综合设计实验2~2

1、配置溶液：大约用300克蔗糖，玻璃管内的溶液大约占整个容器的2/3至1/2之间为妥，将溶液摇匀。

2、打开仪器灯箱光源，连续缓慢转动前端检偏器，可观察到玻璃管下半部有糖溶液的地方透过来的光的颜色呈赤橙黄绿青兰紫依次变化；管的上部没有糖溶液的地方仅有明暗的变化；

3、在光源和装有糖溶液的玻璃管之间加上滤色片，旋转检偏器，记录下从玻璃管上方看视场最暗时检偏器的角度；再旋转检偏器，再记下从玻璃管下方看视场最暗时检偏器的角度；上述两个测量角位置之差就是糖溶液的旋光角度； 4、换用另一种颜色的滤色片，重复3的操作；

5、保留好实验数据，可以用来分析旋光效应与波长的关系；

6、如果改变糖溶液的浓度，重复3，4步操作，还可以分析溶液浓度对旋光效应的影响。

气体火焰驻波实验步骤：

1、缓慢打开液化气罐开关并点燃燃气筒，使火焰高度在同一水平线上，高度约为3-5cm。 2、打开信号发生器，缓慢调解频率旋钮，看见火焰出现有规律的起伏，形成驻波。 3、当频率由低到高调解时，可以看到驻波波腹个数逐渐增加。

用弹簧演示纵驻波实验操作方法：

1、将装置放在有白墙作衬底的环境下；

2、打开电源，适当增大电压（电压不宜太高）使弹簧发生振动；

3、缓慢调节频率，直到弹簧上呈现明显的波腹和波结，即形成纵驻波；此时再适当增大电压，现象更为显著；

4、缓慢改变频率，直到再次出现明显的波腹和波结；如果频率增高波长将变短，频率降低则波长变长；

5、结束实验，将频率和电压调至最低，关闭电源。 旋光色散实验注意事项：

玻璃容器内的糖溶液浓度很高，玻璃易碎，小心勿动；调整检偏器时一只手扶住检偏器，另一只手做调整，调整应轻柔；请勿玩耍滤色片，更不要当扇子用；定期更换糖溶液，以免变质和霉变；较长时间不用时，一定要讲糖溶液倒掉，把管清洗干净，晾干存放；清洗玻璃容器时，可以放入砂粒等颗粒物辅助清洗。

用弹簧演示纵驻波实验注意事项：

1、开机前，先将电压调节旋钮逆时针减到最小，预防开机后电压过大而造成的弹簧振动过大； 2、调节频率时，注意观察电压值，并配合调节，避免弹簧振动过大或过小而影响实验效果。 3、注意电压每次调节一般不要超过0.5V。

综合设计实验演示实验二 安培力的演示实验操作与现象：

1．将载流直导体铜棒水平放在支承导轨上，并调节其水平位置，使铜棒在马蹄

形磁铁的磁场中间。

2．接通电源并观察载流直导体铜棒在导轨上滑动的方向。

3．改变电流流通的方向（电源后面板的红色开关），此时，载流铜棒将在导轨上沿相反方向滑动。

4．通过底座导轨的滑块移动马蹄形磁铁，使磁场相对载流铜棒移动，可以观察到载流铜棒也跟着一起运动。

观察磁聚焦现象实验操作：

1．打开电源开关，预热3分钟，在示波管显示屏上出现电子束光斑。记住光斑形状。

2．调节灰度及位移旋钮，使光斑位于显示屏且灰度适中。

3．打开聚焦线圈磁场开关，则观察到在线圈的磁场作用下，电子束光斑会聚于显示屏中间一点，并与关闭磁场开关时的电子束光斑比较。

4．移动聚焦磁场线圈，仔细观察，可以看到，电子束的螺旋轨迹和光斑会聚过程。

5．关闭聚焦线圈电源即关闭磁场开关，外加一永久磁铁，将会观察到电子束在洛仑兹力的作用下产生偏转的现象。

视错觉演示实验操作：

接通开关，通过竖直圆柱带动梯形窗沿一定方向转动，观察者在离梯形窗3～5米处，用手将一只眼睛遮住，用另一只眼睛注视梯形窗，过一段时间你会感觉到，梯形窗不是朝一个方向转动，而是以你到竖轴所构的平面左右不停的摆动。

弹性球碰撞实验步骤：

1．将仪器放置在水平桌上，拉动左侧一个球使其偏离竖直方向一定角度，松手令它与余球碰撞，观察碰撞过程。

2．仿上述过程，一次拉动两球、三球，令它们与余球碰撞，观察碰撞过程。 3．手拿右（或左）n个球使其偏开平衡位置，突然松手，使其与余球碰撞，观察其他球跳起的情况，并进行分析。

安培力的演示实验注意事项：

1．电路中电阻非常小，因而接通直流电源时间要短，否则电流过大会损坏电源。 2．导轨要保持清洁，以便载流铜棒在导轨上无阻力的移动。

观察磁聚焦现象实验注意事项：

1．在演示磁聚焦时，注意不要有外磁场的影响。

2．线圈电源打开时间不易过长，以免线圈过热烧毁。 3．示波管比较娇贵，注意保护，避免受到硬物的撞击。

弹性球碰撞实验注意事项：

不要用力拉球，以免悬线断开。

密立根油滴法测定电子电荷 1．仪器调节

(1)将仪器放平稳，调节底座上的三个调节手轮，使水准泡指示水平，这时平行极板处于水平位置。

(2) 打开MYD-6油滴仪电源，先预热仪器10min。打开监视器电源，5秒后自动进入测量状态。面板上K1用来选择平行电极上极板的极性，实验中置于+或—位置均可，一般不常变动。使用最频繁的是K2和W及“计时/停”（K3）。

(3)将油雾从油雾室旁的喷雾口喷入(喷1—2次即可)，微调测量显微镜的调焦手轮，这时在监视屏上将出现大量清晰的油滴，如果视场太暗，油滴不够明亮，亮度不均匀，可打开监视器左边小盒，内有4个调节旋钮。对比度一般置于较大，亮度不要太亮。 2．测量练习 (1) 练习控制油滴

在平行板上加上平衡电压（200—300V)，换向开关放在“+”或“一”均可，驱走不需要的油滴，直到剩下几颗缓慢运动的为止。注视其中的某一颗，仔细调节平衡电压，使这油滴静止不动。然后去掉平衡电压，让它匀速下降，下降一段距离后再加上平衡电压和升降电压，使油滴上升。如此反复多次地进行练习，以掌握控制油滴的方法。 (2) 练习测量油滴运动的时间

可将已调平衡的油滴用K2控制移到“起跑”线上，按K3（计时/停），让计时器停止计时，然后将K2拨向“OV”，油滴开始匀速

下降的同时，计时器开始计时。到（终点）时迅速将K2拨向“平衡”，油滴立即静止，计时也立即停止。同时计下平衡电压V和时间S,反复多练几次，以掌握测量油滴运动时间的方法。 (3) 练习选择油滴

要做好本实验，很重要的一点是选合适的油滴。选的油滴体积不能太大，太大下降速度快，不易测准。若选的油滴太小，则布朗运动明显，会引入较大的测量误差。通常选择平衡电压为200 —300V，匀速下降1.5mm的时间在8—20s左右的油滴最为适宜。 3．正式测量

用平衡法进行实验时要测量的量有二个。一个是平衡电压V ，另一个是油滴在未加外电场情况下匀速下降一段距离ι所需的时间t(s)。

经过仔细的调节将选择好的油滴置于分划板某条横线上，为保证油滴下降时速度均匀，不要太靠近上电极板，小孔附近有气流，且速度不匀速，会影响测量结果。

对同一颗油滴重复5～10 次测量，每次测量时都要检查和调整平衡电压，如果油滴逐渐变得模糊，要微调测量显微镜，跟踪油滴，勿使丢失。

用同样方法，分别对4～6颗油滴进行测量。 选做项目：用动态法测电荷e值。 4．数据处理

平衡法依据公式为： q=

式中 a=

油的密度 ＝981 kg·m-2

重力加速度 g ＝ 9.80 m·s-2

空气的粘滞系数 = 1.83×10-5 kg·m-1·s-1 油滴匀速下降距离 ＝2.0×10-3 m

修正常数 b＝6.17×10-6 m—cm(Hg) 大气压强 P=76.0cm (Hg) 平行极板距离 d=5.00×10-3 m

为了证明电荷的不连续性和所有电荷都是基本电荷e的整数倍，并得到基本电荷e值，我们就应对实验测得的各个电荷值用差值法求出它们的最大公约数，此最大公约数就是基本电荷e值。但由于实验所带来的误差，求最大公约数比较困难，因此我们常用“倒过来验证”的办法进行数据处理即用实验测得的每个电荷值q除以公认的电子电荷值e=1.60×10-19库仑，得到一个接近于某一个整数的数值，这个整数就是油滴所带的基本电荷的数目n，再用实验测得的电荷值q除以相应的n，即得到电子的电荷值e。

将e的实验值与公认值比较，求相对误差。

平衡电下落时电荷量压（V） 间（s） （*10-19） 平衡电下落时电荷量压（V） 间（s） （*10-19） 电荷量平均值ē=1.60305492（*10-19）

电子比荷测定 在通电实验前，先检查仪器面板上各控制开关和旋钮应放在下述位置上：偏转电压开关量“断开”，电位器逆时针转到电压最小（50V，无显示）。调节阳极电压的电位器也逆时针调到零。线圈电流方向开关置“断开”，调节线圈电流的电位器也逆时针到零。以上调节的目的，是为了保护仪器，不受大电流高电压的冲击。延长洛仑兹力管的使用寿命。

打开电源，预热5分钟。逐渐增加阳极电压至100-200V左右，即可看到一束淡兰绿色的光束从电子中射出，这就是电子束。 1、 观察电子束在电场作用下的偏转

转动洛仑兹力管，使角度指示为90O，即电子束指向左边并月线圈轴线垂直。在转动洛仑兹力管时，务必用手抓住胶木管座，切勿手抓玻璃泡转动，以免管座松动。

将偏转电压开关拨到“上正”位置，这是上偏转板为正，下偏转板接地，观察电子束的偏转方向。加大偏转板上的偏转电压，观察偏转角度的变化情况。在偏转电压不变得情况下，加大阳极电压，观察偏转角度的变化情况。在将偏转电压调置最小，偏转开关拨到“下正”位置，作以上相同的观察。

2、观察电子束在磁场中的运动轨迹将偏转电压开关拨到“断开”位置。线圈电流方向开关拨到“顺时”位置，线圈上的电流顺时方向指示灯亮，加大线圈电流和阳极电压，观察电子束在磁场中运动轨迹的变化情况。转动洛仑兹力管，作进一步的观察。

记录观察到的现象，并作出理论解释。 3、测量电子比荷

根据以上所述，将电子束轨迹调整成一个闭合的圆。利用读数装置，在不同的阳极电压U和不同的线圈电流I情况下，仔细测量电子束轨迹的直径。根据公式（4）计算电子比荷。

具体内容：

1） 固定阳极电压，改变线圈电流，作多次测量。 2） 固定线圈电流，改变阳极电压，作多次测量。 欲使实验结果比较准确，关键是测准电子束轨迹的直径D。原的直径取在4cm到9cm之间时较为合适。

实验结束后，将阳极电压和线圈电流调到最小，偏转电压开关和线圈电流开关都拨到“断开”位置，然后关掉电源。 五、数据记录1、固定阳极电压，改变线圈电流 阳极电压U（V） 线圈电流I（A） 1.00 1.20 140 1.40 1.60 1.80 平 均 值 2、固定线圈电流，改变阳极电压 线圈电流I（A） 阳极电压U（V） 150 1.50 170 190 电子束直径D（m） 电子比荷e/m×1011（c•kg-1） 电子束直径D（m） 电子比荷e/m×1011（c•kg-1） 210 230 平 均 值 平均相对误差E=2.6%

注意事项

在开始接通电源前，先检查仪器面板上各控制开关和旋钮的位置，应在下述位置上：偏转电压开关置“断开”，电位器逆时针转到电压最小（50V，无显示）。调节阳极电压的点位器逆时针调到零了。线圈电流方向开关置“顺时”，调节线圈电流的电位器也逆时针调到零。打开电源，预热5分钟。逐渐增加阳极电压置100-200V左右，即可看到一子束淡兰绿色的光束从电子中射出，这就是电子束。改变偏转电极的电压以及调节线圈电流的大小，观察电子束的轨道。在调节线圈电流时，偏转电压开关应置“断开”。

调小阳极电压和线圈电流，然后关掉电源。

本实验误差主要来自实验者读数时，游标尺、电子束、游标尺在镜子中的像三点一线很难做到，为了减小误差，除了要求按规定方法读数外，还需要多次测量求平均值。

光敏电阻特性 思考题

1、验证光照强度与距离的平方成反比(把实验装置近似为点光源)。

2、当光敏电阻所受光强发生改变时，光电流要经过一段时间才能达到稳态值，光照突然消失时，光电流也不立刻为零，这说明光敏电阻有延时特性。试研究这一特性。

3、什么叫光敏电阻的光谱特性以及频率特性?。如何研究? 1、自拟数据表格1和2。

2、根据数据画出光敏电阻的一组伏安特性曲线和光敏电阻的一组光照特性曲线。

双光栅测量微弱振动位移量实验 实验内容

1.预习《示波器的应用》，熟悉双踪示波器的使用方法。 2.将示波器的Y1、Y2、X外触发器接至双光栅微弱振动测量仪的Y1、Y2、X的输出插座上，开启各自的电源。

3.几何光路调整。

小心取下“静光栅架”，（不可擦伤光栅）稍稍松开激光器顶部的锁紧手轮，用手小心地上下左右搬动激光器，让光束从安装静止光栅架的孔中心通过。调节光电池架手轮，让某一级衍射光正好落入光电池前的小孔内。锁紧激光器。

4.双光栅调整。

小心地装上“静光栅架”，静光栅尽可能与动光栅接近，注意不可让它们相碰！（间距1mm左右）用一白纸作为观察屏，放于光电池架前观察光斑，慢慢转动光栅架，仔细观察调节，使得两个光束尽可能重合。去掉观察屏，轻轻敲击音叉，调节示波器，配合调节激光器输出功率，应看到很漂亮的拍频波。

5.音叉谐振调节。

先将“功率”旋钮置于4-5点钟附近，调节“频率”粗调旋钮，（500Hz）附近，然后调节“频率”细调旋钮，使音叉谐振。调节时用手轻轻地按音叉顶部，找出调节方向。如音叉谐振太强烈，将“功率”旋钮向小钟点方向转动，使在示波器上看到的T/2内光拍的波数

为15个左右。记录此时音叉振动频率、屏上完整波的个数、不足一个完整波形的首数及尾数值以及对应该处完整波形的振幅值。

6.测出外力驱动音叉时的谐振曲线。

固定“功率”旋钮位置，在音叉谐振点附近，小心调节“频率”旋钮，测出音叉的振动频率与对应的信号振幅大小，频率间隔例如可以取0.1HZ,选8个点,分别测出对应的波的个数,由式(8),计算出各自的振幅A。

7.保持信号输出功率不变，逐一将橡皮泥粘在音叉的有效质量，调节“频率”细调旋钮，研究谐振曲线的变化趋势。

8．激光器功率一般调节到中部就可，不需要经常调节。

数据处理

1.求出音叉谐振时光拍信号的平均频率； 2.求出音叉在谐振点时作微弱振动的位移振幅； 3.在坐标纸上画出音叉的频率—振幅曲线；

4.作出音叉不同有效质量时的谐波曲线，定性讨论其变化趋势。

思考题

1.如何判断动光栅与静光栅的刻痕已平行？

2.作外力驱动音叉谐振曲线时，为什么要固定信号功率？ 3.本实验测量方法有何优点？测量微振动位移的灵敏度是多少？

数 字 信 号 光 纤 传 输 实 验

实验内容

1．传输系统发送时钟TxC周期的测定

把双迹示波器CH1通道接到光端机前面板L3和L2插孔、扫描时间分度值选为2μs、调节同步旋钮使荧光屏上出现一稳定的波形后，观测并记录其周期值。

图7 电端机前面板布局

C1:电源插座; C2:与计算机RS—232串口联接的九针插座; C3: 连接光端机的DDK-20电缆插座

图8. 电端机后面板布局

2．半导体发光二极管（LED）电光特性的测定

（1）．首先断开图9中插孔L1、插孔L2间的连线，SPD切换开关K2拨至左侧，观测并记录光端机前面板光功率计的示值。以此示值作为光功率计的零点．

（2）．接通图9中插孔L1、插孔L2间的连线，反时钟方向调节W1，使光端机前面板的mA表为一最小整数值，然后，顺时钟方向调节W1，使mA表读数慢慢增加，每增加2mA读取一次光功率计的示值，并列表记录。根据实验读数，以电流为横坐标、光功率计读数（扣除零点后）为纵坐标绘制LED的电光特性。 3．时钟信号的电光／光电转换及再生调节

按图10接线。调节W1使mA表指示的LED在时钟信号调制状态下的平均工作电流为适当值（比如，10—20mA）后，保持W1的调节位置不变。观察示波器荧光屏上是否有时钟信号波形出现。若无，并示波器荧光屏上显示出一条代表低电平的直线，就需沿顺时钟方向慢慢调节W2，直到示波器荧光屏上出现占空比为50%的时钟信号为止；若示波器荧光屏上显示出一条代表高电平的直线，就需沿反时钟方向慢慢调节W2实现时钟信号的再生调节。

4．ASCII字符代码的光纤传输实验 （1）．实验系统发送功能的检测

在图10示连线的基础上，断开L3插孔和L1插孔间的连线，把双迹示波器CH1通道改接至L1插孔（TxD端）和L2插孔（GND端）。然后按图11示方式连接好实验系统。启动计算机、运行配套软件后计算机屏幕上将出现图12示的界面。点击“串口设置” 按钮，计算机屏幕上将换成图13示界面。根据电端机与计算机的连接情况，串口号选择COM1或 COM2；波特率选择B9600。再点击“确定”按钮，待计算机屏幕再一次出现图12示的界面后，点击“数字传输”按钮。计算机屏幕上将出现图14示界面。把光标移至“请输入十进制数”的窗口中，从键盘输入想要传输的ASCII字符的十进制数代码（比如，字符U、Z和7…等等，它们相应的十进制数代码分别为85、90和55…等等），再点击“发送”按钮，界面的“本地回显” 栏将显示出该代码的ASCII字符。观察示波器荧光屏上显示的波形的数码结构是否与被发送的ASCII字符的二进制代码一致。若一致，表示实验系统的发送功能正常；若示波器荧光屏上观察不到这一波形，按电端机的“Reset”按钮后，用以上方式重新发送。

图11 实验系统的连接

图12

（2）．实验系统数字信号的电光／光电转换及再生调节 在以上实验连线的基础上，把双迹示波器CH2通道接至光端机前面板的L6插孔（RxD端）和L7插孔（GND端），调节W1使LED的平均工作电流为1mA以上。然后保持W1的这一调节位置不变，调节W2，直到双迹示波器CH2通道出现码元宽度和

图13

数码结构均与CH1通道波形一样的再生波形为止。

（3）．码值判别、误码及实验系统无误码状态的调节 完成了上一步调节之后，虽然光端机的“RxD”端出现了与发送端波形一样的再生波形，但还不能算数字信号传输过程的结束。此后，尚需在接收时钟（RxC）下降沿时刻对再生波形每位码元的码值进行“0”、“1” 判别。若在判别时刻检测到再生波形的电平为高电平，赋予的码值为“1”，反之为“0”。若判别结果所形成的二进制代码与发送端发送的字符代码一致，表明码值判别结果正确。根据正确结果所形成的二进制代码从计算机字符库调出的字符（显示在图14示的界面接收窗口中）就会与“本地显示” 栏中出现的字符一致，这才能表明字符信号传输过程完全无误。根据示波器扫描时间分度值和扫描时间微调旋钮处于校准状态下字符代码的波形，计算实验系统在此传输情况下的传输率（bite/S）。

若判别结果所形成的二进制代码与发送端发送的字符代码不一致，从计算机字符库调出的字符就与图14示的界面“本地显示”栏中出现的字符就不一样。这表明实验系统在传输过程中有误码产生。此时，应调节W1使LED导通时工作电流为另一值后`，再调节W2使ＲｘＤ端波形达到再生状态…如此反复几次调节直到实验系统无误码状态出现为止。点击图14示界面中的“停止”按钮，重复以上操作可进行传输其它字符代码的实验

图14

5．语音信号的光纤传输实验

在保持以上实验连线不变的基础，点击图14示界面中的“退出” 按钮，计算机

图15

屏幕再次回到图12示界面，然后点击“声音传输” 按钮，计算机屏幕就将显示图15示界面。点击“开始”按钮，实验系统就进入声音传输状态。在此情况下，由于每次传输的数字信号代码不一样，故在示波器荧光屏看不到有一稳定波形出现。但每次传输数字信号的起始位都是低电平。所以，调节示波器的同步旋钮可清楚观察到它在荧光屏上的位置。两个相邻起始位间隔的时间就是实验系统模／数转换过程的采样周期，该周期的倒数值就是采样频率。根据采样定理，对于语音信号采样频率应大于8000次/每秒。

用示波器观测实验系统在传输语音信号时模／数转换过程的采样周期、计算相应的采样频率、用采样定理评估本实验系统传输语音信号时的性能。

多普勒效应综合实验 实验内容

验证多普勒效应并由测量数据计算声速

让小车以不同速度通过光电门，仪器自动记录小车通过光电门时的平均运动速度及与之对应的平均接收频率。由仪器显示的f－V关系图可看出，若测量点成直线，符合（2）式描述的规律，即直观验证了多普勒效应。用作图法或线性回归法计算f－V直线的斜率k，由k计算声速 并与声速的理论值比较，计算其相对误差。

一．仪器安装

如图2所示。所有需固定的附件均安装在导轨上，并在两侧的安装槽上固定。调节水平超声传感发生器的高度，使其与超声接收器（已固定在小车上）在同一个平面上，再调整红外接收传感器高度和方向，使其与红外发射器（已固定在小车上）在同一轴线上。将组件电缆接入实验仪的对应接口上。安装完毕后，让电磁铁吸住小车，给小车上的传感器充电，第一次充电时间约6～8秒，充满后(仪器面板充电灯变绿色)可以持续使用4～5分钟。在充电时要注意，必须让小车上的充电板和电磁铁上的充电针接触良好。

【注意事项】

① 安装时要尽量保证红外接收器、小车上的红外发射器和超声接收器、超声发射器三者之间在同一轴线上，以保证信号传输良好； ② 安装时不可挤压连接电缆，以免导线折断；

③ 小车不使用时应立放，避免小车滚轮沾上污物，影响实验进行。 二．测量准备

1．实验仪开机后，首先要求输入室温。因为计算物体运动速度时要代入声速，而声速是温度的函数。利用 t u 将室温T值调到实际值，按“确认”。 2．第二个界面要求对超声发生器的驱动频率进行调谐。在超声应用中，需要将发生器与接收器的频率匹配，并将驱动频率调到谐振频率 ，这样接收器获得的信号幅度才最强，才能有效的发射与接收超声波。一般 在40KHz左右。调谐好后，面板上的锁定灯将熄灭。

3．电流调至最大值后，按“确认”。本仪器所有操作，均要按“确认”键后，数据才被写入仪器。 【注意事项】

① 须待磁铁吸住小车后，再开始调谐。此时超声发生器和接收器的距离最远，保证其在最大距离下的信号强度；

② 调谐及实验进行时，须保证超声发生器和接收器之间无任何阻挡物； ③ 为保证使用安全，三芯电源线须可靠接地。 三．测量步骤

1．在液晶显示屏上，选中“多普勒效应验证实验”，并按“确认”； 2．利用 u 键修改测试总次数（选择范围5~10，一般选5次），按 ▼ ，选中“开始测试”；

3．准备好后，按“确认”，电磁铁释放，测试开始进行，仪器自动记录小车通过光电门时的平均运动速度及与之对应的平均接收频率； 改变小车的运动速度，可用以下两种方式： a．砝码牵引：利用砝码的不同组合实现；

b．用手推动：沿水平方向对小车施以变力，使其通过光电门。 为便于操作，一般由小到大改变小车的运动速度。

4．每一次测试完成，都有“存入”或“重测”的提示，可根据实际情况选择，“确认”后回到测试状态，并显示测试总次数及已完成的测试次数； 5．改变砝码质量（砝码牵引方式），并退回小车让磁铁吸住，按“开始”，进行第二次测试；

6．完成设定的测量次数后，仪器自动存储数据，并显示f－V关系图及测量数据。

【注意事项】

小车速度不可太快，以防小车脱轨跌落损坏。

数据处理

数据记录与处理

由f－V关系图可看出，若测量点成直线，符合（2）式描述的规律，即直观验证了多普勒效应。用  键选中“数据”， 键翻阅数据并记入表1中，用作图法或线性回归法计算f－V关系直线的斜率k。公式（4）为线性回归法计

算k值的公式，其中测量次数i＝5 ～ n，n≤10。（4）

由k计算声速= f0/k，并与声速的理论值比较，声速理论值由= 331(1＋t/273)1/2 (米/秒)计算，t表示室温。测量数据的记录是仪器自动进行的。在测量完成后，只需在出现的显示界面上，用  键选中“数据”， 键翻阅数据并记入表1中，然后按照上述公式计算出相关结果并填入表格。 1、多普勒效应的验证与声速的测量

表1 多普勒效应的验证与声速的测量

= Hz

测量数据 次数 1 2 3 4 5 6 直线斜率 声速测量值 声速理论值 相对误差 (Hz) 用作图法或线性回归法计算声速的理论值比较，声速理论值由2、水平谐振实验

关系直线的斜率，由计算声速并与

(米/秒)计算，表示室温。

自拟表格，记录30组速度随时间变化关系的数据。

思考题

通过以上两部分的实验对仪器的使用及性能有所了解。如何研究自由落体运动，求自由落体加速度。如何研究简揩振动，根据原理自行设计实验方案，求得弹簧的倔强系数 及振动的角频率测量的运动周期及角频率，并计算

，实际

和的百分误差。

液晶电光效应实验 实验内容与步骤

实验步骤：将液晶板金手指1 (如图7)插入转盘上的插槽，液晶凸起面必须正对激光发射方向。打开电源开关，点亮激光器，使激光器预热10-20分钟。

图7 液晶板方向（视角为正视液晶屏突起面）

在正式进行实验前，首先需要检查仪器的初始状态，看发射器光线是否垂直入射到接收器；在静态0V供电电压条件下，透过率显示是否为“100％”。如果显示正确，则可以开始实验，如果不正确，指导教师可以根据附录1的调节方法将仪器调整好再让学生进行实验。 1．液晶光开关电光特性测量

将模式转换开关置于静态模式，将透过率显示校准为100％，按表1的数据改变电压，使得电压值 从0V到6V变化，记录相应电压下的透射率数值。重复3次并计算相应电压下透射率的平均值，依据实验数据绘制电光特性曲线，可以得出阈值电压和关断电压。

表1 液晶光开关电光特性测量

电压0 00111111123456(伏 ..............) 5 8 0 2 3 4 5 6 7 0 0 0 0 0 透1 射2 率3 (平 %均 )

2．液晶的时间响应的测量

将模式转换开关置于静态模式，透过率显示调到100，然后将液晶供电电压调到2.00V，在液晶静态闪烁状态下，用存储示波器观察此光开关时间响应特性曲线，可以根据此曲线得到液晶的上升时间Tr和下降时间Td。

3．液晶光开关视角特性的测量 ①．水平方向视角特性的测量

将模式转换开关置于静态模式。首先将透过率显示调到 100％，然后再进行实验。

确定当前液晶板为金手指1插入的插槽(如图7所示)。在供电电压为0V时，按照表2所列举的角度调节液晶屏与入射激光的角度，在每一角度下测量光强透过率最大值Tmax。然后将供电电压置于 2V，再次调节液晶屏角度，测量光强透过率最小值 Tmin，并计算其对比度。以角度为横坐标，对比度为纵坐标，绘制水平方向对比度随入射光入射角而变化的曲线。 ②．垂直方向视角特性的测量

关断总电源后，取下液晶显示屏，将液晶板旋转90度，将金手指2(垂直方向)插入转盘插槽 (如图7所示)。重新通电，将模式转换开关置于静态模式。按照与①相同的方法和步骤，可测量垂直方向的视角特性。并记录入表2中。

4．液晶显示器显示原理

将模式转换开关置于动态(图像显示 )模式。液晶供电电压调到5V左右。 此时矩阵开关板上的每个按键位置对应一个液晶光开关象素。初始时各相素都处于开通状态，按 1次矩阵开光板上的某一按键，可改变相应液晶相素的通断状态，所以可以利用点阵输入关断(或点亮 )对应的象素，使暗相素 (或点亮象素)组合成一个字符或文字。以此让学生体会液晶显示器件组成图像和文字的工作原理。矩阵开关板右上角的按键为清屏键，用以清除已输入在显示屏上的图形。

实验完成后，关闭电源开关，取下液晶板妥善保存。

表2 液晶光开关视角特性测量

角度(度) -85 水Tmax( 平%) 方Tmin( 向%) 视Tmax/ 角Tmin 特性 垂Tmax( 直%) 方Tmin( 向%) -…--0 5 1…888 15 0 0 5 0 0 视Tmax/ 角Tmin 特性

注意事项

1．绝对禁止用光束照射他人眼睛或直视光束本身，以防伤害眼睛!

2．在进行液晶视角特性实验中，更换液晶板方向时，务必断开总电源后，再进行插取，否则将会损坏液晶板。

3．液晶板凸起面必须要朝向激光发射方向，否则实验记录的数据为错误数据。

4．在调节透过率100％时，如果透过率显示不稳定，则很有可能是光路没有对准，或者为激光发射器偏振没有调节好，需要仔细检查，调节好光路。

5．在校准透过率100％前，必须将液晶供电电压显示调到0.00V或显示大于\"250\" ，否则无法校准透过率为100％．在实验中，电压为O．OOV时，不要长时间按住‘透过率校准’按钮，否则透过率显示将进入非工作状态，本组测试的数据为错误数据，需要重新进行本组实验数据记录。

落球法测定液体在不同温度的粘度 实验内容

1. 熟悉落球法变温粘度测量仪 图

变温粘度仪

样品管

加热水套

出水孔

进水孔 支架 底座 1

变温粘度仪的外型如图1所示。待测液体装在细长的样品管中，能使液体温度较快的与加热水温达到平衡，样品管壁上有刻度线，便于测量小球下落的距离。样品管外的加热水套连接到温控仪，通过热循环水加热样品。底座下有调节螺钉，用于调节样品管的铅直。

2．了解开放式PID温控实验仪

PID调节是自动控制系统中应用最为广泛的一种调节规律，自动控制系统的原理可用图2说明。

温控实验仪包含水箱，水泵，加热器，控制及显示电路等部分。仪器内置微处理器，带有液晶显示屏，操作菜单化，能根据实验对象选择PID参数以达到最佳控制，能显示温控过程的温度变化曲线和功率变化曲线及温度和功率的实时值，能存储温度及功率变化曲线，控制精度高等特点，仪器面板如图3所示

开机后，水泵开始运转，显示屏显示操作菜单，可选择工作方式，输入序号及室温，设定温度及PID参数。使用 键选择项目， 键设置参数，按确认键进入下一屏，按返回键返回上一屏。

进入测量界面后，屏幕上方的数据栏从左至右依次显示序号，设定温度，初始温度，当前温度，当前功率，调节时间等参数。图形区以横坐标代表时间，纵坐标代表温度（以及功率），并可用

键改变温度坐标值。仪器每隔15

秒采集1次温度及加热功率值，并将采得的数据标示在图上。温度达到设定值

并保持两分钟温度波动小于0.1度，仪器自动判定达到平衡，并在图形区右边显示过渡时间ts，动态偏差σ，静态偏差e。一次实验完成退出时，仪器自动将屏幕按设定的序号存储。

3. 检查仪器后面的水位管，将水箱水加到适当值。保持温控仪设定的初始值，使之达到较好的控制效果。 4. 设定PID参数

5. 用螺旋测微器测定小球的直径d ，将数据记入表1中，每次测量应选小球的不同方位进行测量，并编好号待用。6. 用小镊子夹起小钢球，将球体用油浸后，延量筒中轴线投入油中，尽量避免对液体的扰动。用秒表测出小球经过一定距离AB所需的时间。用同样的方法将4个小球分别从量筒盖的中孔下落，分别用停表测出每个小球匀速下落通过AB所用的时间t，并计算小球速度v0，用（4）或（8）式计算粘度η，记入表2中。

7. 最后再次从量筒内的温度计中读取温度，仔细观察温度的微小变化。 8．表2中，列出了部分温度下粘度的标准值，可将这些温度下粘度的测量值与标准值比较，并计算相对误差。将表2 中η的测量值在坐标纸上作图，表明粘度随温度的变化关系。

9．实验全部完成后，用磁铁将小球吸引至样品管口，用镊子夹入蓖麻油中保存，以备下次实验使用。

实验思考

1．如何判断小球在作匀速运动?

2．如果遇到待测液体的η值较小，而直径又较大，这时为何须用(8)式计算吗?

3.在实验过程中，如出现温度升高，小球下落速度不变甚至变慢等反常现象，或者结果数据与标定数据相差很大，应及时找出原因

数据记录

1．小球的直径的测量及参数的设定 表1 小球的直径 次数 d (10-3m) 1 2 3 4 5 6 7 8 平均值 PID参数设定如下：KP = 12，T1 = 30， TD = 1/99 设温控仪初始温度为25℃，每次升温范围为 5℃ 。

2．实验数据记录及处理

将实验数据记入表2，并计算对应的速度、η值

表2 粘度的测定 ρ = 7.8×103kg/m3 ρ0 = 0.95×103kg/m3 D = 2.0×10-2m 温度 （?C） 25 30 35 40 45 50 55

1 2 时间（s） 3 4 5 平均 速度 (m/s) η *η(Pa?s) (Pa?s) 测量值 标准值 由表2计算出30℃时的误差为：

同理，可计算出40℃时的误差为：

全息光学透镜的设计与制作

实验内容

1．制作一张正弦位相型同轴全息透镜的全息图，透镜焦距f =200mm。

2．制作一张正弦位相型离轴全息透镜的全息图，并且用实验方法确定其焦

距，实验者自己设计光路。

3．用实验内容1的同轴全息透镜制作一个对切透镜。

注意事项

1．不得直视未经扩束或散射的激光细束。

2．在全息透镜制作过程中应避免曝光量不足，以延长显影时间的方式来获

得全息图的正常黑度。

θ调制全息实验 实验指导

1. 按前面实验光路图摆好马赫—陈德干涉仪，并按制作全息光栅的方法调整光路，使其得到100条／毫米的干涉条纹。(注意干涉条纹在50～100条／毫米)之间为适宜，条纹太密则要求再现光路中的变换透镜的口径要大，否则高频信号无法通过透镜，条纹少于50条／毫米时，虽然高频信号通过透镜，但变换平面上色谱点较集中，制作空间滤波器时很困难。)

2．设计如图七的图案，将图案分成三部分并且挖空．图案是用黑纸做成，整体为一蝴蝶。其中，A框让大翅膀处光通过；B框让身体处光通过；C框让小翅膀处光通过。

3．将做好的图案框互相对准，不要出现错位，然后分别粘在一块透明玻璃的三个边上。使之可以自由掀开将要拍照的干版紧贴图案框玻璃的背面。

4．将图案和干版一起装在马赫—陈德干涉仪两光束的干涉物中．一次一次地对图案框后干版曝光，每曝一次光转过1200(或600)。曝光时应注意图案不要错位，否则整个图案就组合不起来．曝光最好采取过曝，这样可以避免光能过多地集中在零级谱点上． 5．取下干版进行显影、漂白，吹干等处理。

6．将干燥后的干版再现光路中，调节物距和像距，使蝴蝶像清晰，成像大小适中，成像太小，物离透镜较远，高频信号不易通过；成像太大，虽所需频率的成分通过但图案一大颜色就淡了，看起来颜色不鲜艳．

7．用烟薰玻璃放在变换透镜的后焦面(变换面)上，用火柴轻轻划去黑烟，根据所需要的颜色让相应的色谱点通过，象平面上便得到一个彩色的蝴蝶图案。



用焦距仪测量厚透镜组的焦距

实验内容

1、 测双凸透镜的焦距：

将平行光管、透镜夹、测微目镜放置在一根导轨上，待测透镜放在透镜夹上，打上光源，前后移动透镜夹的位置，使测微目镜内能看到平行线分划板上刻线的象，再调节测微目镜上纵向拖板旋钮作前后移动，能清晰看到平行线分划板刻线成像在测微目镜的固定分划板上，直到无视差为止。

读出某一对较大距离的刻线的象的位置，并求出它的距离，根据

求出双凸透镜的焦距的测量值。

2、 测量双凸透镜的截距

透镜焦平面到透镜端面距离称为截距。一次调焦于被测透镜焦面，一次调焦于被测透镜表面，此两次调焦中凸透镜移动的距离就是物镜的截距。根据端面、截距和焦距可以定出焦点和主点的位置。 3、 同样方法测出平凸透镜的焦距和截距。

4、 将双凸透镜和平凸透镜组成透镜组，并用上述方法测出组合透镜组的焦距和截距。

实验记录

1、 双凸透镜的焦距和截距：双凸透镜厚度： 次数 D1 D2 Y=|D2-D1| S1 S2 截距=|S1-S2| A面 （f1） 1 2 3 平均 B面 （） 1 2 3 平均

实验测量值：

焦距：f1= cm； 截距：F1O1= cm；

= cm = cm

(焦点至端面距离)

主点至端面距离： O1H1= cm；

= cm

2、 平凸透镜的焦距和截距

次 数 平 面 1 2 3 D1 D2 Y=|D2-D1| S1 S2 截距=|S1-S2| f2 平均

次 数 凸 面 1 2 3 平均 实验测量值： 焦距：f2= cm 截距：F2O2= cm O2H2= cm = cm = cm = cm D1 D2 Y=|D2-D1| S1 S2 截距=|S1-S2| 3、 透镜组的焦距和截距： 透镜组外端面距离： 次 数 双凸 1 D1 D2 Y=|D2-D1| S1 S2 截距=|S1-S2| 透镜 一侧 2 3 平均 次数 D1 D2 Y=|D2-D1| S1 S2 截距=|S1-S2| 平凸 透镜 一侧 1 2 3 平均 实验测量值： 焦距：f = cm 截距：FO2 = cm. = cm = cm 4.根据共轴球面系统的组合系统理论计算透镜组的焦距和主点的位置（选用光线由双凸透镜一面射入透镜组确定下列各量的正负值）。 （1）根据焦距仪测得双凸透镜焦距： f1=- cm 平凸透镜焦距： =+ cm f2=- cm =+ cm （2）测得透镜组外端面之距离，可以在光轴上确定两厚透镜的焦点（F1、d=

、F2、

）和主点（H1、

、H2、

）的位置，由此可求出：

H2= =

(3) 代入下述公式，求混合系统的焦距和主点位置的理论计算值：

f H1H

（4）比较透镜组焦距的理论计算值与实验量值，分析产生误差的原

因：

%

三棱镜色散曲线的绘制 实验内容

1.调节好分光计待用。 2.测出三棱镜顶角。

3.用高压汞灯做光源，测量10条谱线的最小偏向角，操作光路如图

二所示。

（1） 三棱镜的放置位置如图2所示，注意应使入射平行光尽可能多的照射到棱镜的折射面上。转动望远镜和棱镜台，直到望远镜和平行光管二光轴对称于棱镜的底边，如位置T1。此时可从望远镜中看到汞灯的光谱线，即不同颜色的狭缝像。

（2） 松开载物台转轴固定螺钉，转动棱镜台，使待测谱线向入

射光方向移动，此时偏向角减小。转动望远镜跟踪谱线，直到当棱镜台转到某一位置时，谱线开始向相反方向回转，即偏向角开始增大。这个转折点即为该谱线的最小偏向角位置。 （3） 反复转动棱镜台和望远镜，找到待测谱线开始反向回转的

确切位置。拧紧望远镜旋转支架，固定望远镜，旋转度盘望远镜微动螺钉微调望远镜，使分划板竖直线对准待测谱线的中间且无视差。记下两个窗口的读数和。 （4） 旋转棱镜台和望远镜至位置T2。用相同方法找到该谱线的

最小偏向角位置。记下两窗口读数和。此时，望远镜所转过的角度即为最小偏向角的两倍。每条谱线测量三次，实验记录见表格1

4.在坐标纸上作

曲线。（参见附录1汞灯的可见光谱图）

注意事项

（1） 在调节望远镜时，你如何判断十字叉丝和十字像是否在同一

平面上（即如何判断有无视差）？ 答：轻轻晃动头，使眼睛看到的十字像与叉丝无相对视差 （2）在实验中如何确定最小偏向角的位置？

答：先用眼睛观察，找到折射光线狭缝像。然后分别向顺时针方

向和逆时针方向轻轻转动载物平台（即改变入射角），注意观察狭缝像移动方向。找到最小偏向角的位置。 （3）若找到了一种单色光的最小偏向角位置，此时其它单色光是

否也同时处于最小偏向位置？为什么？ 答：此时，其它单色光不处在最小偏向角位置。原因折射光线与光波波长有关，不同波长最小偏向角会不同。

数据处理

表格1

第二位置 谱线（nm） 次数 404.7nm（强） 兰紫 435.8nm (强) 兰紫 491.6nm 1 2 3 1 2 3 1 第二位置最小偏向 角 顶角 折射率 n (中) 兰绿 496.0nm (中) 兰绿 546.1nm (强) 绿 577.0nm (强) 黄 607.3nm (弱) 红 612.3nm (弱) 红 623.4nm (中) 红 690.7nm (弱) 深红 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3

迈克尔逊干涉仪实验 练习一 用迈克尔迩干涉仪测定钠光波长

当

与

有相同入射角的光，在垂直于观察方向的平面上光的分布轨迹，如图二所示，在垂直观察方向的光源平面S上，自点为中心的圆周上各点发出的光具有相同的倾角，如果在 处放一会聚透镜，在透镜焦平面上放一光屏，则在屏上可以看到一组同心圆环。 干涉条纹的位置取决于光程差，只要光程差有微小的变化，就可以明显地看出条纹的移动。而和两反射光波的光程差为

(1)

其中为人射光在平面镜上的入射角，对于第

(2)

级亮条纹则有

相互平行时，所得图样为等倾干涉，干涉条纹的形状，决定于具

而干涉条纹级别以圆心为最高，

(3)

当移动使增加时，圆心的级别就越来越高，可以看到环形条纹一个个从中心“冒”出来。反之，当减小时，环形条纹向中心一个个“缩”进去。每“冒”出或“缩”进一个条纹,就增加或减少，所以只要数出冒出或缩入的条纹数，即可得到平面镜，以波长λ为单位而移动的距离。显然，若有个条纹从中心冒出时则表明相对于 移远了Δ 。

(4)

反之，若有个条纹缩入时，则表明相对于移近了同样的距离。因而，精确地测出移动的距离Δ，就可以由(4)式，计算入射光波的波长。

练习二 利用圆形条纹测钠光D双线的波长差

以钠光灯作为光源，当

与

镜相互平行时，得到明暗相间的圆形干涉条

纹。因为钠光源包含有波长差很小的两种波长和因而会有这种现象，当两列相干波的光程差恰为整数倍，而同时又为的半整数倍时，有：

（5）

即当光波生成亮环的地方，恰好是光波生成暗环的地方。如果这两列光波强度相等，则由定义，在这些地方条纹的视见度为零。从某一视见度为零到相邻的下一次视见度为零，恰好是一种波长的亮条纹和另一种波长的暗条纹颠倒。即如果第一次视见度为零时为亮条纹，那么第二次它即为暗条纹。也就是光程差的变化对是半个波长的奇数倍，同时对也是半个波长的奇数倍。又因这个奇数是相邻的故得：

式中K为奇数，由此得：

（6）

所以：（7）

对于视场中心来说，设M1镜在相继两次视见度为零时移过光程差的变化应等于，所以

，则由此而引起的

（8）

和

镜移动的距离

，就可以求出两波长的波长差

只要知道两波长平均值

。 （钠光双线的平均波长

）

注意事项

1、由干涉条纹的疏密变化、条纹的“冒”出或“陷”进来判断

M'2与M1的间距d的大小及M1在M'2前后的位置。

2、测定钠光波长时，用眼睛观察等倾干涉条纹时，干涉条纹的中心会随眼睛平移，而干涉条纹的直径不变。

用迈克迩干涉仪测定钠光波长

1 ．点亮钠光灯，使之照射在 前的毛玻璃屏上，造成均匀扩展光源，以便加强条纹的亮度，在毛玻璃屏与分光板之间放一带小孔的光屏，在处进行观察（参考图一）如果仪器未调整好，即与不平行，则在视场中看到的是小孔的双影，此时必须细心调（或)镜背后的三个螺旋，以改变（或）镜的方位，直到双影在水平方向和铅垂方向完全重合。一般情况，取去小孔光屏，即可看到干涉条纹，然后轻轻调节镜旁的微调螺旋使条纹成圆环形。而且当眼睛上下左右移动时各圆大小不变，仅仅是圆心随眼睛移动，这时我们看到的是等倾干涉条纹。

2．按仪器调整中应注意的方法，正确将手柄搬到“合”的位置，旋转微动手轮开始进行计数。首先记录动手轮精确到

镜最初位置

（读数为：干涉仪左边毫米尺上毫米的小数部分加仪器右侧微

镜位置

，则

毫米刻度的整数部分加仪器正面刻度盘精确到

毫米的小数部分和

位的估读数)。然后轻轻旋转微动手

轮数到条纹冒出（或缩进)100个时，停止旋转，再记录波长。

为100个条纹M1镜的移动距离，最后代人公式（4)计算出钠光波的

3．重复上述步骤五次，取其平均值，并计算测量误差，最后将测得波长表示为, 并与理论值比较，计算其相对误差。

练习二 利用圆形条纹测钠光D双线的波长差

1．调好圆形条纹，缓慢移动镜，使视场中心视见度为最小，记下镜的位置，再沿原来的方向移动镜，直到相邻的一个视见度为最小时记下镜位置，即得两相邻视见度为零时镜移动距离

2．按上述步骤重复三次，求得波长差

（

取53 Å )。

的平均值，代入公式(8)计算钠光D双线

练习三 观测等厚干涉条纹和钠光源的相干长度（选作）

1．移动镜，使镜与镜大致重合，调的三个微调螺旋使和有一个很小的角度，视场中出现直线干涉条纹，干涉条纹间距与夹角成反比，夹角太大，条纹变得很密以至于观察不到条纹。将条纹间距取1毫米左右，移动镜观察条纹由弯曲变直再变弯曲的过程。

2．在干涉条纹变直的位置上，取去钠光灯换白炽灯，缓慢地移动

镜，在

某位置可观察到彩色直条纹，条纹中心就是和镜的交线。记录此时镜位置0由于白光的干涉条纹只有数条，所以必须耐心调节才能观察到，如果镜移动过快，条纹一晃而过不易看到。

3．在上述情况下，换钠光灯，旋转粗动手轮。使镜沿增加的方向移动，并注意观察，直至干涉现象不存在为止，记下此时镜的位置，则相干长度。

测钠光的波长数据处理：

测钠光D双线波长差数据处理：

=53 Å