用鋼板尺測(cè)量激光的波長(zhǎng)

1、大學(xué)物理設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)評(píng)分： 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)實(shí) 驗(yàn) 報(bào) 告實(shí)驗(yàn)題目： 用鋼板尺測(cè)量激光的波長(zhǎng) 班 級(jí)： 姓 名： 學(xué)號(hào)： 指導(dǎo)教師： 實(shí)驗(yàn)日期：2008 年 12月11日原始數(shù)據(jù)記錄：實(shí)驗(yàn)臺(tái)號(hào)： _ 實(shí)驗(yàn)日期：_2008-12-11_ 鋼板尺測(cè)量激光的波長(zhǎng)的數(shù)據(jù)：光屏與尺端的距離L=4438.1mm高度/mm/mm/mm/mm/mm/mm/mm159.2275.0355.0421.1477.0527.9573.1用鋼板尺測(cè)量激光的波長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)提要課題的提出和依據(jù)光是一種電磁波，光在真空中的波長(zhǎng)不同，性質(zhì)也不同如波長(zhǎng)小于390nm的光波叫紫外光，它有殺菌作用；波長(zhǎng)大于770nm的光波叫紅外光，它

2、能傳遞熱量波長(zhǎng)在390nm至770nm之間的光波是人眼可見的，叫可見光，不同波長(zhǎng)有不同的顏色：如波長(zhǎng)為390446nm的光是紫色的，波長(zhǎng)為620770nm的光是紅色的，橙、黃、綠、藍(lán)各色依次排列其間，都由其波長(zhǎng)決定，而與其強(qiáng)度、方向等因素?zé)o關(guān)由此可見，光的波長(zhǎng)是決定光波性質(zhì)的最重要的參數(shù)之一那么，怎樣才能測(cè)出光的波長(zhǎng)呢?可見光在真空中(或空氣中)的波長(zhǎng)只有萬分之幾毫米，這么短的長(zhǎng)度又怎么用毫米刻度尺去測(cè)量呢?本實(shí)驗(yàn)用最小分度為0.5 mm的普通鋼尺“量”出只有0.000 6 mm左右的波長(zhǎng)，而且看到了反射角不等于入射角的“奇怪”現(xiàn)象它說明，反射定律只是在一定條件下才成立的，如果反射面上刻有許多

3、很細(xì)而且等間距的刻痕，就可使不同波長(zhǎng)的光反射到不同的方向去，這就是現(xiàn)代高科技中常用的光學(xué)元件“光柵”的雛形光柵是一種比棱鏡更好的分光器件。如果利用光柵的衍射原理就不難用普通的鋼尺測(cè)量出激光的波長(zhǎng)。實(shí)驗(yàn)課題及任務(wù)用鋼板尺測(cè)量激光的波長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)課題任務(wù)是，利用光的波動(dòng)性，用一把鋼板尺，通過用激光照射鋼板尺的帶有刻度的一面而反射到光屏上的衍射花樣，根據(jù)激光的相干性和反射光的干涉原理，經(jīng)過分析，找出規(guī)律，測(cè)量出激光的波長(zhǎng)。學(xué)生根據(jù)自己所學(xué)知識(shí)，設(shè)計(jì)出用鋼板尺測(cè)量激光的波長(zhǎng)的整體方案，內(nèi)容包括：(寫出實(shí)驗(yàn)原理和理論計(jì)算公式；選擇測(cè)量?jī)x器；研究測(cè)量方法；寫出實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和步驟。)然后根據(jù)自己設(shè)計(jì)的方案，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操

4、作，記錄數(shù)據(jù)，做好數(shù)據(jù)處理，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果，寫出完整的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，也可按書寫科學(xué)論文的格式書寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。實(shí)驗(yàn)原理提示眾所周知，用一把普通的鋼尺，可以方便地測(cè)量出一本練習(xí)簿的長(zhǎng)度和寬度，而要測(cè)量它的厚度就有些困難了，因?yàn)殇摮呱蟽上噜徔叹€的間距是0.5 mm或l mm，而一般練習(xí)簿的厚度也不過l mm左右，所以很難測(cè)準(zhǔn)現(xiàn)在要用這把鋼尺去測(cè)量只有萬分之幾毫米的光的波長(zhǎng)，這看來似乎是不可能的。如果實(shí)驗(yàn)利用光的波動(dòng)性質(zhì)，用一把普通的鋼尺就能夠巧妙地把這么短的波長(zhǎng)測(cè)出來它的測(cè)量原理如圖16-1所示：讓一束激光照到鋼尺的端部，其中一部分激光從鋼尺上方直接照到觀察屏上的點(diǎn)，其余激光從鋼尺表面反射到屏上在屏上除了與

5、對(duì)稱的點(diǎn)有反射亮斑外，還可看到一系列亮斑、S1、S2、S3Sn.。這是因?yàn)椋呱鲜怯锌毯鄣?刻痕的間距是d=0.5 mm)，光在兩刻痕間的許多光滑面上反射，這些反射光如果相位相同(即波峰與波峰相遇，波谷與波谷相遇)，則它們會(huì)相互疊加而加強(qiáng)，形成亮斑，否則會(huì)相互抵消而減弱由圖16-2可知，從光源某一點(diǎn)A發(fā)出而在相鄰光滑面B、B反射的光，到達(dá)屏上C點(diǎn)時(shí)所經(jīng)過的路程差(稱為光程差)為：=ABCAB/C=BD/一DB/=d(cos一cos ) (1) 若恰好等于零或等于波長(zhǎng)的整數(shù)倍，則這些反射光的相位就相同，屏上C點(diǎn)就會(huì)出現(xiàn)亮斑顯然，在處，=0，這就是在S。處的亮斑在S1、S2、S3、S4、處，必有：

6、=，=2，=3，=4因此，由(1)式可知：d(cos一cos1 ) = (2)d(cos一cos2 ) =2 (3)d(cos一cos3 )=3 (4)d(cos一cos4 ) =4 (5)其中d=0.5 mm是已知的，因此，只要測(cè)出和、就可從以上各式算出波長(zhǎng)的值實(shí)驗(yàn)中，使尺與屏垂直，則： (6)其中，L是尺端到屏的距離，h是各亮斑到O點(diǎn)的距離，而O點(diǎn)位于S。點(diǎn)和一S。點(diǎn)的中心量出各亮斑間的距離即可求得各值，而對(duì)應(yīng)于亮斑S。的就是。設(shè)計(jì)要求 寫出該實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)原理，推導(dǎo)出波長(zhǎng)的計(jì)算公式。確定待測(cè)的物理量。 選擇實(shí)驗(yàn)測(cè)量?jī)x器要符合精度要求，測(cè)量值相對(duì)誤差在1%之內(nèi)，并說明選擇儀器的理由，確定相應(yīng)物

7、理量的測(cè)量?jī)x器。 寫出實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟。設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)步驟要具有可操作性(寫出測(cè)量時(shí)實(shí)驗(yàn)裝置的擺放及其位置角度、應(yīng)該注意的事項(xiàng)及實(shí)際測(cè)量的方法等)。 設(shè)計(jì)出實(shí)驗(yàn)測(cè)量原始數(shù)據(jù)的表格。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果用標(biāo)準(zhǔn)形式表達(dá)，即用不確定度來表征測(cè)量結(jié)果的可信賴程度。測(cè)量?jī)x器的選擇及提示小型半導(dǎo)體激光器一支，普通鋼尺一把，卷尺一把，膠帶紙若干，紙若干，墊高物等。用鋼板尺測(cè)量激光的波長(zhǎng)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模海ǎ├霉獾牟▌?dòng)性，用鋼板尺，根據(jù)激光的相干性和反射光的干涉原理，經(jīng)過分析，找出規(guī)律，測(cè)量出激光的波長(zhǎng)。（2）了解實(shí)驗(yàn)原理，掌握測(cè)量的方法。二、實(shí)驗(yàn)儀器：小型半導(dǎo)體激光器一支，普通鋼尺一把，卷尺一把，膠帶紙若干，紙若干，墊高物等

8、。三、實(shí)驗(yàn)原理：（1）激光作為一種光源,由于其單色性好、方向性強(qiáng)、色散少等特點(diǎn)在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)與工程實(shí)踐中得到了廣泛的應(yīng)用。在實(shí)際測(cè)量中,一般都要預(yù)先知道所用激光源的波長(zhǎng)。不同材料和發(fā)光機(jī)制的激光源具有不同的波長(zhǎng)。因此如何測(cè)定激光的波長(zhǎng)就具有十分重要的意義。本實(shí)驗(yàn)用最小分度值為1mm的鋼尺,測(cè)出了半導(dǎo)體激光器的波長(zhǎng)。而且看到了反射角不等于入射角的"奇怪"現(xiàn)象。它說明,反射定律只有在一定的條件下才成立。若反射面上刻有許多很細(xì)且等間距的刻痕,就可使不同波長(zhǎng)的光反射到不同的方向上去,這就是現(xiàn)代高科技中常用的光學(xué)元件“光柵”的雛形,在傳統(tǒng)的測(cè)量激光波長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)中,就用到了這個(gè)分光器件。

9、（2）鋼尺測(cè)量激光波長(zhǎng)的原理巧妙地利用了光的波動(dòng)性質(zhì)進(jìn)行激光波長(zhǎng)的測(cè)量,其原理如圖1所示。讓一束激光掠射(入射角不小于88°)到鋼尺的一端,一部分光直射到光屏上,形成亮斑S0,一部分反射到光屏形成亮斑S0?？捎^察到除了S0,S0兩個(gè)對(duì)稱點(diǎn)外,在S0上面分布著一系列的亮斑S1,S2,S3,S4,S5,這是因?yàn)殇摮呱嫌锌毯鄣牡胤綄?duì)入射光不反射,而兩個(gè)刻痕之間的部分(刻痕的間距是d=0. 5mm,刻痕的寬度是0. 01mm)使光束產(chǎn)生反射。由于刻痕的間距與激光的波長(zhǎng)是可以比較的,光束反射的同時(shí)又發(fā)生衍射。當(dāng)兩束衍射光的相位相同時(shí),則會(huì)互相疊加而加強(qiáng),在光屏上形成亮斑;若相位相反時(shí),則形成暗

10、斑。如圖2所示,從光源的某一點(diǎn)A發(fā)出而在相鄰光滑面B,B反射的光到達(dá)屏上P點(diǎn)時(shí)所經(jīng)過的路程差(稱為光程差)為：ABP -ABP =BDDB=d(cos-cos) (1)當(dāng)恰好等于波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí),則這些衍射光的相位就相同,在P點(diǎn)疊加出現(xiàn)亮斑。而在=0,即=處,形成的就是S0處所對(duì)應(yīng)的亮斑。在S1,S2,S3,S4,S5處,對(duì)應(yīng)的各為,2,3。因此,由(1)式可知d(cos-cos1) = (2 )d(cos-cos2) =2 (3 )d(cos-cos3) =3 (4 )其中d=0.5 mm是已知的。所以,只要測(cè)出以上式中的,1,2,3,就可以計(jì)算出波長(zhǎng)的值。實(shí)驗(yàn)中,使鋼尺與光屏垂直,則tan=

11、hL (5)由式（1）（2）（3）（4）（5）得： (6)其中,L是尺端到光屏的距離(2 m左右),h是各亮斑到O的距離,而O位于S0點(diǎn)和S0點(diǎn)的中心。量出各亮斑到O點(diǎn)的距離,即可求得各值。而對(duì)于亮斑S0的就是。因此只要測(cè)量出中央亮斑到O點(diǎn)的距離h以及激光的照射中心到墻面的距離L，即可測(cè)量處激光的波長(zhǎng)。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟：（1）測(cè)量時(shí),把鋼尺放在表面水平且抗震性較好的實(shí)驗(yàn)臺(tái)上,末端漏出臺(tái)面12 cm。在尺端前方放置一與鋼尺平面垂直的光屏,為了描繪干涉亮斑可在光屏上粘貼一張硬白紙。（2）打開半導(dǎo)體激光器光源開關(guān),讓出射激光束掠射鋼尺有刻痕的地方。調(diào)節(jié)激光器的入射角,直到光屏上出現(xiàn)一系列的亮斑為止

12、。固定好激光器,用鉛筆記錄亮斑所在位置(包括S0和S0點(diǎn))。標(biāo)上坐標(biāo)值，并測(cè)量光屏與尺未端的距離L。（3）記錄下各亮級(jí)到O點(diǎn)的距離，代入公式求得波長(zhǎng),并計(jì)算不確定度。五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：由記錄數(shù)據(jù)的紙條可測(cè)出：，,六、數(shù)據(jù)處理：（1）計(jì)算激光的波長(zhǎng)：把數(shù)據(jù)代入公式（6），可算出：，（2）計(jì)算不確定度：取h=，卷尺的儀器誤差 ，鋼尺的儀器誤差 ， ,則由間接測(cè)量不確定度傳遞公式可算得激光波長(zhǎng)的不確定度：=相對(duì)不確定度為=0.1%七、實(shí)驗(yàn)表達(dá)式：激光的波長(zhǎng) =(635.40.6)nm =0.1%八、實(shí)驗(yàn)心得體會(huì)：大學(xué)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，是提出任務(wù) 、要求和闡述應(yīng)用背景，而如何解決問題，包括解決問題的原理、方法和所用儀器等由同學(xué)自行提出并實(shí)踐。 這樣的課程可以鍛煉我們自主動(dòng)手的能力，在自己設(shè)計(jì)和研究的實(shí)驗(yàn)中有所發(fā)現(xiàn)，有所收獲。這次我們的實(shí)驗(yàn)是用鋼板尺測(cè)量激光波長(zhǎng)，這個(gè)實(shí)驗(yàn)所用的儀器比較簡(jiǎn)單，操作也不復(fù)雜。但是之前并沒有接觸過類似的實(shí)驗(yàn)，對(duì)此毫無經(jīng)驗(yàn)讓我感到頭疼。不過這是設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，就是要我們?nèi)ソ鉀Q這些問題的。因此，為完成實(shí)驗(yàn)，我在網(wǎng)上查找