大學物理實驗設(shè)計性實驗提要

1、實驗三、用小型棱鏡攝譜儀測量激光的主譜線波長實驗提要實驗課題及任務(wù)：用小型棱鏡攝譜儀測量激光的主譜線波長實驗課題任務(wù)是，用小型棱鏡攝譜儀測量激光的波長。提示：在實驗室現(xiàn)有的條件下，用小型棱鏡攝譜儀來測量激光光譜主譜線的波長，有兩種方法。（1）、讀譜法：參閱以開實驗MP-2光譜的拍攝與測量，的讀譜方法。（2）、攝譜法：參閱以開實驗MP-2光譜的拍攝與測量，的攝譜方法。學生根據(jù)自己所學知識，設(shè)計出用小型棱鏡攝譜儀測量激光的主譜線波長的整體方案，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(shè)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

2、實驗結(jié)果。按書寫科學論文的要求寫出完整的實驗報告。設(shè)計要求與提示：（1）、采用讀譜法測量激光波長，方法和光譜的拍攝與測量實驗的讀譜法基本上是相同的，不同的是如何將已知光源和待測光源的光，同時照射到攝譜儀的狹縫上（這是該實驗的關(guān)鍵），再通過讀譜儀進行測量，測量方法和光譜的拍攝與測量相同。（2）、采用攝譜法測量激光波長，方法和光譜的拍攝與測量實驗的攝譜法基本相同，但問題的是如何將已知光譜和待測光譜的光強調(diào)配好，因為激光的光強比汞燈和鈉燈都強得多，拍攝時的曝光時間要掌握準確，否則排出的底片洗出沖洗后效果不好，甚至失敗。這樣就需要設(shè)計好各次曝光時間、顯影時間、定影時間，顯影、定影藥液的選擇與配置，測量

3、譜線距離時要用讀數(shù)顯微鏡測量等。（3）、該實驗有多種方法，可以根據(jù)上面的提示來設(shè)計，也可以根據(jù)自己的設(shè)想和方法來設(shè)計。（4）、選擇實驗儀器，小型棱鏡攝譜儀、光源（汞燈、鈉燈、激光器）、讀數(shù)顯微鏡、聚光鏡、光譜干板及沖洗設(shè)備。 （5）、設(shè)計出實驗方法和實驗步驟，要具有可操作性。（6）、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。實驗所用公式及物理量符號提示：參閱大學物理實驗補充講義，實驗MP-2光譜的拍攝與測量一文。評分標準（10分）（1）、正確的寫出實驗原理和計算公式，2分；（2）、設(shè)計出儀器可行設(shè)置，2分； （3）、做好實驗前的準備，1分；（4）、寫出實驗內(nèi)容及步驟，2分

4、；（5）、制作實驗器材和實驗室條件的合理應(yīng)用，1分；（6）、寫出完整的實驗報告，2分；（其中實驗數(shù)據(jù)處理，1分、實驗結(jié)果，0.5分，整體結(jié)構(gòu)，0.5分）思考問題：（1） 如何使用哈特曼光闌？（2） 狹縫調(diào)節(jié)在什么范圍內(nèi)較合適？（3） 裝底片應(yīng)該在什么條件下安裝？（4） 如何降低激光的光強？（5） 測量光譜底片時要注意什么？學時分配：實驗驗收， 3學時，在實驗室內(nèi)完成；教師指導（開放實驗室）和開題報告2學時； 參考文獻：教學參考書。實驗五、CD-R光盤軌道密度的測定實驗提要實驗課題及任務(wù)：CD-R光盤軌道密度的測定實驗課題任務(wù)是，測量一張CD-R光盤的軌道密度。方法提示：一、平面反射光柵衍射法用

5、一張廢舊的CD-R光盤利用粘貼遮蓋的方法制作一個平面反射光柵（制作時不用把光盤損壞，用黑紙把不需要的部分遮住即可），根據(jù)光源的已知光譜（如激光器光源），利用平面反射光柵反射光的衍射現(xiàn)象，在光屏上能得到衍射花樣，分析衍射花樣，找出規(guī)律，設(shè)計出實驗方案。二、平面透射光柵衍射法用一張廢舊的CD-R光盤利用撥膜遮蓋的方法制作一個平面透射光柵（制作時不用剪切光盤），根據(jù)光源的已知光譜（如激光器光源），利用平面透射光柵的衍射現(xiàn)象，在光屏上能得到衍射花樣，分析衍射花樣，找出規(guī)律，設(shè)計出實驗方案。學生根據(jù)自己所學知識，設(shè)計出CD-R光盤軌道密度的測定的整體方案，內(nèi)容包括：（寫出實驗原理和理論計算公式；選擇測量

6、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(shè)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。按書寫科學論文的要求寫出完整的實驗報告。設(shè)計要求： （1）、選擇上述所列方法之一（也可以另選它法），自制一個與實驗設(shè)計相應(yīng)的光柵，通過在實驗室觀察光柵的衍射現(xiàn)象，繪制出光路圖，通過對光路圖的分析，找出光柵方程與光路圖中的那些物理量（即待測量的物理量）有關(guān)，根據(jù)光柵方程和待測物理量的關(guān)系推導出計算公式，寫出該實驗的實驗原理。（注：這一步是本實驗的關(guān)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。）（2）、該實驗有多種方法，

7、可以根據(jù)上面的提示來設(shè)計，也可以根據(jù)自己的設(shè)想和方法來設(shè)計。（本次實驗不采用分光儀測光柵法，因為光柵不容易制作）（3）、選擇實驗儀器，CD-R光盤自備；實驗室提供：米尺（10m/0.005m、3m/0.001m、30cm/0.1cm）、光源（汞燈、鈉燈、激光器）、光具座（套）供選擇，也可以自制輔助器件等。 （4）、設(shè)計出實驗方法和實驗步驟，要具有可操作性。（5）、測量時那些物理量可以測量一次，那些物理量必須得多次測量，說明原理。（6）、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。實驗儀器的選擇及提示：（1）、光柵：選在光具座上用衍射光屏方法的實驗，用一張廢舊的CD-R光盤，

8、稍加處理制作一個平面（反射、透射）光柵。（2）、米尺：10m/0.005m、3m/0.001m、30cm/0.1cm任選。（3）、光源：鈉燈、汞燈、激光器，任選。（4）、可以在光具座上用激光器直接衍射到光屏上。（5）、可以自制實驗器材，如條型光屏，自帶膠帶和光屏用紙，也可以借助現(xiàn)有實驗室的條件。實驗所用公式及物理量符號提示：（1）、光柵方程: (k=0、1、2、3、)式中（其中為光柵縫寬，為相鄰縫間不透明部分的寬度）為相鄰狹縫之間的距離，稱為光柵常數(shù)，為光波波長，為衍射光譜線的級次。（2）、用表示譜線到0級譜線的距離，用表示光柵到0級譜線的垂直距離。評分標準（10分）（1）、通過觀察實驗現(xiàn)象，

9、找出實驗規(guī)律，畫出光路圖，1.5分；（2）、正確的寫出實驗原理和計算公式，2分； （3）、正確的選用儀器和測量方法，1分；（4）、寫出實驗內(nèi)容及步驟，2分；（5）、制作實驗器材和實驗室條件的合理應(yīng)用，1分；（6）、寫出完整的實驗報告，2.5分；（其中實驗數(shù)據(jù)處理，1分、實驗結(jié)果，0.5分，整體結(jié)構(gòu)，1分）思考問題：（1）、光柵與光屏之間的距離多遠比較合適？（2）、激光光源照射反射光柵的角度在什么范圍內(nèi)較合適？（3）、改變光源和光柵的距離是否對衍射花樣有影響？（4）、如何確定0級譜線的位置？（5）、光柵與光屏的距離測量，該實驗應(yīng)采用單次測量還是多次測量？單次測量能否滿足測量精度的要求？學時分配：

10、實驗驗收， 3學時，在實驗室內(nèi)完成；教師指導（開放實驗室）和開題報告2學時； 參考文獻：參閱各實驗書籍中的夫瑯和菲衍射原理及光柵衍射原理。創(chuàng)造性物理演示實驗 宣桂鑫 江興方 編著 華東師范大學出版社 實驗五十三 CD光柵 。基礎(chǔ)物理實驗 沈元華 陸申龍 主編 高等教育出版社 實驗3-14利用鋼尺測量激光的波長。實驗六、用鋼板尺測量激光的波長實驗提要課題的提出和依據(jù)光是一種電磁波，光在真空中的波長不同，性質(zhì)也不同如波長小于390nm的光波叫紫外光，它有殺菌作用；波長大于770nm的光波叫紅外光，它能傳遞熱量波長在390nm至770nm之間的光波是人眼可見的，叫可見光，不同波長有不同的顏色：如波長

11、為390446nm的光是紫色的，波長為620770nm的光是紅色的，橙、黃、綠、藍各色依次排列其間，都由其波長決定，而與其強度、方向等因素無關(guān)由此可見，光的波長是決定光波性質(zhì)的最重要的參數(shù)之一那么，怎樣才能測出光的波長呢?可見光在真空中(或空氣中)的波長只有萬分之幾毫米，這么短的長度又怎么用毫米刻度尺去測量呢?本實驗用最小分度為0.5 mm的普通鋼尺“量”出只有0.000 6 mm左右的波長，而且看到了反射角不等于入射角的“奇怪”現(xiàn)象它說明，反射定律只是在一定條件下才成立的，如果反射面上刻有許多很細而且等間距的刻痕，就可使不同波長的光反射到不同的方向去，這就是現(xiàn)代高科技中常用的光學元件“光柵”

12、的雛形光柵是一種比棱鏡更好的分光器件。如果利用光柵的衍射原理就不難用普通的鋼尺測量出激光的波長。實驗課題及任務(wù)：用鋼板尺測量激光的波長實驗課題任務(wù)是，利用光的波動性，用一把鋼板尺，通過用激光照射鋼板尺的帶有刻度的一面而反射到光屏上的衍射花樣，根據(jù)激光的相干性和反射光的干涉原理，經(jīng)過分析，找出規(guī)律，測量出激光的波長。學生根據(jù)自己所學知識，設(shè)計出用鋼板尺測量激光的波長的整體方案，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(shè)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。按書寫科學論文的要求寫出完整的實驗報告。實驗原理提示：眾

13、所周知，用一把普通的鋼尺，可以方便地測量出一本練習簿的長度和寬度，而要測量它的厚度就有些困難了，因為鋼尺上兩相鄰刻線的間距是0.5 mm或l mm，而一般練習簿的厚度也不過l mm左右，所以很難測準現(xiàn)在要用這把鋼尺去測量只有萬分之幾毫米的光的波長，這看來似乎是不可能的。如果實驗利用光的波動性質(zhì)，用一把普通的鋼尺就能夠巧妙地把這么短的波長測出來它的測量原理如圖352所示：讓一束激光照到鋼尺的端部，其中一部分激光從鋼圖352激光在鋼尺上的衍射尺上方直接照到觀察屏上的S。點，其余激光從鋼尺表面反射到屏上在屏上除了與S。對稱的S。點有反射亮斑外，還可看到一系列亮斑S。、S1、S2、S3Sn.。這是因為

14、，尺上是有刻痕的(刻痕的間距是d=0.5 mm)，光在兩刻痕間的許多光滑面上反射，這些反射光如果相位相同(即波峰與波峰相遇，波谷與波谷相遇)，則它們會相互疊加而加強，形成亮斑，否則會相互抵消而減弱由圖353可知，從光源某一點A發(fā)出而在相鄰光滑面B、B反射的光，到達屏上C點時所經(jīng)過的路程差(稱為光程差)為：=ABCAB/C=BD/一DB/=d(cos一cos ) (1) 若恰好等于零或等于波長的整數(shù)倍，則這些反射光的相位就相同，屏上C點就會出現(xiàn)亮斑顯然，在處，=0，這就是在S。處的亮斑在S1、S2、S3、S4、處，必有：=，=2，=3，=4因此，由(1)式可知：d(cos一cos1 ) = (2

15、)d(cos一cos2 ) =2 (3)d(cos一cos3 )=3 (4)d(cos一cos4 ) =4 (5)其中d=0.5 mm是已知的，因此，只要測出和、就可從以上各式算出波長的值實驗中，使尺與屏垂直，則： tan=h/L (6)其中，L是尺端到屏的距離，h是各亮斑到O點的距離，而O點位于S。點和一S。點的中心量出各亮斑間的距離即可求得各值，而對應(yīng)于亮斑S。的就是。設(shè)計要求：（1）、寫出該實驗的實驗原理，推導出波長的計算公式。確定待測的物理量。（2）、選擇實驗測量儀器要符合精度要求，測量值相對誤差在1%之內(nèi)，并說明選擇儀器的理由，確定相應(yīng)物理量的測量儀器。（3）、寫出實驗內(nèi)容及步驟。設(shè)計的實驗步驟要具有可操作性（寫出測量時實驗裝置的擺放及其位置角度、應(yīng)該注意的事項及實際測量的方法等）。 （4）、設(shè)計出實驗測量原始數(shù)據(jù)的表格。（5）、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。測量儀器的選擇及提示：小型半導體激光器一支，普通鋼尺一把，卷尺一把，