《cd-r光盘轨道密度测定设计性实验》由会员分享，可在线阅读，更多相关《cd-r光盘轨道密度测定设计性实验（8页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、 1 评分： 大学物理实验设计性实验 实 验 报 告 实验题目： 班 级： 姓 名： 学号： 指导教师： 广东石油化工学院技术物理系大学物理实验室 实验日期：2011年 10 月 18日 2 CD-R 光盘轨道密度测定 总体设计方案思路： 本实验是用平面透射光栅衍射法，根据光源的已知光谱（激光器的光源） ，利用 平面透射光栅的射现象，在光屏上得到衍射条纹，我们分析衍射条纹，找出规律， 从而就可以测定一张废旧 CD-R 光盘轨道的密度。 1、实验目的： 1、了解光栅的分光作用及原理，熟练掌握光的干涉、衍射原理； 2、利用透射光栅原理测定光栅狭缝密度，即光栅密度； 3、掌握激光器、光栅等仪器的使用
2、； 4、进一步加深数据处理的能力； 5、提高自主设计实验的能力。 2、实验仪器： 用 CD-R 光盘制作的平面光栅、米尺（1m/0.001m、30cm/0.1m） 、激光器、 光屏、升降台三个。 3、实验原理： CD-R 光盘是在一块圆形纤维板上，用精密激光仪器刻划出一组很密、等距的 同心圆构成的。光射到每一条刻痕上便发生散射，刻痕起不透光作用，光只能从刻 痕间透明狭逢中通过。 截取 CD-R 光盘上的一小部分，便可以把这部分看成一系列密集、均匀而又平 行排列的狭缝，即为一个光栅。 光栅的衍射条纹是衍射和干涉的总效果，光照射到光栅上，通过每个狭缝的光 都发生衍射，下面我们来分析下行光垂直射到光
3、栅上的情况。如图（一）所示： 3 光屏 CD-R光栅 Q x激光器 o x Q y 图（一） 激光光源发出的光源平行射入光栅，设光栅的缝宽为 ，相邻狭缝间不透明部 a 分的宽度 ，若以单色平行光束垂直入射于光栅平面上，则经光栅衍射后的平行光 b 束将在观察屏上形成间距不同的亮线衍射条纹，因为亮线衍射条纹实际上是光源狭 缝的衍射象，是一条锐细的亮线，所以又称为光谱线。根据夫琅和费衍射理论，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： （ ） k d sin 3 , 2 , 1 , 0 k 式叫光栅方程，其中 （其中 为缝宽， 为相邻缝间不透光部分 b a d a
4、b 的宽度）为相邻狭缝之间的距离，称为光栅常数， 为光波波长， 为明纹等级数。 k 当 时， ，即 ，此时任何波长的光均满足式，各种波长的光 0 k 0 sin 0 谱线重叠在一起，形成明亮的零级条纹，又称中央条纹。对于 的其它数值，不同 k 波长的光谱线出现在不同的方向上（ 的值不同） ，而与 的正负两组相对应的两组 k 光谱，则对称地分布在零级光谱两侧。 为左右对称分布的一级条纹， 1 k 为左右对称分布的二级条纹，如此类推。 2 k 若光栅常数 已知，在实验中测定某谱线的衍射角 和对应的光谱级 ，则可 d k 由 式求出该谱线的波长 ；反之，如果波长 是已知的，则可求出光栅常数 。 d
5、4 根据测量出的光栅平面与中央明纹的距离 和各级亮纹与中央明纹的距离 ， y x 利用三角形定理： 2 2 sin y x x 可以求出各级条纹的衍射角的正弦值 ，把代入 式可求得： sin x y x k d 2 2 若在 CD-R 光盘光栅上每厘米刻有 条刻痕，则 与光栅常数 的关系为： n n d（条） d n 1 即 CD-R 光盘轨道密度为：（条/ ） n cm 求出光栅常数 后，就可以求出 CD-R 光盘轨道密度了。由 和 得： d 2 2 y x k x n 又因为亮纹等级 的正负号只是人们为了便于区分其位置而规定的，在实际计 k 算中，CD-R 光盘轨道密度为 不能为负值，所以
6、， 值应取绝对值进行算计，得： k 2 2 y x k x n 利用式就可以算出 CD-R 光盘轨道的密度 。 4、实验内容与步骤： 1、用一张废旧 CD-R 光盘利用拨膜遮盖方法制作一个平面透射光栅。 2、仪器调节： （1） 检察仪器的正常性，调节升降台，使激光器水平放置，接通仪器电源， 启动激光器，预热几分钟，待激光器发光稳定。 （2） 如图（二）所示，将光栅正确放于激光器与观察屏之间的升降台上， 5 使光栅平面与观察屏平行，让激光束垂直通过光栅平面并在观察屏上成像。注意： 三者之间的距离选择要适当，既不能太远，也不能太近，以免影响观察效果。（3）这时，在观察屏上可看到衍射光的干涉条纹，最
7、亮的就是零级条纹， 在其两 旁对称地分布着各级干涉条纹，一般可看清楚 3级左右。 3、测定各级干涉条纹的有关距离： （1）选择一个位置，把光栅放好，进行测量： 1）测出光栅平面与中央明纹的距离 y，记录好数据。 2）用光屏纸标记各级亮纹的位置，测量出各级亮纹与中央明纹的距 离 x，记录好数据。 （2）另外选择两个适当的位置，重复以上测量操作，并记录好数据。 4、实验完毕后，关闭电源，并按原样摆放好仪器。 五、数据处理： 激光波波长： 632.8 nm次数 测量量 1 2 3 光栅平面与中央 明纹的距离 y（cm） 49.25 63.31 75.56 亮纹等级 k （级） -1 +1 -1 +1
8、 -1 +1 6 第一次测量第一级明纹与中央明纹的平均距离为： ) ( 6 . 232 2 3 . 234 9 . 230 2 11 11 1 mm x x x 第二次测量第一级明纹与中央明纹的平均距离为：) ( 5 . 298 2 3 . 296 7 . 300 2 21 21 2 mm x x x 第三次测量第一级明纹与中央明纹的平均距离为： ) ( 4 . 357 2 5 . 362 2 . 352 2 31 31 3 mm x x x 由公式：得： 2 2 y x k x n 2 2 2 3 - 9 -3 2 1 2 1 1 1 ) 10 49.25 ( ) 10 (232.6 10
9、8 . 632 1 10 6 . 232 y x k x 674.9 1 mm 2 2 2 3 - 9 -3 2 2 2 2 2 2 ) 10 31 . 63 ( ) 10 5 . 298 ( 10 8 . 632 1 10 5 . 298 y x k x 674.0 1 mm2 2 2 3 - 9 -3 2 3 2 3 3 3 ) 10 75.56 ( ) 10 4 . 357 ( 10 8 . 632 1 10 4 . 357 y x k x 675.7 1 mm 9 . 674 3 7 . 675 674 9 . 674 3 3 2 1 1 mm 的不确定度为： x 各级亮纹与中央 明纹
10、的距离 x（mm） 230.9 234.3 300.7 296.3 352.2 362.5 7 （其中 取 10） mm mm k U inst x 1 1 . 0 10 k 的不确定度： y（其中 取 15） mm mm k U ist y 5 . 1 1 . 0 15 k 的不确定度： 2 2 ) ( ) ( y y x x U U U = 2 2 / 3 2 2 2 2 / 3 2 2 2 ) ( ) ( y x U y x y x U y x y 1 U 2 2 / 3 2 1 2 1 1 1 2 2 / 3 2 1 2 1 2 1 ) ( ) ( y x U y x y x U y
11、x y 2 2 / 3 2 2 7 2 2 / 3 2 2 7 2 ) 25 . 49 26 . 23 ( 10 8 . 632 15 . 0 25 . 49 26 . 23 ) 25 . 49 26 . 23 ( 10 8 . 632 1 . 0 25 . 49 5.3 1 mm 2 U 2 2 / 3 2 2 2 2 2 2 2 2 / 3 2 2 2 2 2 2 ) ( ) ( y x U y x y x U y x y = 2 2 / 3 2 2 7 2 2 / 3 2 2 7 2 ) 31 . 63 85 . 29 ( 10 8 . 632 15 . 0 31 . 63 85 . 2
12、9 ) 31 . 63 85 . 29 ( 10 8 . 632 1 . 0 31 . 63 2.3 1 mm 3 U 2 2 / 3 2 3 2 3 3 3 2 2 / 3 2 3 2 3 2 3 ) ( ) ( y x U y x y x U y x y = 2 2 / 3 2 2 7 2 2 / 3 2 2 7 2 ) 56 . 75 74 . 35 ( 10 8 . 632 15 . 0 56 . 75 74 . 35 ) 56 . 75 74 . 35 ( 10 8 . 632 1 . 0 56 . 75 1.9 1 mm的不确定度取： 3 . 5 U 1 mm 8 的相对不确定度为： % 8 . 0 % 100 9 . 674 3 . 5 % 100 U U r 六、实验结果： ) 3 . 5 9 . 674 ( 1 mm % 8 . 0 r U 七、思考问题： （1） 、光栅与光屏之间的距离多远比较合适？答：为了使测量各级亮纹与中央明纹的距离较为准确，而又不太浪费光屏纸， 光栅与光屏之间的距离应选在0.3m至1.0m之间比较合适。 （2） 、改变光源和光栅的距离是否对衍射花样有影响？答：有。因为改变光源和光栅的距离，会使激光束的衍射角发生变化，从而 改变衍射花样。 （3） 、如何确定0级谱线的位置？答：0级谱线位于衍射花样中央，且是亮度最高的一条条纹。
