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1、实验一 光速的测量对作为最基本的物理量之一的光速进行精确测定，能证实光的电磁本性。从 17 世纪伽利略第一次尝试测量光速以来，各个时期人们都采用最先进的技术来测量光速。由于光速的数值很大，所以早期的测量都是用天文学的方法。由于测量仪器的精度限制，其精度不高。而 19 世纪 50 年代以后，对光速的测量都采用测量光波波长 和它的频率 。由得出光的传播速度。到了 20 世纪 60 年代，随着激光作为一种高稳定的崭新光源的c出现，使光速测量精度得到很大的提高。目前公认的光速度为（299、792、4581.2）。sm/【实验目的】1理解光拍频的概念，从而确定光速测定的原理；2掌握光拍法测光速的实验方法
2、和技术。【仪器设备】1LM2000C 光速测定仪 示波器 频率计【实验原理】1光拍的产生和传播：根据振动迭加原理，频差较小、速度相同的二同向传播的简谐波相迭加即形成拍。考虑频率分别为 和 （频差 较小）的光束(为简化讨论，我们假定它们具有相1221同的振幅) ： )cos(111xtE)2(22t它们的迭加 22cos22cos 111121 cxtcxtEs（1）是角频率为 ，振幅为 的前进波。注意到21 22cos11cxtE的振幅以频率 周期地变化，所以我们称它为拍频波， 就是拍频，如sE21 图 1 所示：t我们用光电检测器接收这个拍频波。因为光检测器的光敏面上光照反应所产生的光电流系
3、光强（即电场强度的平方）所引起，故光电流为（2）2sogEig 为接收器的光电转换常数。把（l）代入（2） ，同时注意：由于光频甚高（） ，光敏面来不及反映频率如此之高的光强变化，迄今仅能反映频率Hzo140左右的光强变化，并产生光电流；将 对时间积分，并取对光检测器的响应时间8 0i的平均值。结果， 积分中高频项为零，只留下常数项和缓变项。即：)1(to 0i（3） to cxtgEdii )(cos12其中 是与 相应的角频率， 为初相。可见光检测器输出的光电流21包含有直流和光拍信号两种成分。滤去直流成分，即得频率为拍频 ，位相与初相和空间位置有关的输出光拍信号。图 2 是光拍信号 在某
4、一时刻的空间分布，如果接收电路将直流成分滤掉，即得纯粹0i的拍频信号在空间的分布。这就是说处在不同空间位置的光检测器，在同一时刻有不同位相的光电流输出。这就提示我们可以用比较相位的方法间接地决定光速。图六图 1 光拍频的形成E1 + E2 事实上，由（3）可知，光拍频的同位相诸点有如下关系：或 ncx2 ncx（4）n 为整数，两相邻同相点的距离 即相当于拍频波的波长。测定了 和光拍频c，即可确定光速 。c2相拍二光束的获得光拍频波要求相拍二束具有一定的频差。使激光束产生固定频移的办法很多。一种最常用的办法是使超声与光波互相作用。超声（弹性波）在介质中传播，引起介质光折射率发生周期性变化，就成
5、为一位相光栅。这就使入射的激光束发生了与声频有关的频移。利用声光相互作用产生频移的方法有二：一是行波法，在声光介质与声源（压电换能器）相对的端面上敷以吸声材料，防止声反射，以保证只有声行波通过，如图 3 所示。互相作用的结果，激光束产生对称多级衍射。第 级衍射光的角频率为 。其中l l01为入射光的角频率， 为声角频率，衍射级 ，如其中 级行021、射光频为 ，衍射角为 ， 和 分别为介质中的光和声波长。通过仔101 细的光路调节，我们可使 与零级二光束平行迭加，产生频差为 的光拍频波。i。图 2 光拍的空间分布/cg 2E x0声行波入射光+3+20+1-1-3-2图 3 行波法声反射面入射
6、光3201132图 4 驻波法 另一种是驻波法，如图 4 所示。利用声波的反射，使介质中存在驻波声场（相应于介质传声的厚度为半声波长的整数倍的情况） 。它也产生 级对称衍射，而且衍射光比行波法l时强得多（衍射效率高） ，第 级的衍射光频为lmllm20其中 ， 可见在同一级衍射光束内就含有许多不同频率的光波的迭l210，加（当然强度不相同） ，因此用不到光路的调节就能获得拍频波。例如选取第一级，由和 的两种频率成分迭加得到拍频为 的拍频波。m2两种方法比较，显然驻波法有利，我们就作此选择。【注意事项】1光频移器引线等不得随意拆卸， ；2忌用手或其它物体接触光学元件的光学面，实验结束盖上防护罩；
7、3切勿带电触摸激光管电极；4提高实验精度，防止假相移的产生。为了提高实验精度，除准确测量超声波频率和光程差外，还要注意对二束光位相的精确比较。如果实验中调试不当。可能会产生虚假的相移，结果影响实验精度。【内容与步骤】1、电路控制箱面板上的功率指示表头中，读数值乘以 10 就是毫瓦数（即满量程是1000 ） 。mw2、调节电路控制箱面板上的“频率”和 “功率”旋钮，使示波器上的图形清晰，稳定（频率大约在 左右，功率指示一般在满量程的 60% - 100%） ；zzMH02.753、调节声光器件平台的手调旋钮 2，使激光器发出的光束垂直射入声光器件晶体，产生 Raman-Nath 衍射（可用一白屏
8、置于声光器件的光出射端以观察 Raman-Nath 衍射现象） ，这时应明确观察到 0 级光和左右两个（以上）强度对称的衍射光斑，然后调节手调旋钮1，使某个 1 级衍射光正好进入斩光器；4、内光路调节：调节光路上的平面反射镜，使内光程的光打在光电接收器入光孔的中心；5、外光路调节：在内光路调节完成的前提下，调节外光路上的平面反射镜，使棱镜小车 A、B 在整个导轨上来回移动时，外光路的光也始终保持在光电接收器入光孔的中心；6、反复进行步骤(4)和(5)，直至示波器上的两条曲线清晰、稳定、幅值相等。注意调节斩光器的转速要适中。过快，则示波器上两路波形会左右晃动；过慢，则示波器上两路波形会闪烁，引起
9、眼睛观看的不适；另外各光学器件的光轴设定在平台表面上方 62.5的高度，调节时注意保持才不致调节困难。m【数据记录与处理】1、记下频率计上的读数 ，在记录过程中应随时注意 ，如发生变化，应立即调节声光功率源面板上的“频率”旋钮，保持 在整个实验过程中的稳定；f2、利用千分尺将棱镜小车 A 定位于导轨 A 最左端某处（比如 5 处） ，这个起始值m记为 Da(0)；同样，从导轨 B 最左端开始运动棱镜小车 B，当示波器上的两条正弦波完全重合时，记下棱镜小车 B 在导轨 B 上的读数，反复重合 5 次，取这 5 次的平均值，记为 Db(0)；3、将棱镜小车 A 定位于导轨 A 右端某处（比如 53
10、5 处） ，这个值记为 Da(2)；将m棱镜小车 B 向右移动，当示波器上的两条正弦波再次完全重合时，记下棱镜小车 B 在导轨B 上的读数，反复重合 5 次，取这 5 次的平均值，记为 Db(2)； 4、将上述各值填入下表，计算出光速 V：次数0aD2a0b2bD02*02*2 aabb DDf 误差1 %2 %3 %*光在真空中的传播速度为 sm/102.978【思考与讨论】1 “拍”是怎样形成的？它有什么特性？2声光调制器是如何形成驻波衍射光栅的？激光束通过它后其衍射有什么特点？3根据实验中各个量的测量精度，估计本实验的误差，如何进一步提高本实验的测量精度？附 录 一 LM2000C 光速
11、测量仪外形结构介绍：二LM2000C 光速测量仪光学系统示意图：123 45 67 8911121013141.电路控制箱 2.光电接收盒 3.斩光器 4. 斩光器转速控制旋钮 5. 手调旋钮 1 6.手调旋钮 2 7.声光器件 8.棱镜小车 B 9.导轨 B 10. 导轨 A 11. 棱镜小车A12.半导体激光器 13.示波器 14 频率计 15 棱镜小车横向移动手轮 16 棱镜小车俯仰手轮 机械结构图1516实验二 氢原子光谱对元素的光谱进行研究是了解原子结构的重要途径之一。氢原子的结构最简单，它的光谱明显地具有规律，早就为人们所注意。各种原子光谱线的规律性的研究正是首先在氢原子上得到突破
12、的。氢原子又是一种典型的最适合于进行理论与实验比较的原子。二十世纪初对氢原子光谱的研究在量子论的发展中多次起过重要作用。1913 年玻尔建立了半经典的氢原子理论，成功解释了包括巴耳末线系在内的氢光谱的规律。事实上氢的每一谱线都不是一条单独的线，换言之，都具有精细结构，不过用普通的光谱仪器难以分辨，因而被当作单独一条而已。这一事实意味着氢原子的每一能级都具有精细结构。1916 年索末菲考虑到氢原子中电子的椭圆轨道上近日点的速度已经接近光速，他根据相对论修正了玻尔的理论，得到了氢原子能级精细结构的精确公式。但这仍是一个半经典理论的结果。1925 年薛定谔建立了波动力学（即量子学中的薛定谔方程） ，
13、重新解释了玻尔理论所得到的氢原子能级。不久海森伯和约丹（1926 年）根据相对论和薛定谔方程推得一个比索末菲所得的在理论基础上更加坚实的结果，将这结果与托马斯（1926 年）推得的电子自旋轨道相互作用的结果合并起来，得到了精确的氢原子能级精细结构公式。尽管如此，根据该公式所得巴耳末系第一条（理论）精细结构与不断发展的精密测量中所得实验结果相比，仍有约百分之几的微小差异。1947 年蓝姆和李瑟福用射频波谱学方法，进一步肯定了氢原子第二能级中轨道角动量为零的一个能级确实比上述精确公式所预言的高出 1057MHz（乘以普朗克常数即得相应的能量值） ，这就是有名的蓝姆移动。直到 1949 年，利用量子
14、电动力学理论将电子与电磁场的相互作用考虑在内。这一事实才得到了解释，成为量子电动力学的一项重要实验根据。【实验目的】1. 学习识谱和一种测量谱线波长的方法。2. 了解小型棱镜读谱仪的结构和原理。3. 通过测量氢光谱可见谱线的波长，验证巴耳末公式的正确性，从而对玻尔理论的实验基础有具体了解，力求准确测定氢的里德伯常数，对近代测量所达到的精度有一初步了解。【仪器设备】1. WPL 小型棱镜读谱仪2. 氢灯3. 汞灯4. 升降载物台【实验原理】1. 仪器介绍WPL 小型棱镜读谱仪可从光谱教学、金属与合金光谱分析与一般科学研究使用仪器以摄谱为主，并能看谱和作单色光计用。图 1 仪器原理图1、聚光镜 2
15、、入射狭缝 3、入射物镜4、恒偏向棱镜 5、出射物镜 6、出射狭缝7、看谱目镜 8、照相物镜 9、摄谱底片10、读谱装置在图 1 中，来自被分析物质所激发的光束经聚光镜 1 聚焦在入射狭缝 2 上，并以发射光束射到入射物镜，因入射狭缝 2 位于物镜 3 的焦面上，所以通过物镜后变成平行光束，恒偏向棱镜 4 把投射在它上面的光束分解成单色光，出射物镜 5 把光束的每种单色光会聚到它的焦面上，结果得到入射狭缝的不连续或连续的依照波长排列的单色光像，这就是对应于某物质的光谱。借助看谱镜的出射狭缝 6，便可获得所需单色光；通过看谱目镜观察时，可看到它的光谱像。摄谱时，通过照相物镜 8 的作用，在摄谱底片 9 上可摄下相应的光谱。通过读谱装置 10，可以读出各个谱线的相对位置。2. 恒偏向角棱镜三棱镜的光谱实验一般在最小偏向角附近进行。由于不同波长的光和不同
