共振演示仪实验报告Word格式文档下载.docx

共振演示仪实验报告Word格式文档下载.docx

《共振演示仪实验报告Word格式文档下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《共振演示仪实验报告Word格式文档下载.docx（7页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

　　【实验步骤】

　　1、自由振荡—摆轮振幅θ与系统固有周期T。

的对应值的测量。

　　选择自由振荡，用手转动160°

左右，使测量状态变为“开”。

开始记录数据，振幅的有限数值范围为50°

~160°

选中回查，查看所有的数据。

回查完毕，按确认键。

运用此法可作出θ与T。

的对应表，如图表3-1所示。

　　2、测定阻尼示数β。

　　选择阻尼振荡，按确认键显示。

阻尼分三个挡次，阻尼1最小，根据实验选择阻尼挡。

这里选择阻尼1，按确认键显示。

首先将角度盘指针g放在0°

位置，用手转动摆轮160°

左右，选取θ。

在150°

左右，按下对应键，将测量关系变为“开”并记录数据，仪器记录10组数据后自动关闭。

实验数据记录如图表3-2。

从液显窗口读出摆轮作阻尼振动时的振幅数值θ1、θ2、θ3?

?

θn，利用公式求出β值。

式中n为阻尼振动的周期次数，θn为第n次振动时的振幅，T为阻尼振动周期的平均值。

此值可以测出10个摆轮振动周期值，然而取其平均值。

　　3、测定受迫振动的幅度特性和相频特性曲线。

　　选中强迫振荡，按键确认，选中电动机。

按对应键让电动机起动。

此时保持周期为1，待摆轮和电动机的周期相同，特别是振幅已稳定，变化不大于1，表明两者已经稳定了，方可开始测量。

实验数据记录如图表3-3。

在进行强迫前必须进行阻尼振荡，否则无法实验。

Jd2?

2?

k?

bd?

m0cos?

tdt

　　【实验数据处理】

　　表3-1振幅θ与T0关系

　　表3-2阻尼档位

　　2

　　表3-3幅频特性和相频特性数据记录表阻尼档位2

　　篇二：

磁共振实验报告

　　近

　　代物理实题目学院数理与信息工程学院班级学号姓名同组实验者指导教师

　　验

　　光磁共振实验报告

　　【摘要】本次实验在了解如光抽运原理，弛豫过程、塞曼分裂等基本知识点的基础上，合理进行操作，从而观察到光抽运信号，并顺利测量g因子。

　　【关键词】光磁共振光抽运效应塞曼能级分裂超精细结构

　　【引言】光磁共振实际上是使原子、分子的光学频率的共振与射频或微波频率的磁共振同时发生的一种双共振现象。

这种方法是卡斯特勒在巴黎提出并实现的。

由于这种方法最早实现了粒子数反转，成了发明激光器的先导，所以卡斯特勒被人们誉为“激光之父”。

光磁共振方法现已发展成为研究原子物理的一种重要的实验方法。

它大大地丰富了我们对原子能级精细结构和超精细结构、能级寿命、塞曼分裂和斯塔克分裂、原子磁矩和g因子、原子与原子间以及原子与其它物质间相互作用的了解。

利用光磁共振原理可以制成测量微弱磁场的磁强计，也可以制成高稳定度的原子频标。

　　【正文】

　　一、基本知识

　　1、铷原子基态和最低激发态能级结构及塞曼分裂

　　本实验的研究对象为铷原子，天然铷有两种同位素；

85Rb（占72．15%）和87Rb（占27．85%）．选用天然铷作样品，既可避免使用昂贵的单一同位素，又可在一个样品上观察到两种原子的超精细结构塞曼子能级跃迁的磁共振信号．铷原子基态和最低激发态的能级结构如图1所示．在磁场中，铷原子的超精细结构能级产生塞曼分裂．标定这些分裂能级的磁量子数mF=F，F－1，?

，－F，因而一个超精细能级分裂为2F＋1个塞曼子能级．设原子的总角动量所对应的原子总磁矩为μF，μF与外磁场b0相互作用的能量为e＝－μF·

b0＝gFmFμFb0

（1）

　　这正是超精细塞曼子能级的能量．式中玻尔磁子μb＝9．2741×

10－24J·

T－1，朗德因子gF=gJ[F（F+1）+J（J+1）－I（I＋1）]?

2F（F＋1）（2

　　）

　　图1

　　其中gJ=1+[J（J+1）－L（L+1）+s（s＋1）]?

2J（J＋1）（3）

　　上面两个式子是由量子理论导出的，把相应的量子数代入很容易求得具体数值．由式

（1）可知，相邻塞曼子能级之间的能量差

　　Δe＝gFμbb0（4）

　　式中Δe　　

与b0成正比关系，在弱磁场b0＝0，则塞曼子能级简并为超精细结构能级．

　　2、光抽运效应

　　在热平衡状态下，各能级的粒子数遵从玻耳兹曼分布，其分布规律由式

（2）表示．由于超精细塞曼子能级间的能量差Δe很小，可近似地认为这些子能级上的粒子数是相等的．这就很不利于观测这些子能级之间的磁共振现象．为此，卡斯特勒提出光抽运方法，即用圆偏振光激发原子．使原子能级的粒子数分布产生重大改变．

　　由于光波中磁场对电子的作用远小于电场对电子的作用，故光对原子的激发，可看作是光波的电场分布起作用．设偏振光的传播方向跟产生塞曼分裂的磁场b0的方向相同，则

　　﹢左旋圆偏振的σ光的电场e绕光传播方向作右手螺旋转动，其角动量为?

；

右旋圆偏振的

　　σ－光的电场e绕光传播方向作左手螺旋转动，其角动量为－?

线偏振的π光可看作两个旋转方向相反的圆偏振光的叠加，其角动量为零．

　　现在以铷灯作光源．由图1可见，铷原子由52p1?

2→52s1?

2的跃迁产生D1线，波长为0.7948μm；

由52p3?

2的跃迁产生D2线，波长为0.7800μm．这两条谱线在铷灯光谱中特别强，用它们去激发铷原子时，铷原子将会吸收它们的能量而引起相反方向的跃迁过程．然而，频率一定而角动量不同的光所引起的塞曼子能级的跃迁是不同的，由理论推导可得跃迁的选择定则为

　　ΔL＝±

1，ΔF＝0，±

1，ΔmF＝±

1（5）

　　图2

　　＋所以，当入射光为D1σ光，作用87Rb时，由于87Rb的52s1?

2态和52p1?

2态的磁量子

　　﹢﹢数mF的最大值均为±

2，而σ光角动量为?

只能引起ΔmF＝＋1的跃迁，故D1σ光只能

　　把基态中除mF＝＋2以外各子能级上的原子激发到52p1?

2的相应子能级上，如图2（a）所示．图2（b）表示跃迁到52p1/2上的原子经过大约10－8s后，通过自发辐射以及无辐射跃迁两种过程，以相等概率回到基态52s1?

2各个子能级上．这样，经过多次循环之后，基态mF＝＋2子能级上的粒子数就会大大增加，即基态其他能级上大量的粒子被“抽运”到基态mF＝＋2子能级上．这就是光抽运效应．

　　－同理，如果用D1σ光照射，则大量粒子将被“抽运”到mF＝－2子能级上．但是，π

　　光照射是不可能发生光抽运效应的．

　　＋对于铷85Rb，若用D1σ光照射，粒子将会“抽运”到mF＝＋3子能级上．

　　3、弛豫过程

　　光抽运使得原子系统能级分布偏极化而处于非平衡状态时，将全通过弛缘过程回复到热平衡分布状态．弛豫过程的机制比较复杂，但在光抽运的情况下，铷原子与容器壁碰撞是失去偏极化的主要原因．通常在铷样品泡内充入氮、氖等作为缓冲气体，其密度比样品泡中铷蒸气的原子密度约大6个数量级，可大大减少铷原子与容器壁碰撞的机会．缓冲气体的分子磁矩非常小，可认为它们与铷原子碰撞时不影响这些原子在磁能级上的分布，从而能保持铷原子系统有较高的偏极化程度．但缓冲气体不可能使铷原子能级之间的跃迁完全被抑制，故光抽运也就不可能把基态上的原子全部“抽运”到特定的子能级上．由实验得知．样品泡中充入缓冲气体后，弛豫时间为10－2s数量级．在一般情况下，光抽运造成塞曼子能级之间的粒子差数，比玻耳兹曼分布造成的差数大几个数量级．

　　4、磁共振与光检测

　　式（4）给出了铷原子在弱磁场b0作用下相邻塞曼子能级的能量差．要实现这些子能级的共振跃迁，还必须在垂直于恒定磁场b0的方向上施加一射频场b1作用于样品．当射频场的频率ν满足共振条件

　　hν＝Δe＝gFμbb0．（6）

　　＋时，便发生基态超精细塞曼子能级之间的共振跃迁现象．若作用在样品上的是D1σ光，对

　　于87Rb来说．是由mF＝＋2跃迁到mF＝＋1子能级．接着也相继有mF＝＋1的原子跃迁到mF＝0，?

．与此同时，光抽运又把基态中非mF＝＋2的原子抽运引mF＝＋2子能级上．因此，兴振跃迁与光抽运将会达到一个新的动态平衡．发生磁共振时，处于基态mF＝＋2子能级上的原子数小于未发生磁共振时的原子数．也就是说，发生磁共振时．能级分布

　　＋＋布的偏极化程度降低了，从而必然会增大对D1σ光的吸收。

作用在样品上的D1σ光，一

　　方面起抽运作用．另一方面可用透过样品的光作为检测光，即一束光起了抽运和检测两重作用。

　　对磁共振信号进行光检测可大大提高检测的灵敏度．本来塞曼子能级的磁共振信号非常微弱，特别是密度很低的气体样品的信号就更加微弱，直接观察射频共振信号是很困难

　　＋的．光检测充分利用磁共振时伴随着D1σ光强的变化，可巧妙地将一个频率较低的射频量

　　子（1～10mhz）转换成一个频率很高的光频量子（约108mhz）的变化，使观察信号的功率提高了7～8个数量级．这样，气体样品的微弱磁共振信号的观测，便可用很简便的光检测方法来实现。

　　二、实验仪器

　　由主体单元（铷光谱灯、准直透镜、吸收池、聚光镜、光电探测器及亥姆霍兹线圈）、电源、辅助源、射频信号发生器、示波器组成。

　　三、实验设计步骤

　　1．仪器的调节

（1）在装置加电之前,先进行主体单元光路的机械调整。

再用指南针确定地磁场方向，主体

　　装置的光轴要与地磁场水平方向相平行。

用指南针确定水平场线圈、竖直场线圈及扫场线圈产生的各磁场方向与地磁场水平和垂直方向的关系，并作详细记录。

（2）将“垂直场”、“水平场”、“扫场幅度”旋钮调至最小，按下辅助源的池温开关，接通电

　　源开关。

开射频信号发生器、示波器电源。

电源接通约三十分钟后，铷光谱灯点燃并发出紫红色光，池温灯亮，吸收池正常工作，实验装置进入工作状态。

　　（3）主体装置的光学元件应调成等高共轴。

　　调整准直透镜以得到较好的平行光束，通过铷样品泡并射到聚光透镜上。

铷灯因不是点光源，不能得到一个完全平行的光束，但仔细调节，在通过聚光透镜即可使铷灯到光电池上的总光量为最大，便可得到良好的信号。

　　（4）调节偏振片及1/4波片，使1/4波片的光轴与偏振光偏振方向的夹角为π/4以获得圆偏

　　振光。

　　2．光抽运信号的观察

　　扫场方式选择“方波”，调大扫场幅度。

再将指南针置于吸收池上边，设置扫场方向与地磁场方向相反，然后拿开指南针。

预置垂直场电流为0.07A左右。

用来抵消地磁场分量。

然后旋转偏振片的角度、调节扫场幅度及垂直场大小和方向，使光抽运信号幅度最大。

再仔细调节光路聚焦，使光抽运信号幅度最大。

　　光抽运信号波形

　　扫场波形

　　图1（扫场波形中要加电场为零的纵轴线）

　　铷样品泡开始加上方波扫场的一瞬间，基态中各塞曼子能级上的粒子数接近热平衡，即各子能级上的粒子数大致相等。

因此这一瞬间有总粒子数7/8的粒子在吸收D1σ光，对光的吸收最强。

随着粒子逐渐被抽运到mF=+2子能级上，能吸收σ的光粒子数减少，透过铷样品泡的光逐渐增强。

当抽运到mF=+2子能级上的粒子数达到饱和时，透过铷样品泡的光达到最大且不再变化。

当磁场扫过零（指水平方向的总磁场为零）然后反向时，各塞曼子能级跟随着发生简并随即再分裂。

能级简并时铷的子分布由于碰撞等导致自旋方向混杂而失去了偏极化，所以重新分裂后各塞曼子能级上的粒子数又近似相等，对D1σ光的吸收又达到最大值，这样就观察到了光抽运信号，如图1

　　＋＋+

　　篇三：

学物理演示实验报告

　　学物理演示实验报告--避雷针

　　一、演示目的气体放电存在多种形式，如电晕放电、电弧放电和火花放电等，通过此演示实验观察火花放电的发生过程及条件。

二、原理首先让尖端电极和球型电极与平板电极的距离相等。

尖端电极放电，而球型电极未放电。

这是由于电荷在导体上的分布与导体的曲率半径有关。

导体上曲率半径越小的地方电荷积聚越多（尖端电极处），两极之间的电场越强，空气层被击穿。

反之越少（球型电极处），两极之间的电场越弱，空气层未被击穿。

当尖端电极与平板电极之间的距离大于球型电极与平板电极之间的距离时，其间的电场较弱，不能击穿空气层。

而此时球型电极与平板电极之间的距离最近，放电只能在此处发生。

三、装置一个尖端电极和一个球型电极及平板电极。

四、现象演示让尖端电极和球型电极与平板电极的距离相等。

接着让尖端电极与平板电极之间的实验六十五跳环式楞次定律

　　利用通电线圈及线圈内的铁芯所产生的变化磁场与铝环的相互作用，演示楞次定律。

　　【实验器材】

　　楞次定律演示仪，铝环（3个）。

如图65-1所示。

　　开口环闭合环底座

　　带孔环

　　图65-1

　　当线圈通有电流时，在铁芯中产生交变磁场，穿过闭合的铝环中的磁通量发生变化。

根据楞次定律，套在铁芯中的铝环将产生感生电流，感生电流的方向与线圈中的电流方向相反。

因此与原线圈相斥，相斥的电磁力使得铝环上跳。

　　【实验操作与现象】

　　1．闭合铝环的演示

　　打开演示仪电源开关，将闭合铝环套入铁棒内按动操作开关。

当操作开关接通时，则闭合铝环高高跳起，保持操作开关接通状态不变，闭合铝环则保持一定高度，悬在铁棒中央。

断开操作开关时，闭合铝环落下。

　　2．带孔铝环的演示

　　把闭合铝环取下，将带孔的铝环套入铁棒内按动操作开关。

当操作开关接通时，则带孔的铝环也向上跳起，但跳起的高度没有闭合铝环高。

保持操作开关接通状态不变，带孔的铝环也保持一定高度，悬在铁棒中央某一位置，但还是没有闭合铝环悬的高。

断开操作开关时，带孔的铝环落下。

这是由于带孔的铝环产生的感生电流没有闭合铝环大，所以带孔的铝环没有闭合铝环跳的高。

　　3．开口铝环的演示

　　把带孔的铝环取下，将开口铝环套入铁棒内按动操作开关。

当操作开关接通时，开口铝环静止不动。

这是由于开口铝环没有形成闭合回路，无感生电流，没有受到电磁力的作用，故静止不动。

　　4．演示完毕后，关闭楞次定律演示仪电源。

　　【注意事项】

　　不要长时间按动操作开关，以免使线圈过热而损坏。

　　阻尼摆与非阻尼摆

　　演示涡电流的机械效应。

　　阻尼摆与非阻尼摆演示仪，如图66-1所示。

其中①直流电源接线柱；

②矩形磁轭，作用是当线圈中通有直流电源时，可在磁轭两极缝隙中间产生很强的磁场；

③支撑架；

④摆架；

⑤非阻尼摆；

⑥横梁；

⑦阻尼摆；

⑧线圈；

⑨底座。

直流稳压电源。

　　处在交变电磁场中的金属块，由于受变化电磁场产生的感生电动势作用，将在金属块内引起涡旋状的感生电流，把这种电流称为涡电流。

　　在图66-1所示的实验装置中，但金属摆在两磁极间摆动时，由于受切割磁力线运动产生的动生电动势的作用，也将在金属摆内出现涡电流。

　　根据安培定律，当金属摆进入磁场时，磁场对环状电流的上、下两段的作用力之和为零；

对环状电流的左、右两段的作用力的合力起阻碍金属摆块摆进的作用。

当金属块摆出磁场时，磁场对环状电流的左、右两段的作用力的合力则起阻碍金属摆块摆出的作用。

因此，金属摆总是受到一个阻尼力的作用，就像在某种粘滞介质中摆动一样，很快地停止下来，这种阻尼起源于电磁感应，故称电磁阻尼。

　　若将图66-1中的金属摆制成有许多隔槽的，使得涡流大为减小，从而对金属摆的阻尼作用变的不明显，金属摆在两磁极间要摆动较长时间才会停止下来。

　　电磁阻尼摆在各种仪表中被广泛应用，电气机车和电车中的电磁制动器就是根据此原理而制造的。

　　图66-1

　　1．把稳压电源输出的正负极连接到阻尼摆与非阻尼摆演示仪的直流电源接线柱，阻尼摆按图66-1所示接好。

　　2．打开稳压电源电源开关，先不要打开稳压电源的“输出”开关，即不通励磁电流，让阻尼摆在两极间作自由摆动，可观察到阻尼摆经过相当长的时间才停止下来（不考虑阻力）。

　　3．再打开稳压电源的“输出”开关，电压指示为28伏，此时在磁轭两极间产生很强的磁场。

当阻尼摆在两极间前后摆动时，阻尼摆会迅速停止下来，说明了两极间有很强的磁阻尼。

解释现象。

　　4．将带有间隙的类似梳子的非阻尼摆代替阻尼摆作上述2和3的实验，可以观察到不论通电与否，其摆动都要经过较长的时间才停止下来。

为什么？

　　1．操作前应把矩形磁轭和支撑架调整到位，确保摆动顺畅。

　　2．注意不要长时间通电，以免烧坏线圈。