完整版利用自制新狭缝和菲涅尔双棱镜测量光波波长毕业设计.docx
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完整版利用自制新狭缝和菲涅尔双棱镜测量光波波长毕业设计
楚雄师范学院
本科生毕业论文
题目:
利用自制新狭缝和菲涅尔双棱镜测量光波波长
系(院):
物电系
专业:
物理学(师范类)
学生姓名:
曾海
指导教师:
向文丽职称:
实验师
论文字数:
5352
完成日期:
2013年5月
教务处印制
楚雄师范学院物电系毕业论文原创性声明
本人郑重声明:
呈交的毕业论文“利用自制新狭缝和菲涅尔双棱镜测量光波波长”,是本人在指导教师向文丽的指导下进行研究工作所取得的成果。
除文中已经引用的内容外,本论文不含任何其他个人或集体已发表或撰写过的研究成果。
对本论文的研究所做出帮助的个人和集体,均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。
本声明的法律结果由本人承担。
毕业论文作者签名:
日期:
2013年月日
目录
摘要
关键词
Abstract
Keywords
引言1
1.菲涅尔双棱镜测量光波波长1
1.1仪器1
1.2原理与装置1
1.3数据记录2
1.3.1测量及D2
1.3.2测量d(二次成像)3
1.3.3波长及误差4
1.4结论分析4
2.自制新狭缝测量光波波长5
2.1自制新狭缝与菲涅尔双棱镜测量光波波长5
2.1.1仪器5
2.1.2原理与装置5
2.1.3数据记录6
(1)测量及D6
(2)测量d(二次成像)7
(3)波长及误差8
2.1.4结论分析9
2.2可调狭缝与自制新狭缝量光波波长9
2.2.1仪器9
2.2.2原理与装置9
2.2.3数据记录10
(1)测量及D10
(2)测量d11
(3)波长及误差12
2.2.4结论分析12
3.结论12
结束语13
参考文献13
致谢14
利用自制新狭缝和菲涅尔双棱镜测量光波波长
摘要:
光广泛的应用于实际的生活之中,在许多实时的测量中得到应用。
不同光照射,其波长是不相同的,所以光的波长的检测极其重要。
本文利用自制新狭缝和菲尼尔双棱镜测量光波波长,实验简便而精确,具有一定的测量价值和应用价值。
关键词:
光波波长;干涉;新狭缝;菲涅尔双棱镜。
Measuringthewavelengthbyusinganewself-madeslitandFresneldoublebiprism
Abstract:
Lightiswidelyusedintheactuallife.Ithasbeenappliedinmanyreal-timemeasuring,.differentlight,Thewavelengthisdifferentwithdifferentlightradiation..Thedetectionoflightwavelengthisextremelyimportant..Itissimpleandaccuratebyusinganewslitandfresneldoublebiprismtomeasurelightwavelengthinthepaper.Ithascertainmeasurementandapplicationvalue.
Keywords:
wavelength;Interference;Newslits;Fresneldoublebiprism.
利用自制新狭缝和菲涅尔双棱镜测量光波波长
引言
光的衍射和干涉的应用是光学的一项重要研究内容,光的干涉与衍射是一种重要的测量手段,本实验采取替代分析的方法,运用菲涅尔双棱镜和自制新狭缝产生分波面干涉来实验。
两种实验一方面可以对比得到所测光波波长,一方面还可以检测自制新狭缝的精确度,最终可以更精确测量所测的光波波长。
1.菲涅尔双棱镜测量光波波长
1.1仪器
光具座钠光灯可调狭缝双棱镜测微目镜凸透镜
1.2原理与装置
两列光波的频率相同、振动方向相同、相差恒定(或相同),则相遇时会在相遇的区域内产生干涉现象。
如图1所示,钠光灯照射可调狭缝S,S即为一线状光源,当发出的光照射到双棱镜AB上时,形成了两束相干光,这两干涉光相当于是两虚光源S1S2,由于这两束相干光来自同一光源,满足相干条件,相遇区域P1P2内产生明暗相间的干涉条纹,且相邻明暗两条纹之间的间距相同。
用测微目镜读出干涉条纹的间距,在光具座上读出虚光源到测微目镜的距离D,用二次成像的办法计算出两虚光源的距离d,最后计算出所测光波波长为:
如图2所示,即为实验实物图,先应调节各元件达到共轴等高,打开钠光灯使其先预热4-5分钟之后开始调节各仪器,在测微目镜里能够看到清晰的条纹,在稍微放宽可调狭缝,使条纹最清晰,
然后固定可调狭缝和双棱镜的位置。
图3所示是实验时,在测微目镜里观察到的图像,能够看见明暗相间的干涉条纹。
1.3数据记录
1.3.1测量及D
次数项目
y1mm
y2mm
|y2-y1|
1
3.700
4.840
1.140
0.1140
2
3.710
4.850
1.114
0.1140
3
3.710
4.840
1.130
0.1130
4
3.720
4.850
1.130
0.1130
5
3.720
4.860
1.130
0.1130
由上述可以得到明暗条纹的间距
在标有刻度的光具座上读出D
次数
1
2
3
4
5
D(cm)
41.74
41.75
41.76
41.75
41.75
由上述可以得到虚光源到测微目镜的距离D
1.3.2测量d(二次成像法)
图4、图5即为二次成像法的实验原理图,在可调狭缝和双棱镜保持位置不变,在测微目镜的前面安装凸透镜,且各元件达到共轴等高,移动凸透镜和测微目镜找到最大像和最小像。
由图4可以得到放大像,而放大像之间的距离为d1:
由d/d1=a/b得到
(1),由图5可以得到缩小像,而缩小像的距离为d2:
由d/d2=b/a得到
(2)。
由
(1)、
(2)两式可以求出。
放大像mm
缩小像mm
y1mm
y2mm
d1=|y2-y1|
mm
mm
1
3.610
4.950
1.340
2.310
5.680
3.370
2
3.930
5.310
1.380
2.280
5.750
3.470
3
3.720
5.130
1.410
2.340
5.760
3.420
4
3.830
5.190
1.360
2.300
5.750
3.450
5
3.660
5.010
1.350
2.330
5.720
3.390
所以
由上述可以得到两虚光源的距离
1.3.3波长及误差
最后得到所测钠光灯的波长为:
1.4结论分析
上述实验可以测量出所测钠光灯的波长,而钠光灯的波长真实值为为589.3nm,所以测量值和真实值存在着相当大的误差。
误差的来源主要来自明暗条纹的间距的测量和虚光源的距离的测量,针对第一条误差,改进实验一:
用自制新狭缝(双缝)代替可调狭缝:
针对第二条误差,改进实验二:
用自制新狭缝(双缝)代替双棱镜。
2.自制新狭缝测量光波波长
2.1自制新狭缝与菲涅尔双棱镜测量光波波长
2.1.1仪器
光具座钠光灯可调狭缝双棱镜测微目镜凸透镜新狭缝
2.1.2原理与装置
两列光波的频率相同、振动方向相同、相差恒定(或相同),则相遇时会在相遇的区域内产生干涉现象。
制备新狭缝,用一个黑色的盒子,在一边正中央的地方用小刀划出长宽各1cm的正方形,然后用剪刀剪出两片一样大锌薄,并把两片锌薄用双面胶贴在同样大的载玻片上。
在盒子的正方形的中央安装上0.5mm-1mm的金属丝之后,再把载玻片安装上,新狭缝就制成了,并且可以调节狭缝的宽度,如图6所示
如图7所示,钠光灯照射新狭缝S,S即为两线状光源,当发出的光照射到双棱镜AB上时,形成了两束相干光,这两干涉光相当于是两虚光源S1S2,由于这两束相干光来自同一光源,满足相干条件,相遇区域P1P2内产生明暗相间的干涉条纹,且相邻明暗两条纹之间的间距相同。
用测微目镜读出干涉条纹的间距,在光具座上读出虚光源到测微目镜的距离D,用二次成像的办法计算出两虚光源的距离d,最后计算出所测光波波长为:
如图8所示,即为实验实物图,先应调节各元件达到共轴等高,打开钠光灯使其先预热4-5分钟之后开始调节各仪器,在测微目镜里能够看到清晰的条纹,在稍微放宽可调狭缝,使条纹最清晰,
然后固定可调狭缝和双棱镜的位置。
图9所示是实验时,在测微目镜里观察到的图像,能够看见明暗相间的干涉条纹。
和传统的狭缝调出的干涉图即图3相比,干涉条纹增多,条纹总间距变大。
2.1.3数据记录
(1)测量及D
次数项目
y1mm
y2mm
|y2-y1|
1
3.310
5.520
2.210
0.1470
2
3.360
5.550
2.190
0.1460
3
3.340
5.530
2.190
0.1460
4
3.350
5.550
2.200
0.1470
5
3.320
5.530
2.210
0.1470
由上述可以得到明暗条纹的间距
在标有刻度的光具座上读出D
次数
1
2
3
4
5
D(cm)
33.55
33.56
33.55
33.54
33.55
由上述可以得到虚光源到测微目镜的距离D
(2)测量d(二次成像法)
图10、图11即为二次成像法的实验原理图,在新狭缝和双棱镜保持位置不变,在测微目镜的前面安装凸透镜,且各元件达到共轴等高,移动凸透镜和测微目镜找到最大像和最小像。
由图10可以得到放大像,而放大像之间的距离为d1:
由d/d1=a/b得到
(1),由图11可以得到缩小像,而缩小像的距离为d2:
由d/d2=b/a得到
(2)。
由
(1)、
(2)两式可以求出。
放大像mm
缩小像mm
y1mm
y2mm
d1=|y2-y1|
mm
mm
1
3.860
5.650
1.790
4.550
5.590
1.040
2
3.840
5.632
1.792
4.640
5.630
0.990
3
3.946
5.740
1.794
4.620
5.630
1.010
4
3.880
5.672
1.792
4.630
50640
1.010
5
3.900
5.690
1.790
4.600
5.620
1.020
所以
由上述可以得到两虚光源的距离
(3)波长及误差
最后得到所测钠光灯的波长为:
2.1.4结论分析
上述实验测量出所测钠光灯的波长,用自制的新狭缝(双缝)代替可调狭缝,增加了干涉条纹的条数,而且干涉条纹更加的清晰,对比在没有替换之前的实验中所测得干涉条纹的间距,减小了误差,干涉条纹间距的测量误差减小,而测量的波长值在真实值的范围内,利用金属丝制备的可调狭缝即双缝,实验精确度更大,具有一定的实验价值。
2.2可调狭缝与自制新狭缝测量光波波长
2.2.1仪器
光具座钠光灯可调狭缝测微目镜刀片新狭缝读数显微镜
2.2.2原理与装置
两列光波的频率相同、振动方向相同、相差恒定(或相同),则相遇时会在相遇的区域内产生干涉现象。
制备新狭缝,选用一片长4cm、宽2cm的玻璃,且玻璃的一面是透光的,一面不能透光。
然后用刀片在不透光的一面划出宽为0.5mm-2mm的两道刀痕,用读数显微镜检查刀痕的质量,以便可以使用。
图12即为制作的新狭缝,图13是在读数显微镜下观察新狭缝,图14是在读数显微镜里观察到大两道刀痕。
如图15所示,钠光灯照射可调狭缝S,S即为一线状光源,当发出的光照射到新狭缝时,形成了两束相干光,由于这两束相干光来自同一光源,满足相干条件,相遇区域P1P2内产生明暗相间的干涉条纹,且相邻明暗两条纹之间的间距相同。
用测微目镜读出干涉条纹的间距,在光具座上读出虚光源到测微目镜的距离D,用读数显微镜读出玻璃上两刀痕的距离d,最后计算出所测光波波长为:
如图16所示,即为实验实物图,先应调节各元件达到共轴等高,打开钠光灯使其先预热4-5分钟之后开始调节各仪器,在测微目镜里能够看到清晰的条纹,在稍微放宽可调狭缝,使条纹最清晰,
然后固定可调狭缝和新狭缝的位置。
图17所示是实验时,在测微目镜里观察到的图像,能够看见明暗相间的干涉条纹。
2.2.3数据记录
(1)测量及D
次数项目
y1mm
y2mm
|y2-y1|
1
4.410
5.320
0.910
0.2275
2
4.410
5.330
0.920
0.2300
3
4.420
5.330
0.910
0.2275
4
4.420
5.320
0.900
0.2250
5
4.410
5.320
0.910
0.2275
由上述可以得到明暗条纹的间距
在标有刻度的光具座上读出D
次数
1
2
3
4
5
D(cm)
7.80
7.81
7.80
7.79
7.80
由上述可以得到虚光源到测微目镜的距离D
(2)测量d
将制作好的新狭缝放在读数显微镜上如图13所示,然后调节读数显微镜的叉丝,让叉丝对准左面的刀痕读出此时的读数,再让叉丝对准右面大刀痕读出此时的读数,重复5次。
次数项目
d1mm
d2mm
|d2-d1|
1
20.005
22.025
2.020
2
20.006
22.025
2.019
3
20.005
22.025
2.020
4
20.005
22.026
2.021
5
20.005
22.025
2.020
(3)波长及误差
最后得到所测钠光灯的波长为:
2.2.4结论分析
上述实验测量出所测钠光灯的波长,用自制的新狭缝(双缝)代替双棱镜,用读数显微镜读出两狭缝之间的距离,且读数显微镜精确读到千分位,读出的数很精确,消除了虚光源引起的实验误差,实验精确度更大,具有一定的实验价值。
3.结论
终上所述,基础实验是利用菲涅耳双棱镜测量所测光波波长虽然可以测量出光波波长,但是所测得的值与真实值不接近,误差很大。
学生做此实验的时候往往花费的时间很多,但是却得不到与真实值相吻合的值。
所以做此实验我抓住了两个实验误差的来源分别做改进,第一改进干涉条纹条数和清晰度所带来的误差,把可调狭缝用自制的新狭缝代替,其它依然不变,然后完成此实验,实验所得到的光波波长很吻合真实值;第二改进虚光源所带来的误差,把自制的新狭缝(双缝)代替菲涅耳双棱镜,其它条件依然不变,用读数显微镜精确读出新狭缝的距离,然后完成此实验,实验所得到的光波波长很吻合真实值。
在知道光波的波长,反之可以求出其它需要值,也可以检验实验中仪器的精确度。
该进实验二对比于基础实验和该进实验一操作更加的简便,不用二次成像的办法求虚光源的距离,且实验可以同时教同学们在读数显微镜之下测微小宽度,是首选的实验,推广此实验设计可以投入实验室使用,测量各种光波波长,以达到检查光波波长对人体的利弊应用于实验的生活之中。
在实验之中我还观察到用双缝代替可调狭缝,干涉条纹的条数增加,而且清晰;用双缝代替双棱镜,虚光源就可以消除,直接就可以用读数显微镜读出两缝的距离。
实验都能够测量所测光波波长。
但是实验只能消除虚光源和干涉条纹中的一种引起的误差,推广有没有直接消除两种待验证。
结束语
在此实验当中我用了新的方法来改进了实验,完成了实验,也证实了实验的可行性,改进的这两实验可以作为学生的创新实验来教学,让同学们自己动手,开阔自己的思维,在基础实验的基础之上,设计实验,达到创新实验。
参考文献
[1]姚启钧.光学教程[M].高等教育出版社,2008年6月:
18—23.
[2]楚雄师范学院物电系.普通物理实验(三).楚雄师范学院物电系编.2013年3月:
39—42.
[3]杨述武.普通物理实验[M].北京:
高等教育出版社,2000年.
致谢
时光飞逝,转眼间四年的大学时光已然结束。
但记忆犹新,这里有我熟悉的一切,有我热爱的一切,在美丽的校园中,有我人生中最为宝贵的年华。
时间证明了一切,大学的四年磨练了我的毅力,让我变得更加的坚强和自信。
不知不觉中度过了大学四年人生中最宝贵的时光,在这里我获得过快乐,也获得过悲伤,但最重要的是我获得了人生当中不可或缺的处人处事的态度。
四年的时光冲冲而过,在此我想对我的母校,我的老师、同学,我的父母、亲人们表达我由衷的谢意。
感谢我的家人对我大学四年学习的默默支持,感谢我的母校楚雄师范学院给了我在大学四年学习的机会,感谢物理与电子科学系的老师和同学四年来的关心和帮助。
是你们悉心的指导、关心和鼓励下,才使得我养成科学严谨的治学态度,也让我学会了如何去解决所遇到的问题。
感谢你们让我懂得了要以乐观积极向上的心态去探索科学的奥秘,和务实作风去迎接美好的明天。
这次毕业论文的设计我得到了很多老师和同学的帮助,感谢我的指导老师向文丽。
四年来,我时刻体会着向老师严肃的科学态度,严谨的治学精神,精益求精的工作作风,我想这是够我一生受用的人格魅力。
从专业课学习,课题选择、开题、论文写作,整个过程,向老师都倾注了大量的心血。
正是在向老师科学、严谨的指导下,我的研究课题才能顺利进行,这篇研究论文也才得以顺利完成。
颜老师不仅在学习上对我严格要求,在日常工作和生活中也给予我非常多的帮助和意见,给予我很多的宽容、理解。
再次向我的指导老师向老师表示由衷的敬意和感谢!
最后,祝我的家人身体健康;祝母校人才辈出,桃李满园;祝老师身体健康,工作顺利;祝即将毕业的我们找到一份自己满意的工作;祝学弟学妹们学有所成。
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