設(shè)計(jì)性試驗(yàn)微小線(xiàn)徑的測(cè)定

1、評(píng)分： 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)實(shí) 驗(yàn) 報(bào) 告實(shí)驗(yàn)題目：微小線(xiàn)徑的測(cè)定班 級(jí)：材控08-2班姓 名：學(xué)號(hào)：25指導(dǎo)教師：徐祥福茂名學(xué)院 物理系 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)日期：2009 年 12 月 4 日原始數(shù)據(jù)記錄：實(shí)驗(yàn)臺(tái)號(hào)：5號(hào) 實(shí)驗(yàn)日期： 劈尖長(zhǎng)度L的測(cè)量數(shù)據(jù)記錄表：次數(shù)測(cè)量值1234560.9951.0000.9850.9861.0000.99533.46033.46733.45033.44833.45933.45632.46532.46732.46532.46232.45932.46132.463條紋間距b的測(cè)量數(shù)據(jù)記錄表：已知測(cè)量值次數(shù)測(cè)量值次數(shù)114.35168.0610.1400.13

2、7212.95776.7780.137311.65185.6300.138410.44894.4730.13359.256103.0850.137實(shí)驗(yàn)17 微小線(xiàn)徑的測(cè)定實(shí)驗(yàn)提要課題的提出和依據(jù)微小線(xiàn)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?lèi)。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(xiàn)徑用千分尺和常用的讀數(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)

3、證。實(shí)驗(yàn)課題及任務(wù)微小線(xiàn)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、衍射的花樣測(cè)量出自己頭發(fā)的直徑。學(xué)生根據(jù)自己所學(xué)知識(shí)，設(shè)計(jì)出微小線(xiàn)徑的測(cè)定的整體方案，內(nèi)容包括：(寫(xiě)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(xiě)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(xiě)出完整的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，也可按書(shū)寫(xiě)科學(xué)論文的格式書(shū)寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告。本實(shí)驗(yàn)題目要求開(kāi)光學(xué)課程的各專(zhuān)業(yè)必選，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(zhuān)業(yè)的有四組選擇該實(shí)驗(yàn)，給專(zhuān)業(yè)光學(xué)實(shí)驗(yàn)打基礎(chǔ)。實(shí)驗(yàn)原理提示1 衍射法

4、           實(shí)驗(yàn)原理激光衍射互補(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(kāi)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(kāi)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，即即  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。根據(jù)巴俾

5、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。狹縫或細(xì)絲衍射的光強(qiáng)I的分布，由物理學(xué)知道：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。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。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。2 干涉法 利用空氣劈尖的形成干

6、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。設(shè)計(jì)要求 通過(guò)在實(shí)驗(yàn)室觀(guān)察干涉(“劈尖”等厚干涉)、衍射(細(xì)絲衍射)現(xiàn)象，選擇其中一種方法，制定出實(shí)驗(yàn)方案。 畫(huà)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(xiě)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(guān)察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，通過(guò)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀(guān)察，繪制出光路圖，分析論證，找出規(guī)律，才能寫(xiě)出實(shí)驗(yàn)原理。) 根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理寫(xiě)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。 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

7、征測(cè)量結(jié)果的可信賴(lài)程度。實(shí)驗(yàn)儀器的選擇及提示 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。 衍射法： 氦氖激光器； 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。提交整體設(shè)計(jì)方案時(shí)間學(xué)生自選題后23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。思考題 衍射物屏與光屏之間的距離多遠(yuǎn)比較合適？ 制作劈尖要注意什么？參考文獻(xiàn)參閱各實(shí)驗(yàn)書(shū)籍中的干涉、衍射原理。物理學(xué)下冊(cè) 第四版 東南

8、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。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)。微小線(xiàn)徑的測(cè)定實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案材控08-2班25號(hào) 歐堅(jiān) 實(shí)驗(yàn)題目：微小線(xiàn)徑的測(cè)定整體設(shè)計(jì)思路：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。劈尖如圖：實(shí)驗(yàn)?zāi)康模? 練習(xí)用干涉法測(cè)量微小直徑。 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(guān)察等厚干涉現(xiàn)象及其特點(diǎn)。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。4. 熟悉逐差法處理數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)儀器：讀數(shù)顯微鏡、鈉燈、平板玻璃兩

9、片、頭發(fā)絲讀數(shù)顯微鏡的結(jié)構(gòu)如下： Ld實(shí)驗(yàn)原理： 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。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(xiàn)和在劈尖下表面處反射的光線(xiàn)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(xiàn)，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：（為上下表面的距離）產(chǎn)生的干涉條紋是一簇與兩玻璃板相交接線(xiàn)平行且間距相等的平行條

10、紋。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： （k=1、2、3······）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： 得： 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。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟：先調(diào)節(jié)好讀數(shù)顯微鏡>測(cè)出劈尖長(zhǎng)度L>測(cè)劈尖的干涉條紋間距b>數(shù)據(jù)處理具體步驟：a) 開(kāi)啟鈉燈燈光源，等待幾分鐘后燈管發(fā)光穩(wěn)定后再開(kāi)始做實(shí)驗(yàn)。b) 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

11、亮，并能觀(guān)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，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。c) 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(kāi)始時(shí)先將十字叉絲

12、移過(guò)4-6條條紋才開(kāi)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(guān)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。d) 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(xiàn)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。e) 實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，收拾好實(shí)驗(yàn)儀器。主要誤差來(lái)源：平面玻璃表面有粉塵、欠光滑；制造劈尖時(shí)用

13、力過(guò)度造成頭發(fā)絲變形；十字叉絲縱絲跟條紋等沒(méi)有很好的對(duì)齊；沒(méi)有消除空轉(zhuǎn)。 數(shù)據(jù)處理： 已知： 對(duì)的數(shù)據(jù)處理： 因此L1=32.465L2=32.467L3=32.465L4=32.462L5=32.459L6=32.461 此時(shí)L平均數(shù)為：= = A類(lèi)不確定度： =B類(lèi)不確定度： = 不確定度 ： =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） =0.137A類(lèi)不確定度： = =B類(lèi)不確定度： =不確定度 ：= 由 得： =又，此時(shí)d的間接不確定度 ： =所以相對(duì)不確定度為：因此d=思考題： 制作劈尖要注意什么？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)。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。物理學(xué)是自然科學(xué)先導(dǎo)