實(shí)驗(yàn)4.2 5.3 用電流場模擬靜電場、光的等厚干涉

光的等厚干涉測量

授課教師:周曉明

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注意按編號對號入座。組長拿一份名單給指導(dǎo)老師。實(shí)驗(yàn)儀器已處于比較好的狀態(tài)。在指導(dǎo)老師講解之前不要亂動儀器。一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康挠^察光的等厚干涉現(xiàn)象.學(xué)習(xí)用牛頓環(huán)測量球面曲率半徑.學(xué)會熟練使用讀數(shù)顯微鏡.

光的干涉基本知識

1.光的干涉

兩列相干光源在疊加區(qū)域內(nèi)，某些點(diǎn)的光振動始終加強(qiáng)，某些點(diǎn)的光振動始終減弱，光強(qiáng)有穩(wěn)定的空間分布。2.相干光的條件（1）頻率相同；（2）位相差恒定；（3）振動方向相同。

二、實(shí)驗(yàn)原理1.相干光源

當(dāng)光源照到一塊由透明介質(zhì)做的薄膜上時(shí)，光在薄膜的上表面被分割成反射和折射兩束光（分振幅），折射光在薄膜的下表面反射后，又經(jīng)上表面折射，最后回到原來的媒質(zhì)中，在這里與反射光交迭，發(fā)生相干。

2.等厚干涉

薄膜厚度相同處的兩束反射光有相同的光程差，也就具有相同的干涉光強(qiáng)度,產(chǎn)生同一級的干涉條紋，厚度不同處產(chǎn)生不同級的干涉條紋。這種干涉稱為等厚干涉。n1nA反射光2反射光1入射光n1e牛頓環(huán)儀

牛頓環(huán)儀：由一個(gè)曲率半徑很大的平凸透鏡的凸面與一個(gè)平面玻璃接觸在一起構(gòu)成，在兩者之間形成一個(gè)厚度隨直徑變化的空氣隙。平凸透鏡的凸面與玻璃片之間的空氣層厚度從中心接觸點(diǎn)到邊緣逐漸增加。干涉條紋

當(dāng)用平行單色光垂直照射到牛頓環(huán)儀上時(shí)，一部分光線在空氣層的上表面反射，一部分光線在空氣層的下表面反射，這兩部分光有光程差，它們在平凸透鏡的凸面附近相遇而發(fā)生干涉。e12空氣薄膜厚度相同處光程差相同，也就具有相同的干涉光強(qiáng)度，所以空氣隙的等厚干涉條紋是一組明暗相間的同心環(huán)。該干涉條紋最早被牛頓發(fā)現(xiàn)，所以稱為牛頓環(huán)（Newton-ring）。它屬于等厚干涉條紋。曲率半徑表達(dá)式

空氣薄膜厚度為e處干涉圓環(huán)對應(yīng)的兩束相干光（1、2）的光程差為：明條紋暗條紋由幾何關(guān)系可得出12曲率半徑表達(dá)式利用暗環(huán)進(jìn)行測量，測出第m級和n級暗環(huán)直徑，算出曲率半徑。上式只涉及兩環(huán)級數(shù)之差，而不決定于級數(shù)本身，從而消除了因級數(shù)不準(zhǔn)而帶來的誤差。用明環(huán)討論也有同樣的結(jié)果。三、實(shí)驗(yàn)儀器調(diào)焦手輪反射鏡讀數(shù)顯微鏡鈉光燈，波長為589.30nm反光鏡目鏡物鏡讀數(shù)顯微鏡的讀數(shù)方法主尺的分度值為1mm，測微鼓輪共有100個(gè)刻度，其分度值為0.01mm，可估讀到0.001mm。

主尺測微鼓輪15mm0.506mm最后讀數(shù)為：15.506mm四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與方法1.調(diào)節(jié)目鏡使十字叉絲清晰2.調(diào)節(jié)45度反射鏡3.由下向上緩慢地調(diào)焦4.定性觀察,防止一側(cè)觀察不到干涉條紋5.定量測量,注意鼓輪單方向轉(zhuǎn)動.測量圖示測量條紋直經(jīng)的方法：測量圖示測量第19～30暗環(huán)的直徑。為避免測微螺桿間隙所引起的空回誤差，測量時(shí)必須使顯微鏡從左到右（或從右到左）作單方向移動。暗環(huán)的直徑Di五、數(shù)據(jù)處理

1.列出原始數(shù)據(jù)和中間計(jì)算數(shù)據(jù)表格。2.用逐差法處理數(shù)據(jù)，并根據(jù)如下公式求出球面的曲率半經(jīng)。3.計(jì)算的不確定度，并給出結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)表達(dá)式。六、注意事項(xiàng)

1.干涉環(huán)兩側(cè)的序數(shù)不要數(shù)錯(cuò)。

2.防止實(shí)驗(yàn)裝置受震引起干涉環(huán)的變化。

4.平凸透鏡及平板玻璃的表面加工不均勻是本實(shí)驗(yàn)的重要誤差來源，為此應(yīng)測量大小不等的多個(gè)干涉環(huán)的直徑去計(jì)算R，可得平均的效果。3.測量過程中，顯微鏡必須始終沿一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)，中途不得返回，以免引起顯微鏡的螺紋之間不嚴(yán)密契合所造成的回程誤差。用電流場模擬靜電場一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私饽M法的基本原理.學(xué)習(xí)用電流場模擬靜電場的概念和方法.二、實(shí)驗(yàn)原理模擬法:借助一種物理場的分布來間接地了解另一種物理場的分布的實(shí)驗(yàn)方法.直接測量靜電場遇到很大困難，主要困難在于把探針伸入靜電場時(shí)，探針上會產(chǎn)生感應(yīng)電荷，使原電場產(chǎn)生顯著的畸變。故實(shí)驗(yàn)時(shí)常用模擬方法來測量。物理實(shí)驗(yàn)的基本方法:比較法、補(bǔ)償法、能量轉(zhuǎn)換法、模擬法等。+-被模擬的靜電場的分布(目的)

兩根圓形長平行導(dǎo)線AB各帶等量異號電荷，電位分別為U1和-U1，由于對稱性，靜電場中存在著水平并與導(dǎo)線垂直的電力線，右圖為其靜電場及等勢線的分布(截面圖).電流場的分布平行輸電線的模擬電極和橫截面上的電場分布。

靜電場

穩(wěn)恒電流場模擬條件：各向同性電介質(zhì)的靜電場方程各向同性導(dǎo)電介質(zhì)的電流場方程1、描述兩個(gè)場的物理量滿足相同形式的微分方程；2、被研究區(qū)域的邊界條件相同；

由此可見E和i在各自區(qū)域中滿足同樣的數(shù)學(xué)規(guī)律。在相同邊界條件下，具有相同的解析解。因此，我們可以用穩(wěn)恒電流場來模擬靜電場。在模擬的條件上，要保證電極形狀一定，電極電位不變，空間介質(zhì)均勻，在任何一個(gè)考查點(diǎn)，均應(yīng)有U靜電=U穩(wěn)恒或E靜電=E穩(wěn)恒。靜電場的描繪方法主要是電場強(qiáng)度與電勢兩物理量來描述.考慮到E是矢量，U是標(biāo)量，從實(shí)驗(yàn)測量來講，測定電勢(用電壓表)比測定場強(qiáng)容易實(shí)現(xiàn)，所以可先測繪等勢線。由等勢線畫出電場線（根據(jù)電場線與等勢線正交原理）。這樣就可由等勢線的間距及電場線的疏密和指向，將抽象的電場形象地反映出來。實(shí)驗(yàn)儀器(電流場測試儀)

本實(shí)驗(yàn)所用儀器的接線原理圖如右所示:

在矩形框內(nèi)有兩個(gè)電極,電極(A)接直流電源的正極,而電極(B)則接電源負(fù)極。通過改變探針的位置,數(shù)字電壓表顯示不同點(diǎn)的電位數(shù)值.實(shí)驗(yàn)儀器儀器使用說明打開電源，將“直接、檢零”開關(guān)撥向“檢零”，將“校正、測量”開關(guān)撥向“校正”，調(diào)節(jié)“設(shè)定調(diào)節(jié)”旋鈕，使電壓指示為0.00V。再將“直接、檢零”開關(guān)撥向“直接”，將“校正、測量”開關(guān)撥向“校正”，調(diào)節(jié)“電壓調(diào)節(jié)”旋鈕，使電壓指示為10.00V。“直接、檢零”開關(guān)撥向“直接”，將“校正、測量”開關(guān)撥向“測量”，可以開始進(jìn)行探電壓測量。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容模擬帶等量異號電荷平行長圓柱體的電場.

將電壓U0調(diào)到10V，將記錄紙鋪在上層塑料薄膜平板上，用探針在導(dǎo)電微晶上找到等勢點(diǎn)后，按一下記錄紙上方的探針，測出一系列等勢點(diǎn)。要求測7個(gè)等勢線，每個(gè)等勢線上打5～7個(gè)點(diǎn)，畫出等勢線。數(shù)據(jù)處理

繪制等勢線和電場線。根據(jù)實(shí)驗(yàn)測繪等勢線結(jié)果分別繪出各電場的各條等勢線，并由電場線與等勢線的關(guān)系畫出電場線。連接紙上A、B兩極點(diǎn)，求出直線與等勢面交點(diǎn)間的電場強(qiáng)度（Ｅ＝Ｕ／d）。在同一等勢線上選擇三個(gè)點(diǎn)，測出等勢線的點(diǎn)與電極

A、B的距離，求出r1/r2的數(shù)值。ABr1r2注意事項(xiàng)作完實(shí)驗(yàn)后請將記錄的原始數(shù)據(jù)和預(yù)習(xí)報(bào)告一起拿給老師簽名。離開實(shí)驗(yàn)室時(shí)請關(guān)儀器電源并整理好自己的儀