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1、1 中国石油大学近代物理实验实验报告成绩：班级：材物 12-2 姓名：陶保收同组者：郑权教师：尼浩光“拍”的传播和光速的测量【实验目的】1、了解声光频移的基本知识；2、理解光拍频的概念；3、掌握光“拍”法测光速的技术。【实验原理】、光拍的产生与传播根据振动迭加原理， 频差较小、速度相同的二同向传播的平面光波相迭加即形成拍。假设它们的振幅均为0E，圆频率分别为1和2，频差为12，沿轴方向传播，则11101cosxktEE22202cosxktEE式中的11/2k和22/2k为波数，1和2为初位相。这两列迭加后有22cos22cos212121212 021cxtcxtEEEE上式表示沿 轴方向的
2、前进波，其圆频率为221，振幅为22cos212 0cxtE因为振幅以频率2212f作周期性地变化，所以被称为拍频波。图4-2-1所示为拍频波场在某一时刻的空间分布，图中以表示拍频波长。用光电探测器接收光的拍频波，由于光频率高达1014Hz,光振动的周期约为10-14秒，最好的光电探测器，其响应时间也只能到达10-9S，它远大于光波的周期。因此，任何探测器所产生的光电流都只能是在响应时间内的时间平均值，即2 122 0cos1cxtgEi式中 g为探测器的光电转换常数。在同一时刻，光电流i的空间分布如图 4-2-2 所示。将直流成份滤掉， 即得光拍信号。 而光拍信号的位相差与空间位置有关。设空
3、间某两点之间的光程差为L，拍信号位相差为，由下式得cLfcL2如果将光分为两路， 使其通过不同的光程后入射到同一探测器，则该探测器输出的两个光拍信号的位相差与光程差L之间的关系仍由上式确定。特别是当2时，L恰为光拍的波长，因此有fc，在上式中，只要测得了f与则可计算出光速。、相拍二光波的获得3 利用声光效应获得相拍光波可采用行波法和驻波法，在本实验中我们采用驻波法。如图 4-2-3 所示，在声光介质与声源（压电晶体）相对的端面敷以反射材料，若声光介质的厚度恰为超声半波长的整数倍，则前进声波与反射声波在介质中形成超声驻波场，这样的介质也就相当于是一个光栅，激光束通过时就要发生衍射，而且衍射效率较
4、高。第级衍射条纹的圆频率与超声波频率有关，可以写成Fmnmn220,式中，等于、土、土, ，F为超声波频率。可见，在同一级衍射条纹内存在许多不同频率的光波，因此用同一级衍射光就可以获得拍频光。选取第一（1n）级，1,0m的两种频率迭加，获得拍频为F2。【实验装置】光速测定仪、双综示波器、频率计等。图 4-2-4 和图 4-2-5 所示分别为实验装置框图和实验光路图。4 【实验内容】调整仪器（调整方法详见仪器说明书） ，使光路满足图 4-2-5 所示要求。 微调信号频率及斩光器转动速度，同时调节透镜，在示波器中观察图4-2-5 中（ 1） （2）两束光的正弦信号波形并使之振幅相等，移动反射镜（3
5、） ，利用位相比较法由式（ 4-2-4 ）计算NeHe激光在空气中的传播速度。式中f为F2，F值约为MHz15需要从频率计上精确读出，为两束光的光程差，需要进行测量。【注意事项】1、实验中调整光路较为困难，要求必须仔细，动作要轻，严禁用手触摸镜面；2、声光频移器及冷却铜块不得拆卸；3、各单元电路必须正常接线；4、切勿带电触摸激光器电源及电极；5、仪器使用完毕后，必须用防尘罩将其盖好；【数据记录及处理】光程差 =986.00cm F=14.84750M Hz f为F2由实验原理得：fc5 即fc=14.84750M Hz986.00cm =2.93108 m/s 已知光速为 2.998108 m
6、/s 所以实验误差为：（2.9982.93）/2.998 100%=2.3% 误差在实验允许范围内。【误差分析】本实验主要存在两点误差：（1）当在示波器上观察到两列同相位、同频率的波时，在较小的范围内改变光程，示波器上的波形无明显的变化，这让光程的测量存在误差。（2）本实验采用手工测量光程，测量时存在一定的误差。【思考题】1本实验测量光速有什么值得借鉴的地方，这对我们以后测量其他物理量有什么启示？答：我们可根据t/sc或fc测量光速，但光频f 大约为 1014Hz，我们没有那么高的频率计。同样传播距离所需的时间ft/1也没有比较方便的测量方法。本实验采用光拍法来测量光速，其中光拍的频率约为30
7、MHz ，波长约为 10m ，这两个量均可直接精确地测量。利用光拍法测量光速的方法告诉我们在测量一些不能直接测量的物理量时，我们可以进行转化， 将不能直接测量的物理量转化成可以直接测量的物理量，最后导出待测的物理量。这种物理思想在物理发展史上起着重要的作用。2. 如何判断实验光路已经调整准确？答：当在示波器中观察到两列相位、频率相等但幅值有所差别的波时，说明实验光路已经调整准确。【实验总结】本实验的原理部分比较难， 关于公式的推导比较繁琐， 在预习时让我们花费了不少的时间。此外，实验操作的重点就是准确地调节光路。关于调节光路，这对于我们来说是比较难的。 首先要使光路按照原理图准确地运行，其次要确保光能准确无误的进入接6 收孔。这让我们花费了不少的时间。关于接收装置我建议将接收孔变得大一些，这样便于接收光线和调节光路。【原始数据附录】
