cdr光盘轨道密度的测定.docx

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cdr光盘轨道密度的测定

评分：

大学物理实验设计性实验

实验报告

实验题目：

CD-R光盘轨道密度的测定

班级：

姓名：

学号：

指导教师：

广东石油化工学院大学物理实验

实验日期：

2010年11月25日

《CD-R光盘轨道密度的测定》实验提要

实验课题及任务：

《CD-R光盘轨道密度的测定》实验课题任务是，测量一张CD-R光盘的轨道密度。

方法提示：

一、平面反射光栅衍射法

（1）、用一张废旧的CD-R光盘制作一个平面反射光栅，规格尺寸约为10×20mm2，固定在光栅座上，根据光栅衍射原理，利用分光仪和光源（如汞灯、钠灯或激光器任选），参照《用透射光栅测定光波波长》实验，设计出实验方案。

（2）用一张废旧的CD-R光盘利用粘贴遮盖的方法制作一个平面反射光栅（制作时不用把光盘损坏，用黑纸把不需要的部分遮住即可），根据光源的已知光谱（如激光器光源），利用平面反射光栅反射光的衍射现象，在光屏上能得到衍射花样，分析衍射花样，找出规律，设计出实验方案（此法不用分光仪测量）。

二、平面透射光栅衍射法

（1）、用一张废旧的CD-R光盘制作一个平面透射光栅，规格尺寸约为10×20mm2，固定在光栅座上，根据透射光栅衍射原理，利用分光仪和光源（如汞灯、钠灯或激光器任选），参照《用透射光栅测定光波波长》实验，设计出实验方案。

（2）用一张废旧的CD-R光盘利用拨膜遮盖的方法制作一个D平面透射光栅（制作时不用剪切光盘），根据光源的已知光谱（如激光器光源），利用平面透射光栅的衍射现象，在光屏上能得到衍射花样，分析衍射花样，找出规律，设计出实验方案（此法不用分光仪测量）。

学生根据自己所学知识，设计出《CD-R光盘轨道密度的测定》的整体方案，内容包括：

（写出实验原理和理论计算公式；选择测量仪器；研究测量方法；写出实验内容和步骤。

）然后根据自己设计的方案，进行实验操作，记录数据，做好数据处理，得出实验结果。

按书写科学论文的要求写出完整的实验报告。

设计要求：

（1）、选择上述所列方法之一（也可以另选它法），自制一个与实验设计相应的光栅，通过在实验室观察光栅的衍射现象，绘制出光路图，通过对光路图的分析，找出光栅方程与光路图中的那些物理量（即待测量的物理量）有关，根据光栅方程和待测物理量的关系推导出计算公式，写出该实验的实验原理。

（注：

这一步是本实验的关键所在，得先到实验室观察实验现象，通过实验现象的观察，绘制出光路图，分析论证，找出规律，才能写出实验原理。

）

（2）、该实验有多种方法，可以根据上面的提示来设计，也可以根据自己的设想和方法来设计。

（3）、选择实验仪器，CD-R光盘自备、米尺（10m/0.005m、3m/0.001m、30cm/0.1cm）、光源（汞灯、钠灯、激光器）、分光计、光屏自制、也可以自制辅助器件等。

（4）、设计出实验方法和实验步骤，要具有可操作性。

（5）、测量时那些物理量可以测量一次，那些物理量必须得多次测量，说明原理。

（6）、实验结果用标准形式表达，即用不确定度来表征测量结果的可信赖程度。

实验仪器的选择及提示：

（1）、光栅：

选分光计作为测量仪器的实验设计，要制作一个规格尺寸约为10×20mm2的平面（反射、透射）光栅，固定在光栅座上，以备使用。

选用衍射光屏方法的实验，用一张废旧的CD-R光盘，稍加处理制作一个平面（反射、透射）光栅（制作时不用剪切光盘，但需要想办法固定，方便使用）。

（2）、米尺：

10m/0.005m、3m/0.001m、30cm/0.1cm任选。

（3）、光源：

钠灯、汞灯、激光器，任选。

（4）、分光计实验室提供。

（5）、可以自制实验器材，如条型光屏，自带胶带和光屏用纸，也可以借助现有实验室的条件。

实验所用公式及物理量符号提示：

（1）、光栅方程:

（k=0、1、2、3、……）

式中（其中为光栅缝宽，为相邻缝间不透明部分的宽度）为相邻狹缝之间的距离，称为光栅常数，为光波波长，为衍射光谱线的级次。

（2）、用表示谱线到0级谱线的距离，用表示光栅到0级谱线的垂直距离。

评分标准（10分）

（1）、通过观察实验现象，找出实验规律，画出光路图，1.5分；

（2）、正确的写出实验原理和计算公式，2分；

（3）、正确的选用仪器和测量方法，1分；

（4）、写出实验内容及步骤，2分；

（5）、制作实验器材和实验室条件的合理应用，1分；

（6）、写出完整的实验报告，2.5分；（其中实验数据处理，1分、实验结果，0.5分，整体结构，1分）

思考问题：

（1）、光栅与光屏之间的距离多远比较合适？

（2）、激光光源照射反射光栅的角度在什么范围内较合适？

（3）、改变光源和光栅的距离是否对衍射花样有影响？

（4）、如何确定0级谱线的位置？

（5）、光栅与光屏的距离测量，该实验应采用单次测量还是多次测量？

单次测量能否满足测量精度的要求？

学时分配：

实验验收，3学时，在实验室内完成；教师指导（开放实验室）和开题报告2学时；

参考文献：

参阅各实验书籍中的夫琅和菲衍射原理及光栅衍射原理。

《创造性物理演示实验》宣桂鑫江兴方编著华东师范大学出版社实验五十三CD光栅。

《基础物理实验》沈元华陆申龙主编高等教育出版社实验3-14《利用钢尺测量激光的波长》。

CD-R光盘轨道密度的测定实验方案

总体设计方案思路与说明：

CD-R光盘可看作一个简单的光栅,截取CD-R光盘的一部分，将它制作成的光栅，通过激光照射，测量第一明纹到中央明纹的距离x和光栅到光屏的距离y,利用公式求出光栅常数d,再利用光栅常数与轨道密度的关系，求出CD-R光盘轨道密。

实验目的：

1、了解光栅的分光作用和原理，加深对光的衍射概念的理解。

2、利用透射光栅可测定光栅常量。

3、研究光栅常数与光栅轨道密度之间的关系，测出CD-R光盘轨道密度。

实验原理：

光栅和棱镜一样，是重要的分光光学元件，已广泛应用在单色仪、摄谱仪等光学仪器中。

实际上，光栅就是一组数目极多的等宽、等距和平行排列的狭缝。

应用透射光工作的称为透射光栅，应用反射光工作的称为反射光栅。

图

（1）

如图

（1）所示：

激光源垂直射入光栅平面，光栅是在一个基板玻璃片上刻上一组等间距的平行刻痕而成；当入射到刻痕处的光由于散射不易透过，光只能从刻痕间的透明部分（也称狭缝）通过。

光栅可以看作一系列密集而又均匀排列的平行狭缝。

则相邻狭缝对应点之间的距离（光栅常数）

根据夫琅和费衍射理论知，亮条纹所对应的衍射角（即衍射光与光栅平面法线之间的夹角）应满足下列条件：

（1）

该式称为光栅方程。

式中d=a+b（其中a为缝宽，b为相邻狭缝之间不透明部分的宽度）为相邻狭缝之间的距离，称为光栅常数，为光波波长，K为光谱线的级次。

因为衍射亮条纹实际上是光源狭缝的衍射象，所以又称为光谱线，当k=0时衍射角=0时，各色光重叠在一起从而得到中央级亮条纹，称为零级谱线。

当k=±1，±2…时，将得到对称分立在零级条纹两侧的一级，二级…明纹。

由图

（1）中可以看出，x表示谱线到0级谱线的距离，y表示光栅到0级谱线的垂直距离。

当k=1时：

（2）

由

（1），

（2）式可得：

（3）

则1m内刻有1/d刻痕，所以该CD-R光盘的轨道密度为：

（4）

从而（5）

只要测量出x和y的值，根据式（5）便可以得出CD-R光盘的轨道密度。

已知激光的波长：

而x的值为一级正负明纹的的距离的的一半（如图所示），即：

图

（2）表示各点的位置及要测量的距离

（6）

Y的值为中央明纹到光栅的距离可直接测量出来。

原始数据记录：

实验日期

激光波长632.8；

钢尺的仪器误差：

0.1。

光栅到0级谱线的距离

时的坐标

时的坐标

1级光谱与0级光谱的距离

1

437.3

188.0

187.7

187.8

2

503.5

216.0

214.6

215.3

3

558.7

238.9

239.5

239.2

CD-R光盘轨道密度的测定实验报告

实验目的：

1、了解光栅的分光作用和原理，加深对光的衍射概念的理解。

2、利用透射光栅可测定光栅常量。

3、研究光栅常数与光栅轨道密度之间的关系，测出CD-R光盘轨道密度。

实验原理：

光栅和棱镜一样，是重要的分光光学元件，已广泛应用在单色仪、摄谱仪等光学仪器中。

实际上，光栅就是一组数目极多的等宽、等距和平行排列的狭缝。

应用透射光工作的称为透射光栅，应用反射光工作的称为反射光栅。

图

（1）

如图

（1）所示：

激光源垂直射入光栅平面，光栅是在一个基板玻璃片上刻上一组等间距的平行刻痕而成；当入射到刻痕处的光由于散射不易透过，光只能从刻痕间的透明部分（也称狭缝）通过。

光栅可以看作一系列密集而又均匀排列的平行狭缝。

则相邻狭缝对应点之间的距离（光栅常数）

根据夫琅和费衍射理论知，亮条纹所对应的衍射角（即衍射光与光栅平面法线之间的夹角）应满足下列条件：

（1）

该式称为光栅方程。

式中d=a+b（其中a为缝宽，b为相邻狭缝之间不透明部分的宽度）为相邻狭缝之间的距离，称为光栅常数，为光波波长，K为光谱线的级次。

因为衍射亮条纹实际上是光源狭缝的衍射象，所以又称为光谱线，当k=0时衍射角=0时，各色光重叠在一起从而得到中央级亮条纹，称为零级谱线。

当k=±1，±2…时，将得到对称分立在零级条纹两侧的一级，二级…明纹。

由图

（1）中可以看出，x表示谱线到0级谱线的距离，y表示光栅到0级谱线的垂直距离。

当k=1时：

（2）

由

（1），

（2）式可得：

（3）

则1m内刻有1/d刻痕，所以该CD-R光盘的轨道密度为：

（4）

从而（5）

只要测量出x和y的值，根据式（5）便可以得出CD-R光盘的轨道密度。

已知激光的波长：

而x的值为一级正负明纹的的距离的的一半（如图所示），即：

图

（2）表示各点的位置及要测量的距离

（6）

Y的值为中央明纹到光栅的距离可直接测量出来。

实验仪器：

规格尺寸为10×20mm2的CD-R光盘制作的光栅、激光器、纸带、钢尺等。

实验内容与步骤：

1、用一个废旧的CD光盘做成一个10×20mm2的光栅。

2、调节光栅面和光屏，使其与激光器的光轴垂直。

3、将光栅固定后，用激光照射光栅，使之发生衍射，找出零级中央明纹（S0）和第一级负明纹和正明纹，用纸带记录下位置然后测出数据。

4、重复步骤3，前后移动光栅的位置，测量3次，把数据记录于下表中。

5、利用上述公式求出CD-R光盘的轨道密度。

6、求出轨道密度的平均值，利用间接测量的方法公式求出不确定度，并写出最后结果正确表达式。

7、实验完成后整理实验仪器，然后进行数据处理。

实验数据表格：

激光波长=632.8nm；　　　钢直尺的仪器误差：

0.1mm

光栅到0级谱线的距离

k=-1时的坐标

时的坐标

1级光谱与0级光谱的距离

1

437.3

188.0

187.7

187.8

2

503.5

216.0

214.6

215.3

3

558.7

238.9

239.5

239.2

数据处理：

k=±1级光谱到0级光谱的距离：

钢直尺的仪器误差：

k=±1级光谱到0级谱线的距离X的不确定度为：

因为是单次测量，所以：

同理：

光栅到0级谱线的距离Y的不确定度为：

CD-R光盘的轨道密度为：

同理可计算得：

CD-R光盘的轨道平均密度为：

CD-R光盘的轨道密度的不确定度为：