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1、奥林匹克物理竞赛复赛奥林匹克物理竞赛复赛-光学实验试题光学实验试题光学实验试题光学实验试题1题目题目题目题目: : 测量金属丝的直径测量金属丝的直径测量金属丝的直径测量金属丝的直径 【仪器与用具仪器与用具仪器与用具仪器与用具】未未知知波波长长的的激激光光器器、凸凸透透镜镜、待待测测金金属属丝丝、物物屏屏、像像屏屏、CDCD光光盘盘、米米尺尺、三三角板、支架若干、金属夹等。角板、支架若干、金属夹等。【实验内容实验内容实验内容实验内容】1 1测量激光器的波长；测量激光器的波长；2 2测量待测金属丝的直径。测量待测金属丝的直径。 2【要求要求】1 1自自己己设设计计实实验验方方法法，根根据据需需要要
2、从从以以上上仪仪器器与与用用具具中中选选择择合合适适的的器器材材，采采取适当方法和措施，尽量准确地测量。取适当方法和措施，尽量准确地测量。2 2画画出出测测量量光光路路图图，准准确确地地反反映映出出各各器器件件间间的的位位置置、角角度度等等关关系系，在在图图中中注明各量。注明各量。3 3简述为提高测量准确性所采取的方法和措施。简述为提高测量准确性所采取的方法和措施。4 4完整记录测量数据完整记录测量数据, ,写出计算公式，计算结果。写出计算公式，计算结果。 3【说明说明】1 1待测金属丝已装在物屏的中心孔处。待测金属丝已装在物屏的中心孔处。2 2CDCD光光盘盘表表面面是是一一些些在在光光滑滑
3、平平面面上上连连续续不不断断的的“ “坑坑点点” ”同同心心圆圆轨轨迹迹，其其密密度度为为每毫米每毫米625625条。条。【注注】 以卷面为评分依据以卷面为评分依据 4【参考答案参考答案】 一一. . 半导体激光器波长的的测量半导体激光器波长的的测量1. 1. 测量光路图：用反射光栅衍射的方法测量激光的波长。测量光路图：用反射光栅衍射的方法测量激光的波长。 52 2计算公式：计算公式：为入射角，为衍射角。当入射光垂直光盘表面时，=0，测量1级谱线衍射角，所以由光栅衍射方程其中 (的标准值:23.96度)63. 3. 3. 3. 实验步骤实验步骤实验步骤实验步骤 （1 1 1 1）将激光器、观察
4、屏和光盘等按图中位置摆放，开始观察屏和光盘距离尽可能）将激光器、观察屏和光盘等按图中位置摆放，开始观察屏和光盘距离尽可能）将激光器、观察屏和光盘等按图中位置摆放，开始观察屏和光盘距离尽可能）将激光器、观察屏和光盘等按图中位置摆放，开始观察屏和光盘距离尽可能地近。地近。地近。地近。（2 2 2 2）将激光器出射口对准观察屏的中心孔。打开激光器电源）将激光器出射口对准观察屏的中心孔。打开激光器电源）将激光器出射口对准观察屏的中心孔。打开激光器电源）将激光器出射口对准观察屏的中心孔。打开激光器电源（3 3 3 3）将光盘慢慢地远离观察屏，保持光盘与观察屏平行，观察衍射光斑，使两衍）将光盘慢慢地远离观
5、察屏，保持光盘与观察屏平行，观察衍射光斑，使两衍）将光盘慢慢地远离观察屏，保持光盘与观察屏平行，观察衍射光斑，使两衍）将光盘慢慢地远离观察屏，保持光盘与观察屏平行，观察衍射光斑，使两衍射光点与中心的反射光点距离相等，且在同一水平线上。射光点与中心的反射光点距离相等，且在同一水平线上。射光点与中心的反射光点距离相等，且在同一水平线上。射光点与中心的反射光点距离相等，且在同一水平线上。（4 4 4 4）用米尺测量两衍射光斑之间的距离）用米尺测量两衍射光斑之间的距离）用米尺测量两衍射光斑之间的距离）用米尺测量两衍射光斑之间的距离h h和观察屏到光盘之间的距离和观察屏到光盘之间的距离和观察屏到光盘之间
6、的距离和观察屏到光盘之间的距离l l。(5)(5)(5)(5)计算激光器波长。计算激光器波长。计算激光器波长。计算激光器波长。 74. 4. 测量中采取的措施和注意事项：测量中采取的措施和注意事项：（1 1）入入射射光光应应采采取取垂垂直直照照射射。可可以以用用光光线线是是否否沿沿原原路路返返回回来来判判断断是是否否垂垂直直照照射射. .（2 2）为为避避免免入入射射光光不不垂垂直直照照射射而而造造成成正正、负负级级谱谱线线关关于于零零级级谱谱不不对对称称，只只测测量量一一侧侧谱谱线线造造成成衍衍射射角角测测量量误误差差，应应测测量量正正、负负1 1级级谱谱线线间间总总夹夹角角，除除以以2 2
7、后得到垂直入射时的衍射角。后得到垂直入射时的衍射角。（3 3）应应尽尽量量使使屏屏与与光光盘盘平平行行, ,并并与与入入射射光光垂垂直直。可可用用测测量量不不同同位位置置光光盘盘与与屏屏间的距离是否相等来判断间的距离是否相等来判断. .（4 4）为准确测量衍射光斑位置，可在光源后加凸透镜，将光斑汇聚成较小的）为准确测量衍射光斑位置，可在光源后加凸透镜，将光斑汇聚成较小的光点。光点。 (5) (5) 多次测量多次测量 85 5实验数据：实验数据： 测量次数l(mm)h(mm)(10-6mm)123平均9二、测量金属丝直径二、测量金属丝直径二、测量金属丝直径二、测量金属丝直径 1 1 1 1测量光
8、路图：采用衍射原理测量细丝直径。测量光路图：采用衍射原理测量细丝直径。测量光路图：采用衍射原理测量细丝直径。测量光路图：采用衍射原理测量细丝直径。 102. 2. 2. 2. 实验步骤：实验步骤：实验步骤：实验步骤：（1 1 1 1）将光盘换成观察屏，调整激光器使光束中心通过待测金属丝。后移观察屏，）将光盘换成观察屏，调整激光器使光束中心通过待测金属丝。后移观察屏，）将光盘换成观察屏，调整激光器使光束中心通过待测金属丝。后移观察屏，）将光盘换成观察屏，调整激光器使光束中心通过待测金属丝。后移观察屏，使在屏上得到清晰的衍射条纹。使在屏上得到清晰的衍射条纹。使在屏上得到清晰的衍射条纹。使在屏上得到
9、清晰的衍射条纹。（2 2 2 2）用米尺测量中心亮斑两测正负）用米尺测量中心亮斑两测正负）用米尺测量中心亮斑两测正负）用米尺测量中心亮斑两测正负3 3 3 3级的衍射光点之间的距离。级的衍射光点之间的距离。级的衍射光点之间的距离。级的衍射光点之间的距离。（3 3 3 3）计算金属丝直径。）计算金属丝直径。）计算金属丝直径。）计算金属丝直径。 113 3 3 3测量中采取的措施和注意事项：测量中采取的措施和注意事项：测量中采取的措施和注意事项：测量中采取的措施和注意事项： （1 1 1 1）像屏要与激光束垂直。）像屏要与激光束垂直。）像屏要与激光束垂直。）像屏要与激光束垂直。（2 2 2 2）为
10、为为为使使使使衍衍衍衍射射射射光光光光斑斑斑斑清清清清晰晰晰晰，可可可可在在在在光光光光源源源源与与与与细细细细丝丝丝丝间间间间加加加加汇汇汇汇聚聚聚聚透透透透镜镜镜镜。不不不不可可可可加加加加在在在在细细细细丝丝丝丝之之之之后，因透镜焦距未知。后，因透镜焦距未知。后，因透镜焦距未知。后，因透镜焦距未知。 (3) (3) (3) (3) 测量的衍射条纹级数测量的衍射条纹级数测量的衍射条纹级数测量的衍射条纹级数k k k k在衍射条纹能看清楚的情况下，尽量大一些。在衍射条纹能看清楚的情况下，尽量大一些。在衍射条纹能看清楚的情况下，尽量大一些。在衍射条纹能看清楚的情况下，尽量大一些。 (4) (4
11、) (4) (4) 多次测量。多次测量。多次测量。多次测量。124 4 4 4计算公式：计算公式：计算公式：计算公式： 已知夫琅禾费单缝衍射明纹暗纹条件根据巴比涅（A. Babinet）原理，单丝的衍射图样与其互补的单缝的衍射图样，在一定条件下是相同的。13当屏当屏当屏当屏E E E E与细丝间的距离与细丝间的距离与细丝间的距离与细丝间的距离l l l l和细丝的线度（直径）和细丝的线度（直径）和细丝的线度（直径）和细丝的线度（直径）a a a a相比满足相比满足相比满足相比满足a a a al l l l，且仅观测中心附近的，且仅观测中心附近的，且仅观测中心附近的，且仅观测中心附近的衍射条纹时，衍射角较小，则有衍射条纹时，衍射角较小，则有衍射条纹时，衍射角较小，则有衍射条纹时，衍射角较小，则有 则代入明纹条件，有则代入明纹条件，有 从而从而 14若用条纹间距若用条纹间距若用条纹间距若用条纹间距s s s s表示表示表示表示, , , , 由于由于由于由于 故有故有故有故有 若代入暗纹条件，若代入暗纹条件，则则 155. 5. 5. 5. 实验数据：实验数据：实验数据：实验数据： 测量次数l(mm)2xk(mm)kxk(mm)a(mm)123平均16谢谢谢谢谢谢谢谢 ! ! ! !17
