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一种多谐振荡频率音频信号发生器的设计
实验误差的消除
激光波长是现代物理实验之一。原则上,所有大学都有这样的实验,研究表明,穿过同心圆的明亮干涉条纹,可以获得激光波长。
因Δd较小,为减小实验的误差,学生在实验中需要测量的干涉条纹个数N较多,一般要求按100条的间隔重复测量8~10次.因此学生需要长时间盯着观察屏来计算“冒出”来或“淹没”掉的干涉条纹个数,眼睛很容易因为过度疲劳而出现视野模糊、发虚等情况,甚至在数条纹的个数时出现把两环看成一环等很大的误差,不少学生做完实验后反映眼睛十分“辛苦”.针对这种情况,本文介绍一种用于辅助读数的装置,简单易行,把用眼睛看条纹计数变成用耳朵听声音来计数,可有效减轻眼睛的负担,让学生可以轻松地完成实验.
1 光栅势光机软件设计
实验装置电路如图1所示.该电路为一种光控可调频率音频信号发生器电路,是以LM555时基集成电路为核心构成的多谐振荡器.
电路的振荡频率由电阻R、电容C以及光敏二极管VD的电阻RVD共同决定,其振荡频率计算公式为:
光敏二极管VD的阻值随外界光线的强弱而变化,光线较弱时其阻值较大,光线较强时其阻值明显变小.适当选取R、C的值,可让电路的振荡频率落在音频段,由小喇叭发出声响.按图中元件的数值,当外界光线较弱时,电路的振荡频率约为0.5 kHz,当外界光线较强时,振荡频率约为1 kHz.这样,当照射到光敏二极管上的光线强弱相间地发生变化时,小喇叭会发出相应的高低频变化的声响.光敏二极管应挑选光谱响应特性最接近He-Ne激光波长的型号,以获得较大的RVD变化量,如NDL3200型,其光谱响应最佳波长为670 nm,与He-Ne激光波长相当接近.
制作时,将光敏二极管单独放置于可调节高低的支架上,感光面水平放置,其余元件装在一小块电路板上即可.
2 光栅控制要点
在迈克尔逊干涉仪测量光波波长的实验中,仪器调整完毕后,观察屏上将显示明暗相间的同心圆状的干涉条纹图样.此时,调节上述光敏二极管支架的位置及高低,使光敏二极管的感光面正对干涉条纹的位置,并撤去观察屏.如图2所示.
这时,如果旋转干涉仪的微调鼓轮,则干涉条纹会从圆心一圈一圈地“冒出”来或向圆心一圈一圈地“淹没”掉.相应地,照射到光敏二极管上的光线强度也会从强到弱,又从弱到强地变化,则小喇叭发出的声响频率亦高低相间地变化.频率低时对应照射到光敏二极管的为暗条纹,频率高时对应照射到光敏二极管的为明条纹.微调鼓轮旋转得快,声响变化就快;旋转得慢,声响变化就慢,十分容易控制和分辨.这时声响高低变化的次数即为干涉条纹的变化个数N,再读出干涉仪动镜移动过的距离,即可由公式(1)算得He-Ne激光的波长.
实践证明,光敏二极管一般放置于干涉条纹圆心外的第一至第三条条纹之间为好,这个区域的干涉条纹较宽,照射到光敏二极管上的光线强弱变化最为明显,旋转微调鼓轮时所产生的高低音频变化最易分辨.如果周围环境的杂乱光线太强,可将光敏二极管涂黑或放置于小暗盒中,只在感光面开一直径约1 mm的通光孔即可大大减少杂光的干扰.
3 辅助实验效果
通过在学生实验中应用本装置,使得学生在实验中不用眼睛一直盯住观察屏不放,把用眼睛看条纹计数变成用耳朵听声音来计数,从而大大减轻了眼睛的负担,并且耳朵对声音高低的变化基本上不会有错漏,从根本上杜绝了由于计算干涉条纹个数所引起的误差,收到了很好的辅助实验效果.
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