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1、为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划相位差测量光速实验报告青岛科技大学实验报告课程名称大学物理实验实验项目光速测量实验专业班级应物122姓名学号指导教师成绩日期XX年04月11日实验报告内容：一实验目的二实验仪器三实验原理四.实验步骤五、实验数据和数据处理六.实验结果七.分析讨论八.思考题相位差法测量光速光速是物理学中最重要的基本常数之一，也是各种频率的电磁波在真空中的传播速度，许多物理概念和物理量都与它有密切的联系，光速值的精确测量将关系到许多物理量值精确度的提高，所以长期以来对光速的测量一直是物理学家十分重视的课题
2、。许多光速测量方法巧妙的构思、高超的实验设计一直在启迪着后人的物理学研究。光的偏转和调制，则为光速测量开辟了新的前景，并已成为当代光通信和光计算机技术的课题。【目的与要求】1.掌握相位法测量光的传播速度。2.了解调制和差频技术。3.熟悉和掌握数字存储示波器的使用。【原理】采用频率为f的正弦型调制波，调制波长为?m的载波的强度，调制波在传播过程中其位相是以2?为周期变化的，表达式为：xI?I0?I0?cos(2?f(t?)c?sc(1)如光接收器和发射器的距离为?s，则光的传播延时为?t?的距离上产生的相位差为?2?f?t?2?，其中c为光速。在?s?tT。被光电检测器接收后变为电信号，该电信号
3、被滤除直流后可表示为：U?a?cos(2?f?t?)可得光速：c?(2)?s?2?f(3)如果光的调制频率非常高，在短的传播距离?s内也会产生大的相位差?。如果光的调制频率f?，当?s5m时，就会使光信号的相位移达到一个周期?2?。然而高频信号的测量和显示是非常不方便的，普通的教学示波器不能用于高频信号的相位差测量。设在接收端还有一个高频信号f?作为参考信号，表示为：U?a?cos(2?f?t)将U和U?相乘得到：(4)U?U?a?cos(2?f?t?)?a?cos(2?f?t)?12aa?cos2?(f?f?)?t?12aa?cos2?(f?f?)?t?及差频可见经乘法器后将得到和频ff?f
4、1?f?f?100KHz的混合信号。将该混合信号通过一个中心频率为100KHz、带宽为10KHz的滤波器后，和频信号将被滤除，差频信号将保留。上式将变为：U1?a1?cos(2?f1?t?)该信号频率仅为100KHz，很容易被低频示波器观测到。此式中?没有被改变与(2)式相同，?与信号f1的传播时间?t1相关，?t1可以从示波器上观测到。设f1的周期为T1，则：?2?f1?t1?2?t1T1将式带入式得光速：c?s?t1根?T1?f据上面的条件：T11100KHz10?s，f。测得?s，?t1即可由式计算出光速。使用比较法测量光在非空气介质中的传播速度cm，如图1所示图1比较法测量光在不同介质
5、中传播速度在光路中加入玻璃或水等介质进行第一次测量，总光程为L1，传播时间为t1，反光棱镜位置为x1；第二次测量时，将介质拿掉，信号的相位会发生变化，移动反光棱镜到位置x2处，使测量信号相位回到第一次测量的位置，即使光的传播时间和第一次相同为t1，此时总光程为L1?2?x；由此可以得出光在空气中传播距离Lm?2?x和在介质中传播距离Lm所需时间相同。由上述可以得出介质的折射率：nm?2?x?LmLm因此介质中的光速为：cm?【仪器】cnmDHLV-2光速测定仪、UTD2102CEX数字存储示波器。图2光速测定仪测试架1激光发射装置，2.光电探测装置，3.水或石英玻璃装置，4.直线导轨，5.滑块
6、及反射棱镜，6.棱镜调节螺杆图3光速测定仪面板图1.J1：参考频率信号输出，2.J2：60MHz调制频率信号输出，3.J3：60MHz光电接收信号输出，4.J4：100KHz参考信号输出，5.J5：100KHz测量信号输出【实验内容与步骤】实验装置如图2和图3所示。1.熟悉数字示波器主要旋钮的功能，观测光速测定仪面板图中各输出端口的信号。观测光速测定仪面板图中J1和J2信号的乘积，了解调制和差频技术。2.测量光在空气中的传播速度ca参考信号输出J4接示波器通道1，测量信号输出J5接示波器通道2。示波器设置：触发信号设置为CH1。光路调节：棱镜全程滑动时，反射光完全射入接收端，从示波器上观察测量
7、信号，全程幅度变化小于1V。一般情况调节棱镜仰角便可将光路调合适。建议用频率计测量参考信号和测量信号的频率，因为晶振是有误差的，得到的100K信号往往有近1%的误差，这样的话用实测频率就会减小测量误差。用测量时间差法测空气中光速：通过移动滑块及反射棱镜的位置，用示波器测量相应测量信号与参考信号的时间差，改变滑块及反射棱镜的位置重复测量6次，测量结果记入表1。用测量相位差法测空气中光速：通过移动滑块及反射棱镜的位置，测量相应测量信号与参考信号的相位差，多次测量6次取平均，测量结果记入表2。3.测量光在水和石英玻璃中的光速将待测样品水和石英玻璃棒分别安放在测试架上，样品放在激光返回的光路上，尽可能
8、靠近光电探测装置，移动滑块及反射棱镜至靠近待测样品，记下当前参考信号和测量信号的时间差?t1，记下滑块及反射棱镜的位置x1。重复测量6次。将待测样品取下，滑动滑块及反射棱镜使得参考信号和测量信号的时间差等于步骤中的?t1，记下滑块及反射棱镜的位置x2。重复测量6次。【数据处理与分析】1.用测量时间差法测空气中光速：用图解法计算光在空气中的传播速度ca。并与公认值c0?10m/s比较，计算百分误差。82.用测量相位差法测空气中光速：用式计算在空气中光速的平均值和不确定度。3.计算光在石英玻璃中的传播速度和折射率的平均值和不确定度。5.计算光在水中的传播速度和折射率的平均值和不确定度。数据记录参考
9、表格如下：表1光在空气中传播速度数据表光速测量实验报告实验目的：1.了解和掌握光调制的基本原理和技术2.学习和使用示波器测量同频正弦方波信号相位差的方法3.测量光在空气中的速度实验仪器：激光器、信号发生器、光接收器、示波器、反射镜等实验原理相位=*d，其中为相位差，为波数，d为光程差。实验采用平面镜改变光程差d,实验中可以通过测量平面镜之间的距离来确定光程差d。信号发生器为直流方波输出，则激光器发出激光脉冲。激光接收器收到激光信号后输出基频信号，且输出的信号为一正弦波，前后移动平面反射镜的距离，并测出移动的距离进而测出光程差d,由于光程差的改变，则信号反射光的信号的相位发生变化，由示波器上可以
10、确定时间t1和t2，计算出时间差t=(来自:写论文网:相位差测量光速实验报告)t1-t2，所以光速c=d/t。下面是测量图：示波器激光接收器平面反射镜信号发生器激光器d实验内容1.正确的连接线，把实验仪器连接摆放好;2.调试实验仪器，由于如果反射镜离的太远，不利于实验中对实验仪器的调试，因此，在调试仪器阶段应当使反射镜离激光器近。同时，反射镜，激光器，信号接收器应该保持在同一水平面上。由信号发生器发出一矩形方波，作用在激光器上使激光器发出光脉冲，由反射镜反射的信号由接收器转换成正弦波，把正弦波与方波同时输入示波器，由于方波是很稳定的不随反射镜位置的变化，把触发信号选择成方波。3.选择合适的反射镜位置作为基点，然后移动反射镜的位置，测量实验数据d和t，处理实验数据，可以用线性来求。4.整理实验仪器实验数据绘图如上所示，则可得光速c=*108m/s标志偏差为s=*108m/s相对误差为d=(*108?108)/*108=%实验结论：实验测出的实验室光速为c=*108m/s，与光在真空中的速度的相对误差为%目的-通过该培训员工可对保安行业有初步了解，并感受到安保行业的发展的巨大潜力，可提升其的专业水平，并确保其在这个行业的安全感。
