變化特征（3） 對(duì) = 0的明條紋，有：=2d = k可見每“涌出”或“縮入” 一個(gè)圓環(huán)，相當(dāng)于S1S2的光程差改變了一個(gè)波長(zhǎng)=。當(dāng)d 變化了d時(shí)，相應(yīng)地“涌出”（或“縮入”）的環(huán)數(shù)為k，從邁克爾遜干涉儀的讀數(shù)系統(tǒng)上測(cè)出動(dòng)鏡移動(dòng)的距離d，及干涉環(huán)中相應(yīng)的“涌出”或“縮入”環(huán)數(shù)k，就可以求出光的波長(zhǎng)為：2dk（3）或已知激光波長(zhǎng)，由上式可測(cè)微小長(zhǎng)度變化為： dk2.（4）*附圖1：邁克爾遜干涉儀產(chǎn)生的

32、等傾干涉條紋隨和的相應(yīng)位置變化的特征四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟（一）儀器介紹1、邁氏干涉儀：（如右圖示實(shí)物圖）M1、M2為兩垂直放置的平面反射鏡，分別固定在兩個(gè)垂直的臂上。兩相同的玻璃片G1、G2平行放置，與M2固定在同一臂上，且與M1和M2的夾角均為45度。M1由精密螺桿控制，可以沿臂軸前后移動(dòng)。G1的第二面上涂有半透半反射膜，能夠?qū)⑷肷涔夥殖烧穹鶐缀跸嗟鹊姆瓷涔夂屯干涔猓訥 1稱為分光板（又稱為分光鏡）。光經(jīng)M1反射后由原路返回再次穿過分光板G 1后到達(dá)觀察點(diǎn)E處；光到達(dá)M2后被M2反射后按原路返回，在G 1的第二面上被反射到觀察點(diǎn)處。由于光在到達(dá)E 處之前穿過G1三次，而光在到達(dá)E處之前穿過

33、G1一次，為了補(bǔ)償、兩光的光程差，便在M2所在的臂上再放一個(gè)與G1的厚度、折射率嚴(yán)格相同的G2平面玻璃板，滿足了 、兩光在到達(dá)E 處時(shí)無光程差，所以稱G2為補(bǔ)償板。由于、光均來自同一光源S ，在到達(dá)G1后被分成、兩光，所以兩光是相干光，相遇時(shí)就產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。2、HeNe激光器（掃描圖5.13-8）（二）測(cè)HeNe激光的波長(zhǎng)目測(cè)粗調(diào)使凸透鏡中心，激光管中心軸線，分光鏡中心大致垂直定鏡M2，并打開激光光源。（暫時(shí)拿走凸透鏡）調(diào)激光光束垂直定鏡。（標(biāo)準(zhǔn)：定鏡反射回的光束，返回激光發(fā)射孔。）調(diào)M1與M2垂直。（標(biāo)準(zhǔn)：觀測(cè)屏中兩平面鏡反射回的亮點(diǎn)完全重合。）在光路中加進(jìn)凸透鏡并調(diào)整之，使屏上出現(xiàn)干涉環(huán)。

34、調(diào)零。因轉(zhuǎn)動(dòng)微調(diào)鼓輪時(shí)，粗調(diào)鼓輪隨之轉(zhuǎn)動(dòng)；而轉(zhuǎn)動(dòng)粗調(diào)鼓輪時(shí)，微調(diào)鼓輪則不動(dòng)，所以測(cè)讀數(shù)據(jù)前，要調(diào)整零點(diǎn)。方法：將微調(diào)鼓輪順時(shí)針（或逆時(shí)針）轉(zhuǎn)至零點(diǎn)，然后以同樣的方向轉(zhuǎn)動(dòng)粗調(diào)鼓輪，對(duì)齊任一刻度線。再將微調(diào)鼓輪同方向旋轉(zhuǎn)一周再至零點(diǎn)。測(cè)量。測(cè)干涉環(huán)紋從環(huán)心“吐出”或“吞進(jìn)”環(huán)數(shù)k（每50環(huán)）和對(duì)應(yīng)的動(dòng)鏡移動(dòng)的距離di。數(shù)據(jù)記錄，并上交任課教師審批簽字。2、 觀察和測(cè)量鈉光的干涉條紋及鈉雙線的波長(zhǎng)差（選做）以鈉光為光源調(diào)出等傾干涉條紋。在激光點(diǎn)光源等傾干涉的基礎(chǔ)上，以鈉光燈取代激光，鈉光照射到毛玻璃片上（毛玻璃片上畫有一條標(biāo)記線），形成均勻的擴(kuò)展光源，加強(qiáng)干涉條紋的亮度。并使之與分光片G等高并且位于

35、沿分光片和M鏡的中心線上，用眼睛透過G直視M鏡，細(xì)心微調(diào)M鏡后面的 3 個(gè)調(diào)節(jié)螺釘，使鈉光燈毛玻璃片上的直線所成的兩個(gè)像完全重合。如果難以重合，可略微調(diào)節(jié)一下M鏡后的3個(gè)螺釘。當(dāng)兩個(gè)像完全重合時(shí)，可輕輕轉(zhuǎn)動(dòng)粗調(diào)手輪，使M鏡移動(dòng)，將看到有明暗相間的干涉圓環(huán)。若干涉環(huán)模糊，可沿同方向繼續(xù)緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)粗調(diào)手輪，干涉環(huán)就會(huì)出現(xiàn)。再仔細(xì)調(diào)節(jié)M鏡的2個(gè)拉簧螺絲，直到把干涉環(huán)中心調(diào)到視場(chǎng)中央，并且使干涉環(huán)中心隨觀察者的眼睛左右、上下移動(dòng)而移動(dòng)，但干涉環(huán)不發(fā)生“涌出”或“縮入”現(xiàn)象，這時(shí)觀察到的干涉條紋才是嚴(yán)格的等傾干涉。測(cè)鈉光D雙線的平均波長(zhǎng)（選做）：（1）先調(diào)儀器零點(diǎn)，方法如上（略）。（2）移動(dòng)M鏡，使視場(chǎng)中

36、心的視見度最小，記錄M鏡的位置；沿原方向繼續(xù)移動(dòng)M鏡，使視場(chǎng)中心的視見度由最小到最大直至又為最小，再記錄M鏡位置，連續(xù)測(cè)出5個(gè)視見度最小時(shí)M鏡位置。（3）用逐差法求d的平均值，計(jì)算D雙線的波長(zhǎng)差：（4）與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較。3、觀察白光的等厚干涉條紋 將鈉光燈換成日光燈，在等傾干涉基礎(chǔ)上，移動(dòng)M鏡，使干涉環(huán)由細(xì)密變粗疏，直到整個(gè)視場(chǎng)條紋變成等軸雙曲線形狀時(shí)，說明M與M接近重合。當(dāng)M與M達(dá)到“零程”時(shí)，在M與M的交線附近就會(huì)出現(xiàn)彩色條紋。再極小心地旋轉(zhuǎn)微調(diào)手輪找到中央條紋，其兩側(cè)對(duì)稱分布著紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫的彩色條紋。記錄觀察到的條紋形狀和顏色分布。細(xì)心調(diào)節(jié)水平及垂直拉簧螺絲，使M與M有一很

37、小夾角（形成楔形空氣膜層），視場(chǎng)中便出現(xiàn)等厚干涉的直條紋，觀察和記錄條紋的形狀、特點(diǎn)。附圖2：邁克爾遜干涉儀產(chǎn)生的等厚干涉條紋及M1和M2的相應(yīng)位置五、注意事項(xiàng)1、邁克爾遜干涉儀系精密光學(xué)儀器，使用時(shí)應(yīng)注意防塵、防震；不要對(duì)著儀器說話、咳嗽等；測(cè)量時(shí)動(dòng)作要輕、緩，盡量使身體部位離開實(shí)驗(yàn)臺(tái)面，以防震動(dòng)；不能觸摸光學(xué)元件光學(xué)表面。2、激光管兩端的高壓引線頭是裸露的，且激光電源空載輸出電壓高達(dá)數(shù)千伏，要警惕誤觸。3、 測(cè)量過程中要防止回程誤差。測(cè)量時(shí)，微調(diào)鼓輪只能沿一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)（必須和大手輪轉(zhuǎn)動(dòng)方向一致），否則全部測(cè)量數(shù)據(jù)無效，應(yīng)重新測(cè)量。4、 激光束光強(qiáng)極高，切勿用眼睛對(duì)視，防止視網(wǎng)膜遭受永久性損

38、傷。5、實(shí)驗(yàn)完成后，不可調(diào)動(dòng)儀器，要等老師檢查完數(shù)據(jù)并認(rèn)可后才能關(guān)機(jī)。關(guān)機(jī)時(shí)，應(yīng)先將高壓輸出電流調(diào)整為最小，再關(guān)電源。六、數(shù)據(jù)處理七、誤差分析八、附原始數(shù)據(jù)記錄表格（注：作實(shí)驗(yàn)時(shí)記錄在原始數(shù)據(jù)上用）1、數(shù)據(jù)記錄表格（=6. 328×10-7m）干涉環(huán)變化數(shù)K1050100150200位置讀數(shù)d1 (mm)干涉環(huán)變化數(shù)K2位置讀數(shù)d2 (mm)環(huán)數(shù)差K= K2K1di=d2d1(mm) 實(shí)驗(yàn)九 示波器的調(diào)整和使用(301)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 了解示波器的基本工作原理,2. 掌握示波器和信號(hào)發(fā)生器的使用3. 學(xué)習(xí)用李薩如圖形測(cè)量頻率的方法二、實(shí)驗(yàn)儀器示波器、信號(hào)發(fā)生器、導(dǎo)線若干三、實(shí)驗(yàn)原理示波器是一種常用的電子儀器.用它可以直接觀察各種電壓的波形,還可以測(cè)量頻率、相位等,如果利用換能器還可以將各種非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成電壓進(jìn)行測(cè)量.因此示波器是一種用途廣泛的重要測(cè)量?jī)x器.為了適應(yīng)各種用途,示波器有多種型號(hào),但各類示波器的基本原理是相同的.（一）示波器的基本結(jié)構(gòu)示波器主要由示波管、衰減