光强调制法测光速.docx

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光强调制法测光速

光强调制法测光速

实验者：

学号：

班级：

实验原理

可见光的频率为

的数量级，超出了所有仪器的响应。

在本实验中光源是发光二极管。

用50兆赫兹的高频正弦电压信号将光的强度进行调制，对强度调制光检波后就得到周期大大扩展了的电子学信号。

发光二极管所发红光在仪器调制后，分为两路，一束输入到双踪示波器的X通道；另一束从出射孔射出，见图。

出射光经过直角反射镜改变传播方向，从接收孔又进入到仪器，输入到示波器的Y通道。

这二个频率相同的强度调制波信号在示波器相干，屏幕上得到萨如图形。

一般而言，这种图形是椭圆。

如果两种信号之间的相位差为0或

，萨如图形为直线。

对应于相位差为0和为

的这两条直线应有不同方向，一个在一、三象限，另一个在二、四象限。

这两束调制信号之间的相位差与出射光在空气中传播的距离有关。

如果直角反射镜靠近出射孔时，两束信号之间的相位差相等（可通过调节仪器上的相位旋钮做到），示波器上得到一条直线。

将反射镜移远的过程中，萨如图形变化为椭圆。

椭圆的方位和椭圆度也随距离而改变。

当示波器上再度出现直线时，说明示波器中Y分量相位改变了

。

即这束调制光程变化了半个波长。

考虑到光经过两次平面镜的反射，半个波长等于直角反射镜移动距离

的两倍，或写成

。

已知调制频率

，即可得到光在空气中传播速度:

（1）

光速测量装置原理图

1.示波器 2.光速测定仪 3.相位调节旋钮 4.频率显示

5.透镜 6.直角反射镜 7.地板 8.发射孔A 9.接收孔B

求出这种光强调制信号在空气中的传播速度，这就是光在空气中的速度。

利用这种仪器还可以测量透明介质的折射率以及光在这些介质中的速度。

让光透过光路中一定长度

的某种透明介质，譬如水，先将示波器上图形调节为直线。

然后移去液体，这时，示波器上图形为一椭圆。

移动直角反射镜一段距离

，直至示波器上又得到直线。

这说明强度调制波在空气过

产生的相位变化（空气的折射率为1），相当于波在待测介质过

产生的变化。

介质的折射率

。

根据公式：

（2）

可以求介质的折射率。

光在这种介质的速度为：

        （3）

实验容

1.测量光在空气中速度

（1）开启光速测定仪，将其两个输出端分别连接到双踪示波器X通道接口和Y通道接口。

（2）调节光路共轴：

仪器上光的发射孔A和接收孔B外各有一个凸透镜，调节透镜位置，使发射孔处于其焦点附近。

这样，光通过透镜后就大体上成为平行光了。

在底板上前后移动直角反射镜，使得它反射的光经过另一个透镜会聚到接收孔B。

为此，首先调节两个反射镜片背后的螺钉，使镜片垂直于底板且彼此成直角。

其次，调节透镜的位置，使光线会聚到仪器的接收孔B。

这样，在1.5米长的底板上前后移动直角反射镜，示波器上的萨如图形都会发生变化，如果在底板远端移动反射镜时，图形无变化，说明光线尚未充分聚焦到接收孔，仍需继续调节光轴。

（3）完成了步骤2，反射镜在远端附近移动时萨如图形呈椭圆，其大小与方位与的镜位置有关。

这时可调节仪器上相位旋钮，令萨如成为一直线。

记录这时直角反射镜的坐标

（4）将反射镜向着仪器方向移动，注意观察示波器上的图形，椭圆会越来越大（为什么？

），方向也逐渐改变。

如果图形太大，可调节波器的电压灵敏度旋钮，使图形大小适当。

当反射镜靠近接收孔时，波器的上的萨如图形有成为一条直线，它的斜率应与开始时直线在不同象限。

记录反射镜坐标

 。

当然，也可将反射镜从靠近仪器的位置逐渐移远，方向同上。

（5）计算出反射镜移动的距离，根据调制波的频率

，按

（1）式计算出光在空气中的速度。

2.测量光在水中的速度

将专用的1米左右的圆管装满水，密封两端透明的盖子后，放在光路中。

测量管长

。

光经过管的水照到放置在其后的直角反射镜。

这时示波器上应有椭圆状萨如图形。

调节相位旋钮，使萨如图成为一条直线。

记录反射镜的坐标

 。

然后去掉水管，移动反射镜的位置，直至示波器上的图形又成为一条直线。

记录此时反射镜的坐标

 。

这说明光强调制信号在空气中经过2倍

 的距离与该信号经过水中

距离产生的相位变化相等。

根据

（2）式计算水的折射率，根据（3）式计算光在水中的传播速度。

实验仪器

光强调制法测光速实验装置包括：

光速测定仪、示波器、信号发生器、透镜2个、直角反光镜、1米长的水管

光速测定仪：

测量仪器原理图

由晶体振荡器将频率约为50MHZ的高频正弦电压信号，该信号被分为两路：

一束输入到双踪示波器的X通道；另一束加在发光二极管上，使它所发射的光被调制成频率约为50.0MHZ的光强调制波。

出射光信号经由外光路后，最终反射到光速测定仪接收孔的光电二极管上，由光电二极管接收到的光调制信号进行光电转换，输出与发光二极管同频的信号送入混频器2，与加在该混频器上的晶体振荡器G1所产生的50.50MHz的晶振信号进行混频，最后得到50KHz的差频信号，该信号经过移相器送至示波器的Y轴。

与此同时，由G2产生的50.10MHz的晶振信号送入混频器1，与加在该混频器上的由G1所产生的50.05MHz的晶振信号进行混顿，产生50KHz的差频信号送入示波器的X轴，这一路信号是没有经过移相的，可作为参考信号．这样，加在示波器X轴和Y轴的两路具有相同频率不同幅度的信号，实验中就可以通过比较萨如图形来判断它们所产生的相位差。

图1真实仪器图                                            图2实验场景图

使用方法：

电源开关：

鼠标点击开关按钮，可以打开或关闭电源开关；

         相位调节旋钮：

鼠标左击或右击相位调节旋钮，可以改变通道X与通道Y输出信号的相位差。

示波器：

双击实验桌上示波器小图标弹出示波器的调节窗体，在示波器调节窗口上可以对示波器进行调节、操作。

真实仪器和程序中仪器如图：

图3示波器真实仪器                     图4场景中的示波器

图5实验中示波器调节界面

功能及其用法介绍：

1．主机电源

（9）电源开关（POWER）

将电源开关按键弹出即为“关”位置，将电源接入，按电源开关，以接通电源。

仿真实验中使用方法：

点击进行打开和关闭进行切换。

（8）电源图标

（2）辉度旋钮（INTENSITY）

顺时针方向旋转旋钮，亮度增强。

接通电源之前将该旋钮逆时针方向旋转到底。

仿真实验中使用方法：

单击左键或右键进行调节。

（4）聚焦旋钮（FOCUS）

用亮度控制钮将亮度调节至合适的标准，然后调节聚集控制钮直至轨迹达到最清晰的程度，虽然调节亮度时聚集可自动调节，但聚集有时也会轻微变化。

如果出现这种情况，需重新调节聚集。

仿真实验中使用方法：

单击左键或右键进行调节。

（5）光迹旋转旋钮（TRACEROTATION）

由于磁场的作用，当光迹在水平方向轻微倾斜时，该旋钮用于调节光迹与水平刻度线平行。

（45）显示屏

仪器的测量显示终端。

数据

（1）校准信号输出端子（CAL）

提供1kHz±2%，4VP-P±2%方波作本机Y轴、X轴校准用。

2．垂直方向部分

（13）通道1输入端[CH1INPUT（X）]

该输入端用于垂直方向的输入。

在X-Y方式时输入端的信号成为X轴信号。

（17）通道2输入端[CH2INPUT（Y）]

和通道1一样，但在X-Y方式时输入端的信号仍为Y轴信号。

（11）、（12）、（16）、（18）交流—直流—接地耦合选择开关（AC—DC—GND）

选择输入信号与垂直放大器的耦合方式

交流（AC）：

垂直输入端由电容器来耦合。

接地（GND）：

放大器的输入端接地。

直流（DC）：

垂直放大器的输入端与信号直接耦合。

仿真实验中使用方法：

单击AC-DC按钮进行AC和DC方式切换，接地按钮按下为接地，弹出为非接地。

（10）、（15）衰减器开关（VOLTS/DIV）

用于选择垂直偏转灵敏度的调节。

如果使用的是10：

1的探头，计算时将幅度×10。

仿真实验中使用方法：

右键单击进行顺时针旋转，左键打击进行逆时针旋转。

（14）、（19）垂直微调旋钮（VARIBLE）

垂直微调用于连续改变电压偏转灵敏度，此旋钮在正常情况下应位于顺时针方向旋转到底的位置。

将旋钮逆时针方向旋转到底，垂直方向的灵敏度下降到2.5倍以下。

仿真实验中使用方法：

右键单击进行顺时针旋转，左键打击进行逆时针旋转。

（43）、（40）垂直移位（POSITION）

调节光迹在屏幕中的垂直位置。

仿真实验中使用方法：

右键单击进行顺时针旋转，左键打击进行逆时针旋转。

（42）垂直方式工作开关

选择垂直方向的工作方式

通道1选择（CH1）：

屏幕上仅显示CH1的信号。

通道2选择（CH2）：

屏幕上仅显示CH2的信号。

双踪选择（DUAL）：

同时按下CH1和CH2按钮，屏幕上会出现双踪并自动以断续或交替方式同时显示CH1和CH2上的信号。

叠加（ADD）：

显示CH1和CH2输入电压的代数和。

仿真实验中使用方法：

右键单击进行向上调节，左键单击进行向下调节。

（39）CH2极性开关（INVERT）：

按此开关时CH2显示反相电压值。

仿真实验中使用方法：

左键单击进行按下和弹出间切换。

3．水平方向部分

（20）主扫描时间因数选择开关（ATIME/DIV）

共20档，在0.1us/div～0.5s/div围选择扫描速率。

仿真实验中使用方法：

右键单击进行顺时针旋转，左键打击进行逆时针旋转。

（30）X-Y控制键

如X-Y工作方式时，垂直偏转信号接入CH2输入端，水平偏转信号接入CH1输入端。

仿真实验中使用方法：

左键单击进行按下和弹出间切换。

（21）扫描非校准状态开关键

按入此键，扫描时基进入非校准调节状态，此时调节扫描微调有效。

（24）扫描微调控制键（VARIBLE）

此旋钮以顺时针方向旋转到底时处于校准位置，扫描由Time/Div开关指示。

该旋钮逆时针方向旋转到底，扫描减慢2.5倍以上。

正常工作时，（21）键弹出，该旋钮无效，即为校准状态。

仿真实验中使用方法：

右键单击进行顺时针旋转，左键打击进行逆时针旋转。

（35）水平位移（POSITION）

用于调节轨迹在水平方向移动。

顺时针方向旋转该旋钮向右移动光迹，逆时针方向旋转向左移动光迹。

仿真实验中使用方法：

右键单击进行顺时针旋转，左键打击进行逆时针旋转。

（36）扩展控制键（MAG×5）

按下去时，扫描因数×5扩展，扫描时间是Time/Div开关指示数值的1/5。

（37）延时扫描B时间系数选择开关（BTIME/DIV）

共12档，在0.1us/div～0.5ms/div围选择B扫描速率。

（41）水平工作方式选择（HORIZDISPLAY）

主扫描（A）：

按入此键主扫描单独工作，用于一般波形观察。

A加亮（AINT）：

选择A扫描的某区段扩展为延时扫描。

可用此扫描方式。

与A扫描相对应的B扫描区段（被延时扫描）以高亮度显示。

被延时扫描（B）：

单独显示被延时扫描B。

B触发（BTRIG’D）：

选择连续延时扫描和触发延时扫描。

4．触发系统（TRIGGER）

（29）触发源选择开关（SOURCE）：

选择触发信号源。

通道1触发（CH1，X-Y）：

CH1通道信号是触发信号，当工作方式在X-Y时，波动开关应设置于此挡。

通道2触发（CH2）：

CH2上的输入信号是触发信号。

电源触发（LINE）：

电源频率成为触发信号。

外触发（EXT）：

触发输入上的触发信号是外部信号，用于特殊信号的触发。

仿真实验中使用方法：

右键单击进行向上调节，左键单击进行向下调节。

（27）交替触发（ALTTRIG）

在双踪交替显示时，触发信号交替来自于两个Y通道，此方式可用于同时观察两路不相关信号。

（26）外触发输入插座（EXTINPUT）：

用于外部触发信号的输入。

（33）触发电平旋钮（TRIGLEVEL）：

用于调节被测信号在某选定电平触发同步。

（32）电平锁定（LOCK）

无论信号如何变化，触发电平自动保持在最佳位置，不需人工调节电平。

仿真实验中使用方法：

右键单击进行顺时针旋转，左键打击进行逆时针旋转。

（34）释抑（HOLDOFF）

     当信号波形复杂，用电平旋钮不能稳定触发时，可用此旋钮使波形稳定同步。

（25）触发极性按钮（SLOPE）：

触发极性选择，用于选择信号的上升沿和下降沿触发。

（31）触发方式选择（TRIGMODE）

自动（AUTO）：

在自动扫描方式时扫描电路自动进行扫描。

在没有信号输入或输入信号没有被触发同时，屏幕上仍然可以显示扫描基线。

常态（NORM）：

有触发信号才能扫描，否则屏幕上无扫描显示。

当输入信号的频率低于50Hz时，请用常态触发方式。

复位键（RESET）：

当“自动”与“常态”同时弹出时为单次触发工作状态，当触发信号来到时，准备（READY）指示灯亮，单次扫描结束后熄灭，按复位键（RESET）下后，电路又处于待触发状态。

（28）触发耦合（COUPLING）

根据被测信号的特点，用此开关选择触发信号的耦合方式。

交流（AC）：

这是交流耦合方式，触发信号通过交流耦合电路，排除了输入信号中的直流成分的影响，可得到稳定的触发。

高频抑制（HFREJ）：

触发信号通过交流耦合电路和低通滤波器作用到触发电路，触发信号中的高频成分被抑制，只有低频信号部分能作用到触发电路。

电视（TV）：

TV触发，以便于观察TV视频信号，触发信号经交流耦合通过触发电路，将电视信号送到同步分离电路，拾取同步信号作为触发扫描用，这样视频信号能稳定显示。

TV-H用于观察电视信号中行信号波形，TV-V：

用于观察电视信号中场信号波形。

注意：

仅在触发信号为负同步信号时，TV-V和TV-H同步。

直流（DC）：

触发信号被直接耦合到触发电路，当触发需要触发信号的直流部分或需要显示低频信号以及信号空占比很小时，使用此种方式。

信号发生器：

双击实验桌上信号发生器小图标弹出信号发生器的调节窗体，在信号发生器调节窗口上可以对信号发生器进行调节、操作。

图6真实信号发生器                                          图7实验号发生器

图8信号发生器调节界面

功能介绍：

1． 频率显示窗口：

显示输出信号的频率或外测频信号的频率，用五位数字显示信号的频率，且频率连续可调（输出信号时）。

2． 幅度显示窗口：

显示函数输出信号的幅度，由三位数字显示信号的幅度。

3． 输出波形，对称性调节旋钮（SYM）：

调节此旋钮可改变输出信号的对称性。

当电位器处在关闭或者中心位置时，则输出对称信号。

输出波形对称调节器可改变输出脉冲信号空度比，与此类似，输出波形为三角或正弦时可使三角波调变为锯齿波,正弦波调变为正与负半周分别为不同角频率的正弦波形，且可移相180︒。

仿真实验中使用方法：

右键单击进行顺时针旋转，左键打击进行逆时针旋转。

4． 速率调节旋钮（WIDTH）：

调节此电位器可以改变扫描的时间长短。

在外测频时，逆时针旋到底（绿灯亮），为外输入测量信号经过低通开关进入测量系统。

5． 扫描宽度调节旋钮（RATE）：

调节此电位器可调节扫频输出的扫频围。

在外测频时，逆时针旋到底（绿灯亮），为外输入测量信号经过衰减“20dB”进入测量系统。

6． 外部输入插座（INPUT）：

当“扫描/计数键”（13）功能选择在外扫描外计数状态时，外扫描控制信号或外测频信号由此输入。

7． TTL信号输出端（TTLOUT）：

输出标准的TTL幅度的脉冲信号，输出阻抗为600Ω。

8． 函数信号输出端：

输出多种波形受控的函数信号，输出幅度20Vp–p（1MΩ负载）,10Vp–p（50Ω负载）。

9． 函数信号输出幅度调节旋钮（AMPL）：

调节围20dB。

仿真实验中使用方法：

右键按下进行顺时针连续旋转，信号幅度增大，左键按下进行逆时针连续旋转，信号幅度减小。

10． 函数信号输出信号直流电平预置调节旋钮（OFFSET）：

调节围：

–5V～+5V（50Ω负载），当电位器处在中心位置时，则为0电平，由信号电平设定器选定输出信号所携带的直流电平。

11．函数信号输出幅度衰减开关（ATT）：

“20dB”“40dB”键均不按下，输出信号不经衰减，直接输出到插座口。

“20dB”“40dB”键分别按下，则可选择20dB或40dB衰减。

12．函数输出波形选择按钮：

可选择正弦波、三角波、脉冲波输出。

仿真实验中使用方法：

左键打击进行波形间进行切换

13．“扫描/计数”按钮：

可选择多种扫描方式和外测频方式。

14．频率围细调旋钮：

调节此旋钮可改变1个频程的频率围。

仿真实验中使用方法：

右键按下进行顺时针连续旋转，信号幅度增大，左键按下进行逆时针连续旋转，信号幅度减小。

15．频率围选择按钮：

调节此旋钮可改变输出频率的1个频程，共有7个频程。

仿真实验中使用方法：

左键打击进行波形间进行切换

16．整机电源开关：

此按键揿下时，机电源接通，整机工作。

此键释放为关掉整机电源。

仿真实验中使用方法：

左键打击进行打开和关闭切换。

透镜（两个）：

仪器图片如下图所示：

图9.实验室仪器图片        图10.实验场景中的仪器

使用方法：

在主界面鼠标左键选择并拖动至导轨上的合适位置释放。

在导轨上前后调节透镜1位置，使发射孔A处于其焦点附近，这样，光通过透镜后就大体上成为平行光了；在底板上前后移动直角反射镜，使得它反射的光经过另一个透镜2会聚到接收孔B。

透镜在实验桌上放置的位置                         透镜拖动到导轨上的位置

直角反光镜：

仪器图片如下图所示：

图11.实验室仪器图片            图12.实验场景中的仪器

使用方法：

在主界面鼠标左键选择并拖动至导轨上释放。

使发射孔发出的光入射到直角反射镜的一个镜面，并通过另一镜面反射，进入接受光孔。

双击打开的视图，如下图所示：

使用方法：

使用鼠标分别左击或右击反射镜背后的6个旋钮，通过调节双面镜的角度，使得发光孔出射的光经过双面镜后反射到仪器的接收孔。

1米长的水管：

用来测水的折射率。

水管长度为1米，中间装满水，两端用玻璃片密封（玻璃片的对实验的影响可以忽略）。

图13.实验室仪器图片                                   图14.实验场景中的仪器

使用方法：

使用鼠标拖动场景中的水管，可以将水管放置到光路中的导轨上；同样使用鼠标拖动水管，可以将水管从光路中的导轨上移动到实验桌上。

水管在实验桌上放置的位置                         水管拖动到导轨上的位置

实验数据

测量光的调制频率为：

（单位：

MHz）=57.4

测量光在空气中的传播速度

直角反射镜的坐标

（单位：

m）

ΔX=X2-X1

调制光强的波长：

λ（单位：

m）

测量得光速V（单位：

10E8m/s）

X1

X2

1.303

5.212

2.992

1.425

0.122

测量光在水中的传播速度以及水的折射率

直角反射镜的坐标（单位：

m）

ΔL=X2-X1（单位：

m）

光在水中的传播速度Vs（单位：

10E8m/s）

水的折射率n（单位：

1）

X1

X2

0.124

2.397

1.248

1.569

1.693

实验小结

实验结论：

（1）实验得出光在真空中的传播速度为：

2.992x10E8

（2）实验测得光在水中的传播的速度Vs为：

2.397x10

（3）水的折射率为1.248

误差分析：

（1）读数误差

（2）仪器的调节误差

（3）计算误差