光拍频法测量光地速度实验报告.docx

成绩 评定 教师 签名 嘉应学院物理学院近代物理实验 实验报告 实验项目： 光拍频法测量光的速度 实验地点： 班 级： 姓 名： 座 号： 实验时间： 年 月 日 一、实验目的： 1. 了解声光效应的应用。 2. 掌握光拍法测量光速的原理与方法。 二、实验仪器和用具： GSY─IV 型光速测定仪， XJ17 型通用示波器， E324 型数字频率计等。 三、实验原理： 根据振动振动迭加原理， 两列速度相同， 振面和传播方向相同， 频差又较小的简谐波迭 加形成拍。 实验预习部分 假设有两列振幅相同（只是为了简化讨论） ，角频率分别为 1 和 2 的简谐波沿 方 向传播。 cos( ) E1 E k E2 E0 cos( 2 k 2 ) 式中 0 1 1 k 1 2 、 2 k 称 2 1 2 为波数， 1 和 2 为初位相，这两列简谐波迭加后得 E E1 E = 2 2E 0 1 2 cos t 2 x c 1 2 2 cos 1 2 2 t x c 1 2 2 式中可见，E 是以角频率为 1 ，振幅为 2 2 x 2E cos t 的前进波。 1 2 1 2 0 c 2 2 1 2 注意到其振幅是以角频率 随时间作周期性缓慢变化，所以称 E 为拍频波。 2 光拍信号的位相与空间位置有关。 处在不同空间位置的光电检测器， 在同一时刻有不同 位相的光电流输出。 / / 假设空间两点 A、B(见图 4—5)的光程差为 ，对应的光拍信号的位相差 ，即 / / / c 2 f / c (4—14) 光拍信号的同位相诸点的位相差 满足下列关系 / / (4—15) / c 2 f / c 2 n 则 c f / / n 式中，当取相邻两同位相点 n 1 ， 恰好是同位相点的光程差，即光拍频波的波长 。从而有 c / f 或 c f (4—16) 因此，实验中只要测出光拍波的波长 （光程差 ）和拍频 f （ f 2 f ， f 为超声波频率） ，根据（ 4-16）式可求得光速 c 值。 2 实验预习部分 四、实验步骤： 本实验利用声光调调制测量 He─Ne 激光( =632.8nm)在空气中的传播速度 c。并求测量标 准偏差 c 。与公认值比较，求百分误差。 1、实验装置的调试 (1) 按图 5-36-4（b）联接好所用仪器的线路，高频信号源的信号输出端接频率计 FA ， 打开频率计开关，频率旋钮置于 100Hz，扫频时间置于 0.01s，打开高频（超声波） 信号源， 分频器 y 轴输出端接示波器的 y 轴输入端， x 轴输出端接示器 x 外触发 (或 EXT) 。 (2) 接通激光光源的开关， 调节工作电流至 4~5mA( 或小于 4mA) ，以最大激光光强输出 为准，预热 15 分钟，使激光输出稳定，并调节激光束与装置导轨平行。 (3) 打开示波器电源开关， y 轴增幅旋至 2V/diV ，x 轴扫描时间旋至 0.5 μs/di，V 示波器 右下四个旋钮分别置于：自动、 +、内、 AC。 (4) 接通稳压电源开关，直流电压为 +15V( 红灯亮 )，电源正常供电。细心调节超声波频 率，调节激光束通过声光介质并与驻声场充 分互相作用（通过调节频移器底座上的螺丝 完成），调节高频信号源频率微调旋钮， 使之 产生二级以上最强的衍射光斑。 ① ① (5) 调节光阑， 用光阑选取所需的 （零级或一级） 光束，调节 M 0、M 1 方位，使①②路光都能 ② ② 按预定要求的光路进行。 (6) 按图 5-36-4（a）中的光路， 调节各全反射镜、 (a)同相 (b)有位相差 半反射镜调节架，使二光束均垂直入射到接 图 5-36-5 收头窗口，并注意使全反射镜和半反射镜处 于同一高度，以保证光速通过多次反射后仍 处于同一水平面上。 (7) 依次用斩光器分别挡住②路或①路光束， 调节①路或②路光束使经其各自光路后分 别射入光敏接收器，调节光敏接收器方位， 使示波器荧光屏上能分别显示出它们清 晰正弦波，正弦波有位相变化。调节出射光束与光探测器光敏面的相对位置，使得 两束光产生的正弦波形幅度相等。 当两束程差为拍频波的波长 时，两波形完全重 合，如图 5-36-5（a）所示，否则有位相差；见图 5-36-5(b) 所示。 (8) 前后移动滑动平板，调节两路光的光程差，使示波器上两正弦波形完全重合（位相 差为 2 ），此时两路的光程差 L 即为拍频波长 。 2、测量拍频的波长。 用米尺测量两光束的光程差 L ，拍频 f 2F ，其中 F 为超声波频率，由数字频率计读 出。精确测定功率信号源的频率 F，反复进行多次， 并记录测量数据， 根据公式： c 2F L 计算 He-Ne 激光在空气中的传播速度 c，并计算标准偏差，并将实验值与公认值相比较进 行误差分析。