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近代物理实验4-3&4-4光速实验


近代物理实验

4-3&4-4光速试验

Ⅰ声光调制和光速测量

(一)声光调制器 ? 介质中传播的超声波造成介质的局部压缩和伸长, 这种弹性应变使介质的折射率按声波的时间和空间周期 性地发生改变,当光通过时就会发生衍射、散射现象。 这种光被声作用的现象称为声光效应。

? 光波通过介质所得到的调制光,其光强变化频率为 声频率的2倍。

(二)光速测量原理 ? 将频率为10MHz的晶体振荡器信号加到声光调制器上, 通过调制器的He‐Ne激光束呗调制成频率为20MHz的光强 调制波。该调制光被置于导轨上的角锥按原路反射回来, 进入光电倍增管进行外差式检测。将频率为19.704MHz的本 振信号直接加在光电倍增管上,与入射的20MHz光强调制波 在光阴极上产生的电信号进行混频,于是得到频率为 296kHz的光差频信号Δf。该信号在光电倍增管内经各倍增 极多次倍增放大后送至示波器的Y轴。 为了测量光信号在传播时间内产生的相移φ,我们把未 经移相的频率为10MHz的晶振信号直接与19.704MHz信号混 频,经过选频放大器,取出与Δf同频的296kHz参考信号, 调节电感移相器移相φ,使之与Δf同相,然后送至示波器的 X轴进行鉴别,当示波器现实的李萨茹图形为同相直线时, 即可由移相器读出此时的φ值。移动导轨上的角锥,匀间隔 地测出沿导轨各点坐标X所对应的φ值,以确定X与φ的线性 关系,最后求出光速。

(二)光速测量原理

φ=mx+x0,其中m=2ω/c,ω=2πf,f为调制频率首先确定m, 然后可求出光速。

(一)声光调制部分 按实验装置图(见下图)接通系统,在观察到衍射 光斑后,选择光阑位置。测量频率,以验证在小信号下 衍射光强被等幅声波以2倍的频率调制。

(二)光速测量部分 本实验有两种测定光速的方法: 1、斜率法: ? 调节移相器,测出不同x值时的? 值,作? ‐x关系曲线,关 系曲线应为一条直线,用最小二乘法求出斜率m,相关系 数r和标准误差。 2、半波长法: ? 在导轨上移动角锥位置,去x1和x2,用示波器观察, 调节移相器,使之满足

则有

因此,可由差值(x2‐x1)确定光速c。

Ⅱ光速和介质折射率的测量

与Ⅰ中原理类似,但采用不同调制方式:

(一)光速测量 1.示波器

2.数字位相计

(二)折射率的测量 1.示波器

L1:有介质时,第一次测量 L2:移去介质,第二次测量 Δx=L2-L1

2.数字相位计

Φ 1:有介质时,第一次测量 Φ 2:移去介质,第二次测量

(一)仪器的调整 ? 如果仪器放置在光照较强的环境中,在调整仪器的时 候,采用适当措施,减少仪器受外界光线的干扰。

1.凸透镜和反射镜的调整
? 将角镜置于导轨的最末端,上下、水平调整置于发光 二极管前面的透镜,在角镜接收镜前面放一张白纸,使 光束直接照射在纸上,以保证光束照射在角镜接收镜的 中央。将纸拿开,光束经角镜反射镜后到达光电二极管, 可以看到一束光斑。如果发现光斑不在光电二极管中央, 可调节角镜反射镜端角度的倾斜度。

2.成像透镜的调整 ? 放置透镜正对发射或接受装置,距离光电二极管的窗 口5cm。先把透镜移到轴线的一侧,使发光二极管的像 能够在光电二极管周围的白圈中观察到。然后沿着光线

移动透镜使发光二极管的像的直径比光电二极管的窗口
直径略小。接着往反方向移动透镜,调整透镜的高度, 使像最佳地成在光电二极管上。为了精确调整,观察示 波器上的波形,使波形的幅度达到最大。

(二)光速的测量 ? 分别使用示波器法和数字相位计法测量空气中的光速, 并使用最小二乘法求斜率m,线性相关系数r和测量值的 标准误差。 (三)介质折射率的测量 ? 分别使用示波器法和数字相位计法测量水,无水乙醇, 有机玻璃等实验室备好样品的折射率。

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