近代物理实验步骤内容2.docx
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近代物理实验步骤内容2
弗兰克－赫兹实验
一、实验内容
测量氩原子的第一激发电位，分析误差及其原因。
二、实验步骤
参阅实验课件
三、注意事项：
1、实验过程不允许离开仪器；
2、板极电压不允许超过85V。
四、思考题
1、在夫兰克－赫兹实验中，为什么IA－UG2K曲线的波峰和波谷有一定的宽度？
2、为什么IA－UG2K曲线有的波谷电流不等于零，并且随着UG2K的增大而升高？
3、试分析，当夫兰克—赫兹管的灯丝电压变化时，IA－UG2K曲线应有何变化？
为什么？
4、夫兰克—赫兹实验中，为什么说我们测到的是汞原子从
跃迁到
的第一激发电位，而不是
跃迁到
或
的第一激发电位。
5、测量氩原子的第一激发电位时，如果G2-A两极间没有反向拒斥电场，IA－UG2K曲线会是什么样的一条曲线？
这条曲线能求出激发电位吗？
6、IA－UG2K曲线中，第一个波谷对应UG2K不是汞原子的第一激发电位，为什么？
7、实验测出的氩原子IA－UG2K曲线中，为什么峰-峰间距随UG2K的增大而略有变大？
全息照相
一、实验内容
拍摄菲涅尔变换全息图
二、实验步骤
1、设计光路系统，光路系统应满足下列条件：
1）、用透镜将物光束扩展到一定程度以保证被摄物体能均匀照亮，参考光也应扩展使感光板得到均匀光照。
2）、参考光应强于物光，在感光板的地方两光束的强度比约为4:
1－10:
1。
3）、物光与参考光束的夹角为30°－50°之间，两光束的光程大致相等（光程差小于1cm）。
（光学元件调整好后，关上照明灯，有条件的用照度计测量参考光与物光的强度（略），并调整符合要求。
）
2、根据光强调好曝光器的曝光时间，（参考值：
1－2秒），关上快门，在暗室下装上底片，底片的乳胶面向入射光（用手摸干片一角，有粘手感的一面为乳胶面），走到曝光器后静置2分钟后按曝光按钮曝光。
取下曝光后的干片用黑纸包好放到纸盒中，再用黑布包好，拿到暗房显、定影。
3、显影及定影：
先显影后定影，显影过程中应不断轻微摇动干片，显影完后放到清水中稍为洗一下，然后放入定影液中，并轻轻摇动干片，定影结束后取出再用清水洗2分钟。
显影时间：
40－100秒，由曝光时间、显影液浓度和温度决定。
定影时间：
3－5分钟。
4、物像再现
1）、将全息片的乳胶面向着参考光，并尽可能使光照方向与原来参考光束的方向一致，从照片背面迎着参考光观察。
2）、试改变观察角度，看看物像有什么变化。
3）、移去扩束镜，使激光只照在全息片的一小部分，看看能否观察到整个物像。
4）、把全息片转过180°，使乳胶面面向观察者，用不扩束的激光束照射，再用毛玻璃片在全息片后面移动，接收与观察实像（本步骤略）。
三、注意事项
1、取全息干片和拍摄过程应在全暗的情况下进行，取干片时，手从暗袋袖口伸进暗袋，严禁翻弄干片,以免乳胶面被破，取出干片后应认真检查干片盒是否盖好。
2、不允许触摸光学元件，在曝光过程中不得触及防震台、不得走动以及大声说话。
3、激光器电压较高，必须注意安全，严禁眼睛对准激光观看。
4、实验过程要关手机，以免突然来电时干片曝光。
5、干片用完时应告诉老师，严禁打开实验室中那2个木箱。
四、思考题
1、简述全息照相与普通照相有什么不同。
2、怎样才能拍摄出一张比较理想的全息图片？
3、试分析在全息实验中参考光和物光入射在干片的夹角太大或太小有什么不好？
4、拍摄全息干片时，光路布置要注意些什么？
5、你怎样理解全息图上每点上都记录了物体上各点光的完全信息？
6、像面全息图上每点是否记录了物体上各点光的完全信息？
为什么（选答）
附：
显影液和定影液的配制方法
配制显影和定影液过程要十分小心，避免药粉或药剂进入眼睛和嘴吧。
显影液的配制
在烧杯中倒入50度左右的清水800ml，倒入2g米吐尔，搅拌到完全溶化，然后放入无水亚硫酸钠90g、对笨二酚8g、无水碳酸钠48g、溴化钾5g，再加入200ml的水，搅拌至完全溶化即可。
定影液的配制
在50度左右800ml的清水中倒入硫代硫酸钠240g、无水亚硫酸钠15g、冰醋（乙）酸13.5g、硼酸（晶体）7.5g、钾矾15g，加水至1000ml，搅拌至完全溶化即可。
塞曼效应
一、实验内容
拍摄汞546.1nm塞曼效应图片，总结其特点，求出电子的荷质比。
二、操作步骤
参阅课件
三、注意事项
1、F—P标准具已经调节好，请不要再调节。
2、所有光学元件禁止用手触摸。
3、非防磁手表勿靠近电磁铁。
四、思考题
1、调整法里布-珀罗标准具时，如何判断标准具的两个内平面是否严格平行的？
标准具调整不好会产生怎样的后果？
2、在塞曼效应中，标准具有什么作用？
3、在塞曼效应中，滤色片有什么作用？
4、要得到比较理想的图象，光路要满足哪些条件？
5、汞435.8nm谱线是由6s7s3S1跃迁到6s6p3P1产生的，试计算它的塞曼分裂，说明它的偏振情况，画出能级分裂和跃迁情况图。
6、汞5461
线在B=1.10T磁场中的塞曼分裂
线如图所示，已知标准具两平面镜的间距d=2mm，求电子的荷质比。
光泵磁共振
一、实验内容
1、观察铷样品的光抽运信号，理解其产生的机理。
2、测量铷原子的朗德因子。
二、实验步骤
1.观察光抽运信号
1）选择方波扫场，幅度适中；
2）按下水平场方向开关，此时水平恒场的方向与地磁水平分量相反，励磁电流调到最小，它产生的磁场基本抵消掉地磁的水平分量；
3）松开竖直线圈方向按钮，励磁电流调到最小，它产生的磁场基本抵消掉地磁的竖直分量；
4）调节示波器即可观察到光抽运信号。
2、测量铷原子的朗德因子
1）抵消地磁场垂直分量的:
选择方波扫场,调节垂直线圈产生的磁场方向与地磁垂直分量相反,调节励磁电流的大小（约0.014A）,当光抽运信号最大时地磁垂直分量被抵消。
2）选择三角波扫场,调节扫场与地磁场水平分量相同,水平恒场与地磁场水平分量相反,且满足强度
。
（判断方法：
增高射频场频率,共振信号应向扫场波谷方向移动）,加上射频场,调节频率,使共振信号出现并对准三角波扫场的波峰（或谷）,记下共振频率
。
3）保持励磁电流不变，调节扫场和水平恒场与地磁场水平分量方向相同，调节射频信号其频率，使共振信号出现并对准三角波扫场的波峰（或谷），记下共振频率
。
4）改变励磁电流，重复步骤2.2-2.3。
5）
代入课本9.4.8式即可求出
。
6）误差分析，评定实验结果不确定度。
光泵磁共振实验数据表
水平励磁电流/A
同向
反向
平均
同向
反向
平均
0.600
0.700
0.800
0.900
平均值
平均值
理论值
理论值
相对误差（%）
相对误差（%）
三、注意事项
1、实验结束后，应先将励磁电流调到最小方可切断电源；
2、为保护仪器，励磁电流不要大于1A。
四、思考题（要求报告中至少回答3题）
1、什么是光抽运现象？
光抽运现象遵循什么跃迁定则？
光抽运是否需要射频信号？
2、什么是磁共振现象？
磁共振需要什么条件？
3、说说光泵磁共振实验中，光抽运的作用是什么？
4、说说光泵磁共振实验有哪些巧妙的实验思想？
5、什么是弛豫过程？
影响池豫时间的原因主要有哪些？
6、如图所示，在光泵磁共振实验中，扫场为方波信号，当调节亥姆霍兹线圈两个分量的磁场恰好抵消掉地磁时，从示波器观察到的光抽运信号如图所示，试解释其产生的原因？
微波介质特性的测量
一、实验内容
1、了解本系统各个微波器件的名称和作用。
2、测量微波介质的
。
二、实验步骤
1、按图1连接好各个微波器件。
2、按顺序接通示波器、功率计、选频放大器和信号源电源。
3、示波器的时基和增益调节到适当档位，微波信号源工作方式为“扫频”，调节信号源频率和“扫频宽度”，使示波器上出现谐振腔谐振曲线，谐振点出现在X轴的中间位置，调节示波器灵敏度微调使谐振曲线幅度正好为6格，如图2所示。
4、测量谐振腔的谐振频率
：
调节吸收式波长计，使“缺口尖端”对准谐振曲线的最底点O，如图3所示，读出波长计读数
，对照波长表查出频率，此即为谐振腔的谐振频率
（参考值:
9279MHz）。
5、测定示波器X轴频标系数K：
调节吸收式波长计，使“缺口尖端”分别对准谐振曲线的A和B点，如图4所示，分别读出波长计读数
和
，对照波长表查出频率
和
，则：
6、测量谐振曲线半功率点频带宽
：
如图5所示，读出半功率点的距离CD，则：
7、测量谐振腔在放入样品时的谐振频率
：
在谐振腔小孔中放入样品，调节吸收式波长计，使“缺口尖端”对准谐振曲线的最底点O，读出波长计读数
，对照波长表查出频率
。
（方法同图3）
8、测量谐振腔放入样品后谐振曲线半功率点频带宽
：
方法同（6）。
9、计算出
，并分析误差原因（具体原因）。
谐振腔规格：
样品规格：
1.443mm
10、关掉仪器电源：
先关掉信号源电源，再关闭其他仪器的电源。
激光的特性及其参数的测量
一、实验内容
测量激光特性的基本参数
二、实验步骤
1、激光功率与电流的关系
1）按图3.1.4光路，调节激光器输出口、光阑、功率计探头等高共轴；
2）开启功率计、激光电源，预热10分钟；
3）激光器电源激光管长选择拨至“450mm”，电压调节旋钮调到最大，自耦高压器调到激光管刚好稳定点亮，记下此时的电流和功率；
4）调节自耦高压器、激光器电源激光管长选择、电压调节旋钮等使激光电流增加0.4mA，记下此时的功率和电流；
5）重复步骤4直至电流达到10mA；
6）绘制P-I关系曲线，总结其特点；
7）找出实验曲线与课本中曲线差异的原因。
2、测量激光器管的偏振度
1）调节激光器输出最大功率；
2）在3.1.4光路图中激光功率计前放置偏振片，旋转偏振片，测量透过偏振片光最大功率和最小功率；
3）按公式3.1.9求出激光的偏振度。
3、测量激光的波长（此项内容在“信息光学处理”实验中完成）
1）按图3.1.3调节好光路，测量光栅空间频谱相邻光点间的距离x（2.1mm）；
2）用公式3.1.8计算出激光的波长。
其中，d=0.04mm，f=150mm。
三、注意事项
保持仪器周围整洁；激光电源以及调压器为高电压，请注意安全！
四、思考题
见课本
信号取样平均实验
一、实验内容
在噪声背景中复现信号波形
二、实验步骤
1、按如图所示将各功能模块连接好。
2、接通仪器电源，调正弦信号输出为1000Hz、500mV，白噪声输出为500mV，“多点信号取样平均器”的时间常数取0.2s，“高、低通带滤波器”高通截止频率置于3.7.5Hz，低通截止频率置于25kHz。
3、用示波器Y1通道观察噪声与信号相混后的波形并记录下来。
4、多点信号平均器时间常数分别取0.02S，0.2s，2s，用Y2通道取样平均器处理后输出的信号，注意观察波形信噪比变化情况。
讨论多点信号平均器的作用以及时间常数对改善信号信噪比有什么作用。
时间常数（s）
输出波形（大致画出）
0.02
0.2
2
5、用“交流、直流、噪声电压表”分别测量“高、低通带滤波器”输入和输出端的电压，改变“高、低通带滤波器”的截止频率，测量其输出电压，通过实验数据讨论“高、低通带滤波器”的作用。
高通截止频率（Hz）
低通截止频率（Hz）
高、低通带滤波器输出端电压
37.5
250
37.5
1500
37.5
25000
1500
250
1500
1500
1500
25000
三、思考题
1、通过实验总结出“高、低通带滤波器”在处理深埋在噪声背景中的信号的作用；
2、通过实验总结出“多点信号取样平均器”在处理深埋在噪声背景中的信号的作用，进一步理解“信号多点取样”的意思。
3、讨论时间常数对提高信号信噪比有什么作用？
4、本实验仪器信号取样点为16点时，画出输出波形？
弗兰克-赫兹实验
一、实验内容
测量氩原子的第一激发电位
二、实验步骤
参阅课件
三、思考题（实验报告至少回答4题）
1、夫兰克－赫兹实验测出的汞原子的第一激发电位的大小与F－H管的温度有无关系？
为什么？
2、在夫兰克－赫兹实验中，为什么IA－UGK曲线的波峰和波谷有一定的宽度？
3、为什么IA－UGK曲线的波谷电流不等于零，并且随着UGK的增大而升高？
4、当实验条件保证电子激发汞原子跃迁到
，测得的IA－UGK曲线应具有什么特征？
影响此曲线的因素有哪些？
5、试分析，当夫兰克—赫兹管的灯丝电压变化时，IA－UGK曲线应有何变化？
为什么？
6、试分析，当恒温箱的温度分别取几个温度（各个温度下仍保证电子激发汞原子跃迁到
），IA－UGK曲线应有何变化？
为什么？
7、夫兰克—赫兹实验中，为什么说我们测到的是汞原子从
跃迁到
的第一激发电位，而不是
跃迁到
或
的第一激发电位。
8、测量汞原子的第一激发电位时，如果G-A两极间没有反向拒斥电场，IA－UGK曲线会是什么样的一条曲线？
这条曲线能求出激发电位吗？
9、IA－UGK曲线中，第一个波谷对应UGK不是汞原子的第一激发电位，为什么？
10、测量汞原子第一激发电位时，为什么恒温箱的温度要满足一定的条件？
温度太高或太低对实验产生什么影响？
11、夫兰克—赫兹管内的空间电位是如何分布的？
板（阳）极与栅极之间的反向拒斥电压起什么作用？
椭圆偏振法测量薄膜厚度、折射率和金属复折射率
一、实验内容
椭圆偏振法测量薄膜的厚度和折射率
二、实验步骤
参考课件
三、注意事项
1、严禁眼睛直视激光
2、调节光路时，各个旋钮只能轻微调节，应避免大范围调节。
四、思考题
1、请列举椭圆偏振实验中的误差来源，实验中采取什么方法消除或减小误差2.2.2.2.试列举椭偏法试列举椭偏法试列举椭偏法试列举椭偏法测量中可能的误差来源测量中可能的误差来源测量中可能的误差来源测量中可能的误差来源，，，，并分析它们对测量结果的影响并分析它们对测量结果的影响并分析它们对测量结果的影响并分析它们对测量结果的影响。
。
。
。
答：
①在调节光路的过程中，没有调好共轴，使激光与偏振片、1/4波片不是严格正入射，导致测量的折射率与理论值存在偏差；②在实验过程中，用手接触了介质薄膜的表面，使得上面带有手印，灰尘等杂质，导致测得的折射率有误差；③用眼睛观察消光点，带有个人主观视觉因素；④由于波片快慢轴分量的相位不严格为π/2，即光路中存在补偿的偏差，在安装调整过程中1/4波片快轴与入射面夹角不严格为70°，促在偏差，最后起偏器角还有可能存在零点误差，这都是测量中的系统误差。
分析表明系统误差的二级小量可以忽略，用两个不同消光位置的测量值求平均值可以消除。
而对仪器的使用误差不可忽略，这些误差会使得测量结果与真实值有误差。
。
2、简述椭圆偏振法测量薄膜厚度的基本思想。
1.1.1.1.椭偏仪册厚仪的基本思想是什么椭偏仪册厚仪的基本思想是什么椭偏仪册厚仪的基本思想是什么椭偏仪册厚仪的基本思想是什么？
？
？
？
各主要光学不见的作用是什么各主要光学不见的作用是什么各主要光学不见的作用是什么各主要光学不见的作用是什么？
？
？
？
答：
基本思想：
起偏器产生的线偏振光经去想一定的1/4波片合成特殊的椭圆偏振光，把它透射到待测样品的表面时，只要起偏器取适当的透光方向，变测样品反射出的便是线偏振光，有偏振光在反射前后的偏振状态，便可以测定样品表面的光学特性，因此只要测出偏振状态的变化量，就能定出膜的厚度和折射率，实验中利用消光法测出椭偏系数，从中接触薄膜的厚度和折射率。
其主要光学部件有起偏器、检偏器、1/4波片，作用如下：
起偏器：
产生线偏振光，读数度盘刻有360个等分线，相隔1°，游幅度为0.1°，随度盘同步转动。
检偏器：
检验偏振光，与起偏器的构造相同。
1/4波片：
使入社的线偏振光变成等幅度的椭圆偏振光，即圆偏振光
3、椭圆偏振实验中，为了使椭偏参量ψ和Δ比较容易测量，仪器调节应该满足的哪两个条件？
4、应该怎样调节四分之一波片才能在四分之一波片后面得到所需的
。
5、实验中“周期”的物理意义。
6、实验中执行“复位”命令时，仪器做什么操作？
为什么执行复位后，检测到的光强相对强度必须达到“4095”才能开始测量。
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