实验4.2 5.3 用电流场模拟静电场、光的等厚干涉

光的等厚干涉测量授课教师:周晓明Email：[e-mail]注意按编号对号入座。组长拿一份名单给指导老师。实验仪器已处于比较好的状态。在指导老师讲解之前不要乱动仪器。一、实验目的观察光的等厚干涉现象.学习用牛顿环测量球面曲率半径.学会熟练使用读数显微镜.光的干涉基本知识1.光的干涉两列相干光源在叠加区域内，某些点的光振动始终加强，某些点的光振动始终减弱，光强有稳定的空间分布。2.相干光的条件（1）频率相同；（2）位相差恒定；（3）振动方向相同。二、实验原理1.相干光源当光源照到一块由透明介质做的薄膜上时，光在薄膜的上表面被分割成反射和折射两束光（分振幅），折射光在薄膜的下表面反射后，又经上表面折射，最后回到原来的媒质中，在这里与反射光交迭，发生相干。2.等厚干涉薄膜厚度相同处的两束反射光有相同的光程差，也就具有相同的干涉光强度,产生同一级的干涉条纹，厚度不同处产生不同级的干涉条纹。这种干涉称为等厚干涉。n1nA反射光2反射光1入射光n1e22ne牛顿环仪牛顿环仪：由一个曲率半径很大的平凸透镜的凸面与一个平面玻璃接触在一起构成，在两者之间形成一个厚度随直径变化的空气隙。平凸透镜的凸面与玻璃片之间的空气层厚度从中心接触点到边缘逐渐增加。干涉条纹•当用平行单色光垂直照射到牛顿环仪上时，一部分光线在空气层的上表面反射，一部分光线在空气层的下表面反射，这两部分光有光程差，它们在平凸透镜的凸面附近相遇而发生干涉。e12•空气薄膜厚度相同处光程差相同，也就具有相同的干涉光强度，所以空气隙的等厚干涉条纹是一组明暗相间的同心环。该干涉条纹最早被牛顿发现，所以称为牛顿环（Newton-ring）。它属于等厚干涉条纹。曲率半径表达式....)3,2,1,0(2)12(,...)3,2,1(22KKKKe暗条纹明条纹空气薄膜厚度为e处干涉圆环对应的两束相干光（1、2）的光程差为：Re2Re2)(2222eeRRrRre222/)12(RkrkRr明条纹暗条纹由几何关系可得出1222ne1n曲率半径表达式利用暗环进行测量，测出第m级和n级暗环直径，算出曲率半径。Rnmrrnm)(22)(422nmDDRnm)(22nmrrRnmnDmD上式只涉及两环级数之差，而不决定于级数本身，从而消除了因级数不准而带来的误差。用明环讨论也有同样的结果。三、实验仪器调焦手轮反射镜读数显微镜钠光灯，波长为589.30nm反光镜目镜物镜读数显微镜的读数方法主尺的分度值为1mm，测微鼓轮共有100个刻度，其分度值为0.01mm，可估读到0.001mm。主尺测微鼓轮15mm0.506mm最后读数为：15.506mm四、实验内容与方法1.调节目镜使十字叉丝清晰2.调节45度反射镜3.由下向上缓慢地调焦4.定性观察,防止一侧观察不到干涉条纹5.定量测量,注意鼓轮单方向转动.测量图示测量条纹直经的方法：右左iiixxD1x2x测量图示测量第19～30暗环的直径。为避免测微螺杆间隙所引起的空回误差，测量时必须使显微镜从左到右（或从右到左）作单方向移动。右左iiixxD暗环的直径Di五、数据处理1.列出原始数据和中间计算数据表格。2.用逐差法处理数据，并根据如下公式求出球面的曲率半经。3.计算的不确定度，并给出结果标准表达式。)1()(12nnRniiR3仪仪22仪RRR)(422nmDDRnm六、注意事项1.干涉环两侧的序数不要数错。2.防止实验装置受震引起干涉环的变化。4.平凸透镜及平板玻璃的表面加工不均匀是本实验的重要误差来源，为此应测量大小不等的多个干涉环的直径去计算R，可得平均的效果。3.测量过程中，显微镜必须始终沿一个方向旋转，中途不得返回，以免引起显微镜的螺纹之间不严密契合所造成的回程误差。用电流场模拟静电场一、实验目的了解模拟法的基本原理.学习用电流场模拟静电场的概念和方法.二、实验原理模拟法:借助一种物理场的分布来间接地了解另一种物理场的分布的实验方法.直接测量静电场遇到很大困难，主要困难在于把探针伸入静电场时，探针上会产生感应电荷，使原电场产生显著的畸变。故实验时常用模拟方法来测量。物理实验的基本方法:比较法、补偿法、能量转换法、模拟法等。+-被模拟的静电场的分布(目的)(图c)BA+U1-U1两根圆形长平行导线AB各带等量异号电荷，电位分别为U1和-U1，由于对称性，静电场中存在着水平并与导线垂直的电力线，右图为其静电场及等势线的分布(截面图).电流场的分布平行输电线的模拟电极和横截面上的电场分布。静电场稳恒电流场模拟条件：各向同性电介质的静电场方程各向同性导电介质的电流场方程1、描述两个场的物理量满足相同形式的微分方程；2、被研究区域的边界条件相同；由此可见E和i在各自区域中满足同样的数学规律。在相同边界条件下，具有相同的解析解。因此，我们可以用稳恒电流场来模拟静电场。在模拟的条件上，要保证电极形状一定，电极电位不变，空间介质均匀，在任何一个考查点，均应有U静电=U稳恒或E静电=E稳恒。iiii静电场的描绘方法主要是电场强度与电势两物理量来描述.考虑到E是矢量，U是标量，从实验测量来讲，测定电势(用电压表)比测定场强容易实现，所以可先测绘等势线。由等势线画出电场线（根据电场线与等势线正交原理）。这样就可由等势线的间距及电场线的疏密和指向，将抽象的电场形象地反映出来。实验仪器(电流场测试仪)本实验所用仪器的接线原理图如右所示:在矩形框内有两个电极,电极(A)接直流电源的正极,而电极(B)则接电源负极。通过改变探针的位置,数字电压表显示不同点的电位数值.实验仪器仪器使用说明打开电源，将“直接、检零”开关拨向“检零”，将“校正、测量”开关拨向“校正”，调节“设定调节”旋钮，使电压指示为0.00V。再将“直接、检零”开关拨向“直接”，将“校正、测量”开关拨向“校正”，调节“电压调节”旋钮，使电压指示为10.00V。“直接、检零”开关拨向“直接”，将“校正、测量”开关拨向“测量”，可以开始进行探电压测量。实验内容模拟带等量异号电荷平行长圆柱体的电场.将电压U0调到10V，将记录纸铺在上层塑料薄膜平板上，用探针在导电微晶上找到等势点后，按一下记录纸上方的探针，测出一系列等势点。要求测7个等势线，每个等势线上打5～7个点，画出等势线。数据处理绘制等势线和电场线。根据实验测绘等势线结果分别绘出各电场的各条等势线，并由电场线与等势线的关系画出电场线。连接纸上A、B两极点，求出直线与等势面交点间的电场强度（Ｅ＝Ｕ／d）。在同一等势线上选择三个点，测出等势线的点与电极A、B的距离，求出r1/r2的数值。ABr1r2注意事项作完实验后请将记录的原始数据和预习报告一起拿给老师签名。离开实验室时请关仪器电源并整理好自己的仪器。EndThanks牛顿环上下放置都可以，测得半径约1300.000mm，但因牛顿环松紧不一，结果可以是在一个较大的范围内变化。注意半反射镜面朝下，若反过来，则无论如何调节均无法看到牛顿环。把R作为直接量，处理不确定度，是一种近似做法。实际上R是间接量。