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双棱镜干涉实验中调节方法的运用范文

时间:2022-12-15 10:26:28

双棱镜干涉实验中调节方法的运用

摘要:

分析了双棱镜干涉实验中传统调节方法存在的缺陷,改进了调节方法,使调节方法、步骤清晰,消除了传统调节方法中存在的某些盲目性,使学生能很快调节出干涉条纹,提高了实验效率。

关键词:

双棱镜;调节方法;改进

双棱镜干涉实验是大学物理实验中的一个基础光学实验,由于该实验对学生掌握光学仪器的精确调节具有很高锻炼价值,因此很多实验工作者对该实验的调节方法[1]、实验方法[2-4],数据处理方法[5]等进行了探讨,足见其在大学物理实验中的重要地位。但是,该实验也是学生公认的实验操作难度较大的实验。其难度主要体现在学生很难调节出清晰的干涉条纹。即使优秀学生在做这个实验的时候,耗费的时间也很长,甚至有的学生花费3个学时的时间,也调节不出干涉条纹。使很多学生对该实验产生恐惧心里,也使部分学生在选课时尽量避开该实验。为了使学生对该实验消除恐惧心理,也为广大实验教学工作者提供一个方便的调节方法,我们对该实验的调节方法进行了细致的研究和分析,找到了一种快速并且必定能调出干涉条纹的调节方法。

1实验原理和传统调节方法简介

1.1实验原理

利用双棱镜干涉测量钠光的波长是利用分波阵面法获得相干光,进而进行波长的测量。如图1所示,由S发出的单色光经双棱镜折射后分成两束,相当于从两个虚光源S1和S2射出的两束相干光。这两束光在重叠区域内产生干涉,在该区域内放置的测微目镜中可以观察到干涉条纹。根据光的干涉理论能够得出相邻两明(暗)条纹间的距离为Δx=λL/a,即可有λ=Δxa/L,其中,L为虚光源到接收屏之间的距离,在该实验中我们测的是狭缝到测微目镜的距离;a为两个虚光源的距离,用共轭法来测,即a=a1a槡2,a1,a2是两虚光源成大象和小象时通过测微目镜测得实像间的距离,Δx很小,也通过测微目镜测量。

1.2实验传统调节方法与步骤

(1)共轴调节:把狭缝、凸透镜、像屏置于光具座上,高低基本一致,钠灯置于狭缝前,先把狭缝调得宽一些,以便容易观察。先使狭缝到像屏的距离大于凸透镜焦距的4倍,然后移动透镜成小像时调像屏,成大像时调透镜,使狭缝S的大、小像中心都处于像屏的中心。

(2)把双棱镜置于狭缝与凸透镜之间,调其高低左右与原光路共轴,并纵向微调凸透镜的位置使像屏上出现两个虚光源S1和S2的像的光强基本相同。

(3)用测微目镜代替像屏,调节测微目镜与其他元件共轴,调节透镜前后位置,在测微目镜中观察到清晰的大像和小像,并测量大像间距a1和小像间距a2。

(4)把凸透镜从光具座上取下,适当减小测微目镜到屏的距离,调节狭缝宽窄和双棱镜楞脊方向,直至观察到清晰的干涉条纹,然后测量15条干涉条纹的间距,并测量狭缝到测微目镜分划板间的距离L。

1.3对传统调节方法与步骤的分析

1.2中的调节方法,对于熟练的老师而言是清楚明了的,但对于初次做该实验,甚至做过几次但并不熟练的学生而言,要想调出清晰的干涉条纹是很困难的。在上述方法中,第(1)、(2)、(3)步没有不妥之处,但这样测得虚光源间距,有可能因狭缝太宽造成测量结果的不准确。第(4)步表述笼统,学生往往不知道狭缝宽度多大为合适,在调节双棱镜棱脊的方向时也显得很盲目,因为不知道什么情况双棱镜的棱脊与狭缝平行。有的老师会告诉学生,当调出清晰条纹时就平行了,问题是很难调出干涉条纹。因为要调出清晰的干涉条纹必须满足四个条件:狭缝的宽度满足空间干涉条件;双棱镜的棱脊与狭缝平行;双棱镜的棱脊处于狭缝的中央,产生的干涉条纹处于测微目镜的视场中。但是依据上述方法调节时,四个条件很难同时满足,而且在调节时还会相互影响,如:调小相逢时,狭缝的中心就会偏离原来的位置,双棱镜棱脊的位置也需要移动,因此在测微目镜中很难观察到清晰的干涉条纹。为此我们提出如下的调节方法和步骤。

2调节方法和步骤的改进

前两步仍按1.2中(1)、(2)进行调节。以后步骤按下述方法步骤进行操作。

(3)用测微目镜代替像屏,调节测微目镜与其他元件共轴,在测微目镜中可以观察到两条光带。

(4)调节狭缝宽度使其满足狭缝的空间许可条件[6],当可以在狭缝周围明显地观察到明暗相间的条纹时,狭缝宽度就合适了。

(5)前后移动凸透镜,在测微目镜中观察清晰的大像或小像前,可以观察到如图2(a)所示的光带时,说明狭缝与双棱镜棱脊不平行,需要调节狭缝和双棱镜棱脊方向,当观察到如图2(b)或图2(c)所示情况时,说明狭缝和双棱镜棱脊方向平行且处于竖直方向,但两条光带若宽度不同(如图2(b)所示),则说明双棱镜棱脊不再狭缝中央,此时左右调节狭缝位置,直至出现图2(c)所示的两个光带宽度一样(可以通过测微目镜测出两个光带的宽度进行比较),此时,双棱镜的棱脊就处于狭缝的中央了。

(6)前后移动凸透镜,直至出现如图3(a),(b)所示清晰的大像或小像时(图2(c)中的两光带变为锐细的两条亮线),测出间距a1,a2。图3中的大象在拍照时因光较强,在亮线周围出现了光晕,其中白色的亮线才是大像。

(7)把凸透镜从光具座上移除,并把测微目镜适当向双棱镜移近,此时可以在测微目镜中观察到干涉条纹,若条纹不清晰,可以稍微调节双棱镜的棱脊方向,即可观察到如图3(c)所示的清晰干涉条纹。测出10个以上的干涉条纹的间距,求得Δx。

3结论

利用改进的调节方法,从测量虚光源间距到调节出干涉条纹,前后浑然一体,既避免了调节干涉条纹时盲目操作,也避免了测量虚光源间距因狭缝太宽造成的测量不准确,自第(3)步调节开始,都通过观察测微目镜进行调节,使调节有章可循,也使调节更准确、更快,特别是能更快地调节出清晰的干涉条纹,节省了调节时间,提高了实验效率。

参考文献:

[1]方阳.双棱镜干涉实验中调出干涉条纹的好方法[J].物理教学探讨,2013,31(457):57-58.

[2]王明吉,张利巍,王晓莉.双棱镜干涉4种实验方法的研究与探讨[J].物理实验,2008,28(4):25-27.

[3]王朴,彭双艳.菲涅耳双棱镜放置方式对实验结果的影响[J].物理实验,2009,29(10):34-37.

[4]陈余行,陈良雷,双棱镜干涉中虚光源的测量方法对实验的影响[J].大学物理实验,2014,27(1):32-33.

[5]余小英,李凡生.基于Matlab的双棱镜干涉图像处理研究[J].物理实验,2010,30(5):28-31.

[6]陆改玲,陈霞,于跃洋,空间相干性条件在双棱镜干涉实验中的必要性讨论[J].中国校外教育杂志:课程探索,2014.12:462.

作者:张胜海 吴天安 张岩 单位:解放军信息工程大学

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