tceic.com
学霸学习网 这下你爽了
相关文章
当前位置:首页 >> 物理 >>

实验三 光速测量实验


光拍频法测量光速实验 一、实验目的
1.理解光拍频概念及其获得。 2.掌握光拍法测量光速的技术。

二、实验原理
光拍频法测量光速是利用光拍的空间分布,测出同一时刻相邻同相位点的光程差和光拍频率 ,从而间接 测出光速。 1、光拍的产生和接受 根据振动迭加原理,两列速度相同,振面和传播方向相同,频差又较小的简谐波迭加形成拍。假设有两列 振幅相同(只是为了简化讨论)、角频率分别为 ω1 和 ω2 的简谐拨沿 x 方向传播。

E1 ? E0 cos(?1t ? k1x ? ?1 ) E2 ? E0 cos(?2t ? k2 x ? ?2 )
k1=2?/?1,k2=2?/?2 称为波数,?1 和?2 称为初位相,这两列简谐波迭加后得:

? ? ? ?2 ? x ? ?1 ? ?2 ? ? ? ? ?2 ? x ? ?1 ? ?2 ? E ? E1 ? E2 ? 2E0 cos ? 1 cos ? 1 ?t ? ? ? ?t ? ? ? ? 2 ? 2 ? ? 2 ? c? ? 2 ? c? ?
2

(1)

? ?? x ? ?1??2 ? ?? ?? E 是以角频率为 1 2 ,振幅为 2 E0 cos ? 1 2 ? ? t ? ?? ? 的前进波。注意到其振幅是以角频率
? 2 ? c? 2 ?

? ?? ?? ? 1 2 随时间作周期性的缓慢变化。所以称 E 为拍频波,其中 2
? ?? ?? ? 1 2 ???F , ?F 称为拍频。 ??s 是拍的波长。 2

2、相拍二光束的获得 假设超声波 u? y ,t ??u0 cos??st ?ks y ? 沿 y 方向以行波传播,它引起介质在 y 方向的应变为:

S?

?u ? u0 ks sin ??st ? ks y ? ? s0 sin ??st ? ks y ? ?y

(2)

若介质 y 方向的宽度 b 恰好是超声波半波长的整数倍,且在声源相对的端面敷上反射材料,使超声波反射, 在介质中形成驻波声场, u? y ,t ??2u0 cos?st gcos ks y ,它使介质在 y 方向的应变为:

S ??

?u ? 2u0 ks cos ?s t sin ks y ? 2s0 cos ?s t sin ks y ?y

(3)

即用同样的超声波源激励,驻波引起的应变量幅值是行波的两倍 ,这样光通过介质产生衍射的强度比行波法 强的多,所以本实验采用驻波法。 介质的应变引起其折射率发生相应的变化,其关系可以表示为:

? 1 ? ? ? 2 ? ? ?s ?n ?
式中 n 是介质的折射率, ? 是单位应变引起的 在 各 向 同 性 的 介 质 中 ,
1 n2

(4)

的变化,称为光弹系数。 s 都 是 标 量 , 于 是 对 驻 波 声 场

?



?n ? ?

n3 ? s ? ?n3 ? s0 cos ?st sin ks y ? ?2 A cos ?st sin ks y 2
1 2

(5)

式中 A? n3 ? s0 为超声波引起介质折射率变化的幅值,此时介质在 y 方向的折射率为:

n ? y ? ? n0 ? ?n ? n0 ? 2 A cos ?st sin ks y

(6)

当 x 方向射入平面激光,通过厚度为 d 的介质后,其位相发生变化。

?? ? n( y)k0d ? n0k0d ? 2 Ak0d cos ?st sin ks y

(7)

若激光束垂直入射这一位相光栅(经超声波作用的介质),出射 L 级对称衍射,衍射光强的极大值满足关系 式:

?s sin ?L ? L?0
第 L 级衍射光的角频率为:

?l ,m ? ?0 ? ? L ? 2m? ?s

(8)

式中 L 是衍射级 L=0, ? 1, ? 2,……。对于每一个 L 值,m=0, ? 1, ? 2……即在同一衍射光束内就含有许 多不同频率成分的光。 3、光拍频波的检测 (1) 光拍频波的接收 实验用光敏检测器——光电二极管接收光拍频波 ,其光敏面上产生的光电流大小正比于光拍频波的强 度(电场强度 E 的平方),所以光电流为

i0 ? gE 2
式中 g 为光敏器件的光电转换常数。

(9)

由于光波的频率很高 (f> 1014 H Z ), 而目前光敏二极管的最短响应时间 ? ? 10 秒 ( 即最高的响应频率
?8

?1 ?f ? 10 H Z 左右)。所以,目前光波照射光敏检测器所产生的光电流只能是响应时间 ? fc
8

??

?

1 ? ? ?f ?

内的平均值,

1

i0 ?

1

?

? ? i dt
0

(10)

将式(1)、(9)代入上式,结果 0 积分中的高频项为零,只留下常数项和缓变项(光拍信号)。

i

i0 ?

i dt ? gE ? ??
0

1

2 0

? ? ? x? ?? ?1 ? cos ? ?? ? t ? ? ? ?? ? ? ? ? c? ?? ?

(11)

式中 ? ? 是光拍频的角频率, 拍信号成分。 (3)光速的测量

2 ?? ? ?1 ? ?2 为初相角。可见光检测器输出的光电流包含有直流成分 gE0 和光

光拍信号的位相与空间位置有关。处在不同空间的位置的光检测器,在同一时刻有不同位相的光电流输 出。 假设空间两点 A、B 的光程差为 ? x ' ,对应的光拍信号的位相差 ?? ' ,即

?? ' ? ?? ?x '/ c ? 2??F ?x '/ c
光拍信号的同位相诸点的位相差 ?? 满足下列关系:

?? ? ???x / c ? 2??F ?x / c ? 2? n


c ? ?F ?x / n

(12)

(12)式中,当取相邻同位相两点,n=1, ?x 恰好是同位相点的光程差,即光拍频波的波长

??s 从而有

?x ? ??s ? c / ?F


c ? ?F ??s

(13)

因此,实验中只要测出光拍波的波长 得光速 C 值。

??s (光程差 ?x )和拍频 ? F ( ? F =2F,F 为超声波频率),根据(13)式可求

三、 实验装置
由超声功率信号源产生频率为 F 的超声 波信号送到声光调制器,在声光介质中产生 驻波超声场,此时声光介质形成位相光栅, 当 He-Ne 激光束垂直入射声光介质,将产生

2

L 级对称衍射,任一级衍射光都含有拍频 ? F =2F 的光拍信号。假设选用第一级衍射光,可用光阑选出这一 束光。经过半透分光镜 M1 将这束光分成两路:远程光束①依次经过全反射镜

M 2 , M3 ,……等多次反射后 M 透过半反射镜 M 入射到光敏接收器;近程光束②由半反射镜 M 反射进入光敏接收器。在半透分光镜 1 后
面接入斩光器,由小型电动机驱动,轮流挡住其中一路光束,让光敏接收器轮流接收①路或②路光信号。 如果将这路光通过光敏接收器后直接加到示波器上观察它们的波形,还是比较困难的,因为 He-NE 激光束 和频移光束包含许多频率成分,致使有用的拍频信号被淹没,所以难以观察。 为了能够选出清晰的拍频信号,接收电路中采用选频放大电路,如上图,以滤除激光器的噪音和衍射 光束中不需要的频率成分。而只让频率为 ? 2 F ?0.25?MH Z 的拍频通过,从而提高了接收电路的信噪比。 实验中为了能用普通示波器观察拍频信号,在一级选频放大电路后面加入混频电路,把拍频信号差额 为几百 KHz 的较低频信号送到示波器 y 轴。另外,还用超声信号源的信号经另一混频电路差额后作为示波 器 x 轴同步触发信号,使扫描与信号同步,在示波器的屏幕上显示出清晰、稳定的两束电信号波形。然后 通过移动滑动平台,改变两光束间的光程差,在示波器上观察到两束光的相位变化。当两束光相位相同时, 光拍波波长

??s 恰好等于两光束的光程差 ?x 。所以测出超声波频率 F 和光拍频波的波长,则计算出光的

传播速度 C。

四、实验步骤
1、连接好所用仪器。 2、接通激光器电源开关,调节激光器工作电流在 5mA 左右。 3、接通稳压电源开关,细心调节超声波频率,调节激光束通过声光介质并与驻声场充分相互作用(可通过 调节移频器底座上的螺丝完成) ,使之成为产生二级以上明显的衍射光斑。 4、用光阑选取所需的(零级或一级)光束 ,调节 M0,M1 方位,使①②路光都能按预定要求的光路进行。 5、用斩光器分别挡住②路或①路光束,调节①路或②路光使经其各自光路分别射入光敏接收器,调节光敏 接收器方位,使示波器荧幕上能分别显示它们的清晰波形。 6、接通斩光器电源开关,示波器上将显示相位不同的两列正弦波形。 7、移动滑动平台,改变两光束的光程差,使两列光拍信号同相(位相差为 2? ) ,此时的光程差 ?x 即为光 拍频波长

??s 。

8、精确测量两光束的光程,求出他们的光程差,并从频率计测出超声波的频率 F。

五、实验数据处理及误差分析 (1)光程差的测量 远程光: 单位:cm

M1 M 2

M 2M3
143.25

M 3M 4
143.15

M 4M5
142.90

M5M6
142.60

M6M7
138.90

M 7 M8
4.00

M8M9
60.00

M 9 M10
3.40

M10 M
67.90

?x

i

xi

147.50

993.60

近程光:

M1M =21.60 cm

? 光程差 ?x = x ? M1M =993.60-21.60=972.O0 (cm)
3

(2)光拍频

单位: MHz

f1 fi
14.8750

f2
14.8756

f3
14.8748

f4
14.8743

f5
14.8748

f
14.8749

(3) 光速 C= ?x?F = ?x ? 2 f = 2.89 ?108 (m / s)
而公认值

c' ? 3?108 (m / s)

?E ?

c' ? c c

? 3.67%

(4)误差分析 A、在测量光程差时,只用米尺测量,误差太大,应改用精确度较大的测量仪器。 B、频率计的读数不稳定。 C、注意对二束光相位的精确比较,如果实验中调试不当,可能会产生虚假的相移,结果影响实验的精
度。

D、空气中光速的准确值选取不当。 六、思考与讨论
1、“拍”是怎样形成的?它有什么特性? 两列速度相同,振面和传播方向相同,频差又较小的简谐波迭加形成拍。
? ?? x ? ?1??2 ? ?? ?? 两列简谐波迭加后的 E 是以角频率为 1 2 ,振幅为 2 E0 cos ? 1 2 ? ? t ? ?? ? 的前进波。其振幅是
2

?

2

?

c?

2

?

? ?? 以角频率 ?? ? 1 2 随时间作周期性的缓慢变化。所以称 E 为拍频波,其中
2

? ?? ?? ? 1 2 ???F , ?F 称为拍频。 ??s 是拍的波长。 2

2、声光调制器是如何形成驻波衍射光栅的?激光束通过它以后其衍射有什么特点? 位相光栅使出射光发生衍射,结果光的传播方向,频率和强度分布都受到声频的调制而发生变化。 若激光 束垂直入射这一位相光栅(经超声波作用的介质),出射 L 级对称衍射 衍射光强的极大值满足关系 式:

?s sin ?L ? L?0

第 L 级衍射光的角频率为:

?l ,m ? ?0 ? ? L ? 2m? ?s

式中 L 是衍射级 L=0, ? 1, ? 2,……。对于每一个 L 值,m=0, ? 1, ? 2……即在同一衍射光束内就含有许多不 同频率成分的光。

4


推荐相关:

实验三 光速测量实验.doc

实验三 光速测量实验_物理_自然科学_专业资料。光拍频法测量光速实验 一、实验目的 1.理解光拍频概念及其获得。 2.掌握光拍法测量光速的技术。 二、实验原理光...

光速测量实验报告.doc

光速测量实验报告_物理_自然科学_专业资料。大学物理实验报告 f调制 ? 108

实验4-3_光速实验_调制光强法_图文.ppt

光速实验 ---调制光强法 实验4-3 声光调制和光速测量 反射膜 入射光 vs 屏 +2 +1 0 -1 -2 换能器 图4-3-1 驻波型声光调制器示意图 光速测量原理...

光速测量实验报告完整版_图文.pdf

光速测量实验报告完整版_物理_自然科学_专业资料。 您的评论 发布评论 用户...光速的测量 51页 1下载券 光速测量实验报告(实验总... 暂无评价 7页 ...

光速测量实验报告.doc

青岛科技大学 实课程名称 专业班级 指导教师 验实验项目 姓成绩名 报 告光速测量实验 学号日期 2013 年 04 月 11 日 大学物理实验应物 122 一、实验目的 1....

实验22 光导纤维中的光速测定实验_图文.doc

光导纤维中光速的测定(0... 9页 免费 光纤通信测量实验中的OT... 4页 免费 实验二十二-光纤通信网中... 3页 1下载券 光速测定实验中的问题讨...

光速测量发展史及其 实验方法_图文.ppt

它的种类繁多,大 体可分为四类:1天文方法(光行 差法)2单位比值法 3电磁波法 4带 光谱法。 直接法 03光速测量方法 实验原理 光拍法 测量方法 问题分析 ...

实验三 红外测距原理实验.doc

但由于光速 C 很大,时间间隔 t 将很小,受电子技术及电子器件速度的限制,实际...(3)单片机程序如果算法不够精良,也会带来测量上的 误差。 【实验结论与分析】...

大学物理实验22 光导纤维中光速的实验测定.xls

大学物理实验22 光导纤维中光速实验测定_理学_高等教育_教育专区。物理实验22...106.3 96.1 V1 V2 10.0 193.9 x 5.000 3.600 3.000 3.200 4....

光速测量实验中光束传播偏离产生的误差与解决方法_论文.pdf

光速测量实验中光束传播偏离产生的误差与解决方法 - 第3 5卷 第11期 201 5年1 1月 物 理 实 验 Vo1.35 No.11 ...

光速测量实验报告.doc

光速测量实验报告_理学_高等教育_教育专区。实验报告 光拍法测量光速实验名称】光拍法测量光速 实验名称】 【实验目的】1. 掌握光拍频法测量光速的原理和实验...

西南交大物理实验期末试题-光速测量.doc

西南交大物理实验期末试题-光速测量_理化生_高中教育_教育专区。光速测量实验预习题:光速测量实验_01 出题:魏云 在光速测量实验中,调制波波长的测量方法一般可采用(...

单程光速测量原理及其实验方法.pdf

光速测量原理 和实验方法 # 在这一原理中 把单向运行的光既作 为被测速对象

实验基本介绍光纤中光速的测定是一个十分有趣的实验,通....pdf

实验基本介绍 光纤中光速的测定是一个十分有趣的实验, 通过这一实验能使学 生亲身

光速测定-大物实验_图文.pdf

光速测量实验介绍 ... 光学部分 浙大物理实验教学中心编制 VELOCITY OF LIGHT :...2.大学物理实验武汉大学出版社。 3.大学物理导论清华大学出版社。 4.普通物理...

实验三 复反射系数分析_图文.doc

实验三 复反射系数分析 - 实验三 复反射系数(复阻抗)测量 一.实验目的 1.了解测量线的基本结构和调谐方法,掌握微波晶体检波律的校 准方法。 2.了解驻波测量与...

单程光速测量原理及其实验方法_图文.pdf

迄今 人们 一直 未能在 实验 室 中测 出单程 光速 。 光行差 现象 , 为人 们 提供 了第 二种 测量 光速 的天 文学 方法 。 179 8年, 们在 观测 3人...

实验三 复反射系数_图文.doc

实验三 复反射系数(复阻抗)测量 一.实验目的 1.了解测量线的基本结构和调谐...两种测量方法相比较,第一种误差取决 于波长计的精度和实验室中波速 v 与光速...

AM调制实验3_图文.ppt

二、实验内容 AM调制信号的产生与测量 调制信号的产生与测量。 1.AM调制信号的...式中, 为波长( 为电磁波传播速度(光速)(m/s); 为音频(Hz)。)(m/s 三...

用微波实验测定光速_图文.pdf

测量 线测 定相应 的电磁 波 的波长 ,利在 计算 光速c, 验证 麦克斯 韦 电磁场理 论. 关键 词: 光速 ;波;导 微波中 图分类 号: 4.04153 3 文献...

网站首页 | 网站地图
All rights reserved Powered by 学霸学习网 www.tceic.com
copyright ©right 2010-2021。
文档资料库内容来自网络,如有侵犯请联系客服。zhit325@126.com