近代物理三个实验(理论物理基础a)

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1、实验一光速的测量对作为最基本的物理量之一的光速进行精确测定，能证实光的电磁本性。从17世纪伽利略第一次尝试测量光速以来，各个时期人们都采用最先进的技术来测量光速。由于光速的数值很大，所以早期的测量都是用天文学的方法。由于测量仪器的精度限制，其精度不高。而19世纪50年代以后，对光速的测量都采用测量光波波长和它的频率。由得出光的传播速度。到了20世纪60年代，随着激光作为一种高稳定的崭新光源的出现，使光速测量精度得到很大的提高。目前公认的光速度为（299、792、458±1.2）。【实验目的】1．理解光拍频的概念，从

2、而确定光速测定的原理；2．掌握光拍法测光速的实验方法和技术。【仪器设备】1．LM2000C光速测定仪２．示波器３．频率计【实验原理】1．光拍的产生和传播：根据振动迭加原理，频差较小、速度相同的二同向传播的简谐波相迭加即形成拍。考虑频率分别为和（频差较小）的光束(为简化讨论，我们假定它们具有相同的振幅)：它们的迭加（1）是角频率为，振幅为的前进波。注意到的振幅以频率周期地变化，所以我们称它为拍频波，就是拍频，如图1所示：E1+E2图六图1光拍频的形成我们用光电检测器接收这个拍频波。因为光检测器的光敏面上光照反应所产生

3、的光电流系光强（即电场强度的平方）所引起，故光电流为（2）g为接收器的光电转换常数。把（l）代入（2），同时注意：由于光频甚高（），光敏面来不及反映频率如此之高的光强变化，迄今仅能反映频率左右的光强变化，并产生光电流；将对时间积分，并取对光检测器的响应时间的平均值。结果，积分中高频项为零，只留下常数项和缓变项。即：（3）其中是与相应的角频率，为初相。可见光检测器输出的光电流包含有直流和光拍信号两种成分。滤去直流成分，即得频率为拍频，位相与初相和空间位置有关的输出光拍信号。图2是光拍信号在某一时刻的空间分布，如果接收

4、电路将直流成分滤掉，即得纯粹的拍频信号在空间的分布。这就是说处在不同空间位置的光检测器，在同一时刻有不同位相的光电流输出。这就提示我们可以用比较相位的方法间接地决定光速。事实上，由（3）可知，光拍频的同位相诸点有如下关系：或（4）n为整数，两相邻同相点的距离即相当于拍频波的波长。测定了和光拍频，即可确定光速。i。图2光拍的空间分布gx02．相拍二光束的获得光拍频波要求相拍二束具有一定的频差。使激光束产生固定频移的办法很多。一种最常用的办法是使超声与光波互相作用。超声（弹性波）在介质中传播，引起介质光折射率发生周期性

5、变化，就成为一位相光栅。这就使入射的激光束发生了与声频有关的频移。利用声光相互作用产生频移的方法有二：一是行波法，在声光介质与声源（压电换能器）相对的端面上敷以吸声材料，防止声反射，以保证只有声行波通过，如图3所示。互相作用的结果，激光束产生对称多级衍射。第级衍射光的角频率为。其中为入射光的角频率，为声角频率，衍射级······，如其中级行射光频为，衍射角为，和分别为介质中的光和声波长。通过仔细的光路调节，我们可使与零级二光束平行迭加，产生频差为的光拍频波。声反射面入射光3201132图4驻波法声行波入射光+3+2

6、0+1-1-3-2图3行波法另一种是驻波法，如图4所示。利用声波的反射，使介质中存在驻波声场（相应于介质传声的厚度为半声波长的整数倍的情况）。它也产生级对称衍射，而且衍射光比行波法时强得多（衍射效率高），第级的衍射光频为其中，……可见在同一级衍射光束内就含有许多不同频率的光波的迭加（当然强度不相同），因此用不到光路的调节就能获得拍频波。例如选取第一级，由和的两种频率成分迭加得到拍频为的拍频波。两种方法比较，显然驻波法有利，我们就作此选择。【注意事项】1．光频移器引线等不得随意拆卸，；2．忌用手或其它物体接触光学元件

7、的光学面，实验结束盖上防护罩；3．切勿带电触摸激光管电极；4．提高实验精度，防止假相移的产生。为了提高实验精度，除准确测量超声波频率和光程差外，还要注意对二束光位相的精确比较。如果实验中调试不当。可能会产生虚假的相移，结果影响实验精度。【内容与步骤】1、电路控制箱面板上的功率指示表头中，读数值乘以10就是毫瓦数（即满量程是1000）。2、调节电路控制箱面板上的“频率”和“功率”旋钮，使示波器上的图形清晰，稳定（频率大约在左右，功率指示一般在满量程的60%-100%）；3、调节声光器件平台的手调旋钮2，使激光器发出的

8、光束垂直射入声光器件晶体，产生Raman-Nath衍射（可用一白屏置于声光器件的光出射端以观察Raman-Nath衍射现象），这时应明确观察到0级光和左右两个（以上）强度对称的衍射光斑，然后调节手调旋钮1，使某个1级衍射光正好进入斩光器；4、内光路调节：调节光路上的平面反射镜，使内光程的光打在光电接收器入光孔的中心；5、外光路调节：在内光路调节完成的前提下，