用钢板尺测量激光的波长.docx
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用钢板尺测量激光的波长
评分:
大学物理实验设计性实验
实验题目:
用钢板尺测量激光的波长
班级:
姓名:
学号:
指导教师:
实验日期:
2008年12月11日
原始数据记录:
实验台号:
实验日期:
_2008-12-11
钢板尺测量激光的波长的数据:
光屏与尺端的距离L=4438.1mm
高度h
ho/mm
hi/mm
h?
/mm
hs/mm
h4/mm
h5/mm
he/mm
.2
275.0
355.0
421.1
477.0
527.9
573.1
《用钢板尺测量激光的波长》实验提要
课题的提出和依据
光是一种电磁波,光在真空中的波长不同,性质也不同.如波长小于390nm的光波叫
紫外光,它有杀菌作用;波长大于770nm的光波叫红外光,它能传递热量.波长在390nm
至770nm之间的光波是人眼可见的,叫可见光,不同波长有不同的颜色:
如波长为390〜
446nm的光是紫色的,波长为620〜770nm的光是红色的,橙、黄、绿、蓝各色依次排列
其间,都由其波长决定,而与其强度、向等因素无关•由此可见,光的波长是决定光波性质的最重要的参数之一.那么,怎样才能测出光的波长呢?
可见光在真空中(或空气中)的波长只有万分之几毫米,这么短的长度又怎么用毫米刻度尺去测量呢?
本实验用最小分度为0.5mm的普通钢尺“量”出只有0.0006mm左右的波长,而且看到了反射角不等于入射角的“奇怪”现象•它说明,反射定律只是在一定条件下才成立的,如果反射面上刻有多很细而且等间距的刻痕,就可使不同波长的光反射到不同的向去,这就是
现代高科技中常用的光学元件一一“光栅”的雏形•光栅是一种比棱镜更好的分光器件。
如果利用光栅的衍射原理就不难用普通的钢尺测量出激光的波长。
实验课题及任务
《用钢板尺测量激光的波长》实验课题任务是,利用光的波动性,用一把钢板尺,通过
用激光照射钢板尺的带有刻度的一面而反射到光屏上的衍射花样,根据激光的相干性和反射
光的干涉原理,经过分析,找出规律,测量出激光的波长。
学生根据自己所学知识,设计出《用钢板尺测量激光的波长》的整体案,容包括:
(写
出实验原理和理论计算公式;选择测量仪器;研究测量法;写出实验容和步骤。
)然后根据
自己设计的案,进行实验操作,记录数据,做好数据处理,得出实验结果,写出完整的实验报告,也可按书写科学论文的格式书写实验报告。
实验原理提示
众所知,用一把普通的钢尺,可以便地测量出一本练习簿的长度和宽度,而要测量它的厚度就有些困难了,因为钢尺上两相邻刻线的间距是0.5mm或Imm,而一般练习簿的厚度也不过Imm左右,所以很难测准•现在要用这把钢尺去测量只有万分之几毫米的光的波长,这看来似乎是不可能的。
如果实验利用光的波动性质,用一把普通的钢尺就能够巧妙地把这么短的波长测出来•它的测量原理如图16-1所
示:
让一束激光照到钢尺的端部,其中一部分激光从钢尺上直接照到观察屏上
的-So点,其余激光从钢尺表面反射到
屏上•在屏上除了与一So对称的So点
有反射亮斑外,还可看到一系列亮斑S0、Si、S2、S3••…Sn.o这是因为,尺上是有刻痕的(刻
痕的间距是d=0.5mm),光在两刻痕间的多光滑面上反射,这些反射光如果相位相同(即波
峰与波峰相遇,波谷与波谷相遇),则它们会相互叠加而加强,形成亮斑,否则会相互抵消
而减弱•由图16-2可知,从光源某一点A发出而在相邻光滑面B、B'反射的光,到达屏上
C点时所经过的路程差(称为光程差)为:
///
△=ABC—ABC=BD一DB=d(cos—cos)
(1)
若△恰好等于零或等于波长的整数倍,则这些反射光的相位就相同,屏上C点就会
出现亮斑.显然,在处,△=0,这就是在So处的亮斑.在S1、S2、S3、S4、……处,
必有:
△=,△=2,△=3,△=4
因此,由
(1)式可知:
d(cos
一cos
1)=
⑵
d(cos
一cos
2)=2
⑶
d(cos
一cos
3)=3
⑷
d(cos
一cos
4)=4
出波长的值•实验中,使尺与屏垂直,则:
tanhL
其中,L是尺端到屏的距离,h是各亮斑到0点的距离,而0点位于S。
点和一S。
点的中心.量出各亮斑间的距离即可求得各值,而对应于亮斑S。
的就是。
设计要求
⑴写出该实验的实验原理,推导出波长的计算公式。
确定待测的物理量。
⑵选择实验测量仪器要符合精度要求,测量值相对误差在1%之,并说明选择仪器的理
由,确定相应物理量的测量仪器。
⑶写出实验容及步骤。
设计的实验步骤要具有可操作性(写出测量时实验装置的摆放及其位置角度、应该注意的事项及实际测量的法等)。
⑷设计出实验测量原始数据的表格。
⑸实验结果用标准形式表达,即用不确定度来表征测量结果的可信赖程度。
测量仪器的选择及提示
小型半导体激光器一支,普通钢尺一把,卷尺一把,胶带纸若干,纸若干,垫高物等。
用钢板尺测量激光的波长
一、实验目的:
(1)利用光的波动性,用钢板尺,根据激光的相干性和反射光的干涉原理,经过分析,找出规律,测量出激光的波长。
(2)了解实验原理,掌握测量的法。
二、实验仪器:
小型半导体激光器一支,普通钢尺一把,卷尺一把,胶带纸若干,纸若干,垫高物等。
三、实验原理:
(1)激光作为一种光源,由于其单色性好、向性强、色散少等特点在现代科学技术与工程实践中得到了广泛的应用。
在实际测量中,一般都要预先知道所用激光
源的波长。
不同材料和发光机制的激光源具有不同的波长。
因此如测定激光的波
长就具有十分重要的意义。
本实验用最小分度值为1mm的钢尺,测出了半导体激
光器的波长。
而且看到了反射角不等于入射角的"奇怪"现象。
它说明,反射
定律只有在一定的条件下才成立。
若反射面上刻有多很细且等间距的刻痕,就可
使不同波长的光反射到不同的向上去,这就是现代高科技中常用的光学元件一“光
栅”的雏形在传统的测量激光波长的实验中,就用到了这个分光器件。
(2)钢尺测量激光波长的原理
巧妙地利用了光的波动性质进行激光波长的测量,其原理如图1所示
让一束激光掠射(入射角不小于88°到钢尺的一端,一部分光直射到光屏上,形成亮
斑S'O,—部分反射到光屏形成亮斑SO。
可观察到除了SQS0两个对称点外,在SO
上面分布着一系列的亮斑S1,S2,S3,S4,S5…,这是因为钢尺上有刻痕的地对入射
光不反射,而两个刻痕之间的部分(刻痕的间距是d=0.5mm,刻痕的宽度是0.
01mm)使光束产生反射。
由于刻痕的间距与激光的波长是可以比较的,光束反射
的同时又发生衍射。
当两束衍射光的相位相同时,则会互相叠加而加强,在光屏上
形成亮斑若相位相反时则形成暗斑。
如图2所示,从光源的某一点A发出而在相邻光滑面B,B'反射的光到达屏上P点
时所经过的路程
差4称为光程差)为:
亮斑。
而在4=0,即口=B处形成的就是so处所对应的亮斑。
在S1,S2,S3,S4,S5•…
处对应的△各为入2入3入……。
因此由⑴式可知
d(cosaCOS目)=入
(2)d(cosa-cosf2)=2入(3)
d(cosa-cosfB)=3入(4)
其中d=0.5mm是已知的。
所以,只要测出以上式中的a,f1,化,f3,……就可以计算出波长入的值。
实验中,使钢尺与光屏垂直贝U
tanf=hL(5)
由式
(1)
(2)(3)(4)(5)得:
nd[L/\/L2h。
2L/\L2hn2]⑹
n3
其中丄是尺端到光屏的距离(2m左右),h是各亮斑到0的距离而0位于S'O点和SO点的中心。
量出各亮斑到O点的距离,即可求得各B值。
而对于亮斑SO的B就是a。
因此只要测量出中央亮斑到O点的距离h以及激光的照射中心到墙面的距离L,即可测量处激光的波长。
四、实验容与步骤:
(1)测量时,把钢尺放在表面水平且抗震性较好的实验台上,末端漏出台面1~2cm。
在尺端前放置一与钢尺平面垂直的光屏,为了描绘干涉亮斑可在光屏上粘贴一硬白纸。
(2)打开半导体激光器光源开关,让出射激光束掠射钢尺有刻痕的地。
调节激光
器的入射角,直到光屏上出现一系列的亮斑为止。
固定好激光器,用铅笔记录亮斑所在位置(包括S'O和SO点)。
标上坐标值,并测量光屏与尺未端的距离L。
(3)记录下各亮级到0点的距离h1,h2,h……,代入公式求得波长,并计算不确定度。
五、实验数据:
由记录数据的纸条可测出:
hO159.2mm,h1275.0mm,h2355.0mm,h3421.1mm,,h4477.0mm
hs527.9mm,h6573.1mm,L4438.1mm。
六、数据处理:
(1)计算激光的波长:
把数据代入公式(6),可算出:
6(123456)
6.354104mm
635.4nm
(2)计算不确定度:
取h=ho,
则由间接测量不确定度传递公式可算得激光波长的不确定度:
f\22f22
U—{(h)uh(L)uL
八6.5083101433.49821014
=6.325107mm0.6nm
U—06
相对不确定度为Ur=二-0:
100%=0.1%
635.4
七、实验表达式:
激光的波长启(635.40.6)nmUr=0.1%
八、实验心得体会:
大学设计性实验,是提出任务、要求和阐述应用背景,而如解决问题,包括解决问题的原理、法和所用仪器等由同学自行提出并实践。
这样的课程可以
锻炼我们自主动手的能力,在自己设计和研究的实验中有所发现,有所收获。
这次我们的实验是《用钢板尺测量激光波长》,这个实验所用的仪器比较简单,操作也不复杂。
但是之前并没有接触过类似的实验,对此毫无经验让我感到头疼。
不过这是设计性实验,就是要我们去解决这些问题的。
因此,为完成实验,我在网上查找关于它的资料,先了解它的原理,再是实验的操作步骤。
这些看似简单,但其中也有曲折。
尽管当今的互联网已经非常强大了,可毕竟不是万能的,一些资料在网上很难查到。
于是我们要走访其他班做同个实验的同学,向他们咨询,综合大家的意见,把问题一个一个地解决掉。
这也是一种锻炼,能够锻炼我们的创新能力,获取信息的能力,这是普通的物理实验所不能给予的。
这次的设计性实验为期三个星期,虽然其中有奔波,但确实有所收获。
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