實驗4.2 5.3 用電流場模擬靜電場、光的等厚干涉

光的等厚干涉測量

授課教師:周曉明

Email：zhouxm@

注意按編號對號入座。組長拿一份名單給指導(dǎo)老師。實驗儀器已處于比較好的狀態(tài)。在指導(dǎo)老師講解之前不要亂動儀器。一、實驗?zāi)康挠^察光的等厚干涉現(xiàn)象.學(xué)習(xí)用牛頓環(huán)測量球面曲率半徑.學(xué)會熟練使用讀數(shù)顯微鏡.

光的干涉基本知識

1.光的干涉

兩列相干光源在疊加區(qū)域內(nèi)，某些點的光振動始終加強(qiáng)，某些點的光振動始終減弱，光強(qiáng)有穩(wěn)定的空間分布。2.相干光的條件（1）頻率相同；（2）位相差恒定；（3）振動方向相同。

二、實驗原理1.相干光源

當(dāng)光源照到一塊由透明介質(zhì)做的薄膜上時，光在薄膜的上表面被分割成反射和折射兩束光（分振幅），折射光在薄膜的下表面反射后，又經(jīng)上表面折射，最后回到原來的媒質(zhì)中，在這里與反射光交迭，發(fā)生相干。

2.等厚干涉

薄膜厚度相同處的兩束反射光有相同的光程差，也就具有相同的干涉光強(qiáng)度,產(chǎn)生同一級的干涉條紋，厚度不同處產(chǎn)生不同級的干涉條紋。這種干涉稱為等厚干涉。n1nA反射光2反射光1入射光n1e牛頓環(huán)儀

牛頓環(huán)儀：由一個曲率半徑很大的平凸透鏡的凸面與一個平面玻璃接觸在一起構(gòu)成，在兩者之間形成一個厚度隨直徑變化的空氣隙。平凸透鏡的凸面與玻璃片之間的空氣層厚度從中心接觸點到邊緣逐漸增加。干涉條紋

當(dāng)用平行單色光垂直照射到牛頓環(huán)儀上時，一部分光線在空氣層的上表面反射，一部分光線在空氣層的下表面反射，這兩部分光有光程差，它們在平凸透鏡的凸面附近相遇而發(fā)生干涉。e12空氣薄膜厚度相同處光程差相同，也就具有相同的干涉光強(qiáng)度，所以空氣隙的等厚干涉條紋是一組明暗相間的同心環(huán)。該干涉條紋最早被牛頓發(fā)現(xiàn)，所以稱為牛頓環(huán)（Newton-ring）。它屬于等厚干涉條紋。曲率半徑表達(dá)式

空氣薄膜厚度為e處干涉圓環(huán)對應(yīng)的兩束相干光（1、2）的光程差為：明條紋暗條紋由幾何關(guān)系可得出12曲率半徑表達(dá)式利用暗環(huán)進(jìn)行測量，測出第m級和n級暗環(huán)直徑，算出曲率半徑。上式只涉及兩環(huán)級數(shù)之差，而不決定于級數(shù)本身，從而消除了因級數(shù)不準(zhǔn)而帶來的誤差。用明環(huán)討論也有同樣的結(jié)果。三、實驗儀器調(diào)焦手輪反射鏡讀數(shù)顯微鏡鈉光燈，波長為589.30nm反光鏡目鏡物鏡讀數(shù)顯微鏡的讀數(shù)方法主尺的分度值為1mm，測微鼓輪共有100個刻度，其分度值為0.01mm，可估讀到0.001mm。

主尺測微鼓輪15mm0.506mm最后讀數(shù)為：15.506mm四、實驗內(nèi)容與方法1.調(diào)節(jié)目鏡使十字叉絲清晰2.調(diào)節(jié)45度反射鏡3.由下向上緩慢地調(diào)焦4.定性觀察,防止一側(cè)觀察不到干涉條紋5.定量測量,注意鼓輪單方向轉(zhuǎn)動.測量圖示測量條紋直經(jīng)的方法：測量圖示測量第19～30暗環(huán)的直徑。為避免測微螺桿間隙所引起的空回誤差，測量時必須使顯微鏡從左到右（或從右到左）作單方向移動。暗環(huán)的直徑Di五、數(shù)據(jù)處理

1.列出原始數(shù)據(jù)和中間計算數(shù)據(jù)表格。2.用逐差法處理數(shù)據(jù)，并根據(jù)如下公式求出球面的曲率半經(jīng)。3.計算的不確定度，并給出結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)表達(dá)式。六、注意事項

1.干涉環(huán)兩側(cè)的序數(shù)不要數(shù)錯。

2.防止實驗裝置受震引起干涉環(huán)的變化。

4.平凸透鏡及平板玻璃的表面加工不均勻是本實驗的重要誤差來源，為此應(yīng)測量大小不等的多個干涉環(huán)的直徑去計算R，可得平均的效果。3.測量過程中，顯微鏡必須始終沿一個方向旋轉(zhuǎn)，中途不得返回，以免引起顯微鏡的螺紋之間不嚴(yán)密契合所造成的回程誤差。用電流場模擬靜電場一、實驗?zāi)康牧私饽M法的基本原理.學(xué)習(xí)用電流場模擬靜電場的概念和方法.二、實驗原理模擬法:借助一種物理場的分布來間接地了解另一種物理場的分布的實驗方法.直接測量靜電場遇到很大困難，主要困難在于把探針伸入靜電場時，探針上會產(chǎn)生感應(yīng)電荷，使原電場產(chǎn)生顯著的畸變。故實驗時常用模擬方法來測量。物理實驗的基本方法:比較法、補(bǔ)償法、能量轉(zhuǎn)換法、模擬法等。+-被模擬的靜電場的分布(目的)

兩根圓形長平行導(dǎo)線AB各帶等量異號電荷，電位分別為U1和-U1，由于對稱性，靜電場中存在著水平并與導(dǎo)線垂直的電力線，右圖為其靜電場及等勢線的分布(截面圖).電流場的分布平行輸電線的模擬電極和橫截面上的電場分布。

靜電場

穩(wěn)恒電流場模擬條件：各向同性電介質(zhì)的靜電場方程各向同性導(dǎo)電介質(zhì)的電流場方程1、描述兩個場的物理量滿足相同形式的微分方程；2、被研究區(qū)域的邊界條件相同；

由此可見E和i在各自區(qū)域中滿足同樣的數(shù)學(xué)規(guī)律。在相同邊界條件下，具有相同的解析解。因此，我們可以用穩(wěn)恒電流場來模擬靜電場。在模擬的條件上，要保證電極形狀一定，電極電位不變，空間介質(zhì)均勻，在任何一個考查點，均應(yīng)有U靜電=U穩(wěn)恒或E靜電=E穩(wěn)恒。靜電場的描繪方法主要是電場強(qiáng)度與電勢兩物理量來描述.考慮到E是矢量，U是標(biāo)量，從實驗測量來講，測定電勢(用電壓表)比測定場強(qiáng)容易實現(xiàn)，所以可先測繪等勢線。由等勢線畫出電場線（根據(jù)電場線與等勢線正交原理）。這樣就可由等勢線的間距及電場線的疏密和指向，將抽象的電場形象地反映出來。實驗儀器(電流場測試儀)

本實驗所用儀器的接線原理圖如右所示:

在矩形框內(nèi)有兩個電極,電極(A)接直流電源的正極,而電極(B)則接電源負(fù)極。通過改變探針的位置,數(shù)字電壓表顯示不同點的電位數(shù)值.實驗儀器儀器使用說明打開電源，將“直接、檢零”開關(guān)撥向“檢零”，將“校正、測量”開關(guān)撥向“校正”，調(diào)節(jié)“設(shè)定調(diào)節(jié)”旋鈕，使電壓指示為0.00V。再將“直接、檢零”開關(guān)撥向“直接”，將“校正、測量”開關(guān)撥向“校正”，調(diào)節(jié)“電壓調(diào)節(jié)”旋鈕，使電壓指示為10.00V?！爸苯印z零”開關(guān)撥向“直接”，將“校正、測量”開關(guān)撥向“測量”，可以開始進(jìn)行探電壓測量。實驗內(nèi)容模擬帶等量異號電荷平行長圓柱體的電場.

將電壓U0調(diào)到10V，將記錄紙鋪在上層塑料薄膜平板上，用探針在導(dǎo)電微晶上找到等勢點后，按一下記錄紙上方的探針，測出一系列等勢點。要求測7個等勢線，每個等勢線上打5～7個點，畫出等勢線。數(shù)據(jù)處理

繪制等勢線和電場線。根據(jù)實驗測繪等勢線結(jié)果分別繪出各電場的各條等勢線，并由電場線與等勢線的關(guān)系畫出電場線。連接紙上A、B兩極點，求出直線與等勢面交點間的電場強(qiáng)度（Ｅ＝Ｕ／d）。在同一等勢線上選擇三個點，測出等勢線的點與電極

A、B的距離，求出r1/r2的數(shù)值。ABr1r2注意事項作完實驗后請將記錄的原始數(shù)據(jù)和預(yù)習(xí)報告一起拿給老師簽名。離開實驗室時請關(guān)儀器電源并整理好自己的儀