1、1实验 7 分光计的调整与使用1 本实验所用分光计测量角度的精度是多少？仪器为什么设两个游标？如何测量望远镜转过的角度？提示：本实验所用分光计测量角度的精度是： 1提示：刻度盘绕中心轴转动，因工艺的原因，中心轴不可能正好在盘的中心，因此转动测量时会产生一个所谓的偏心差，在盘的一直径两端对称设置两个游标，读数求平均即可消除偏心差。见图。 DCBA)(212假设平面镜反射面已经和转轴平行，而望远镜光轴和仪器转轴成一定角度 ，则反射的小十字像和平面镜转过 1800后反射的小十字像的位置应是怎样的？此时应如何调节？试画出光路图。提示：反射的小十字像和平面镜转过 180o 后反射的小十字像的位置不变，此
2、时应该调节望远镜仰角螺钉，使十字反射像落在上十字叉线的横线上。光路图如下ABAABBABA或B图 3 望远镜光轴未与中心轴垂直的表现及调整3假设望远镜光轴已垂直于仪器转轴，而平面镜反射面和仪器转轴成一角度 ，则反射的小十字像和平面镜转过 1800后反射的小十字像的位置应是怎样的？此时应如何调节？试画出光路图。提示：反射的小十字像和平面镜转过 180o 后反射的小十字像的位置是一上一下，此时应该载物台下螺钉，直到两镜面反射的十字像等高，才表明载物台已调好。光路图如下：OABCDDCBAO2ABABA或B4.对分光计的调节要求是什么？如何判断调节达到要求？怎样才能调节好？ 提示：（1）对分光计调整
3、的要求： 望远镜、平行光管的光轴均垂直于仪器中心转轴； 望远镜对平行光聚焦（即望远调焦于无穷远） ； 平行光管出射平行光； （2）各部分调节好的判断标志 望远镜对平行光聚焦的判定标志从望远镜中同时看到分划板上的黑十字准线和绿色反射十字像最清晰且无视差。 （用自准直光路，调节望远镜的目镜和物镜聚焦） 望远镜光轴与分光计中心转轴垂直的判定标志放在载物台上的双面反射镜转 180o前后，两反射绿色十字像均与分划板上方黑十字线重合。 （用自准直光路和各半调节法调整） 平行光管出射平行光的判定标志在望远镜调节好基础上，调节平行光管聚焦，使从调好的望远镜看到狭缝亮线像最清晰且与分划板上的黑十字线之间无视差。
4、 （把调节好的望远镜对准平行光管，调节平行光管物镜聚焦） 平行光管光轴与望远镜光轴共线并与分光计中心轴垂直的判定标志使夹缝亮线像竖直和水平时能分别与望远镜分划板上的竖直黑十字线和中心水平黑十字线重合。 （把调节好的望远镜对准平行光管，配合调节平行光管的仰角螺钉）35.是否对有任意顶角 A 的棱镜都可以用最小偏向角测量的方法来测量它的材料的折射率？为什么？不能。提示： ）2sini(sin)2sinarc(2 111min Arr6.在测角时某个游标读数第一次为 34356，第二次为 3328，游标经过圆盘零点和不经过圆盘零点时所转过的角度分别是多少？游标经过圆盘零点： 3249856340oo
5、o不经过圆盘零点： 102o7在实验中如何确定最小偏向角的位置？向一个方向缓慢的转动游标盘（连同三棱镜） ，并用望远镜跟踪狭缝像，在望远镜中观察狭缝像的移动情况，当随着游标盘转动而向某方向移动的狭缝像，正要开始向相反方向移动时，固定游标盘，此时确定的角度即是最小偏向角。8. 测量三棱镜折射率实验中，从对准平行光管的位置开始转动望远镜，看到的折射谱线颜色排列顺序是什么？黄、绿、紫实验 8 迈克尔逊干涉仪的调整与使用1. 试从形成条纹的条件、条纹特点、条纹出现的位置和测量波长的公式来比较牛顿环和等倾干涉同心圆条纹异同。提示：从干涉类型（等厚、等倾） 、条纹形状、条纹分布（疏密、级数顺序、中心明暗）
6、来看。牛顿环同心圆条纹是等厚干涉形成的，中间级次低（中心级次最低） ，越往边缘级次越高，从反射方向观察中心是暗条斑。迈克尔孙同心圆条纹是等倾干涉形成的，中间级次高（中心级次最高） ，越往边缘级次越低，若光程差为半波长的奇数倍，中心暗，若光程差为半波长的偶数倍，中心明。2. 等倾干涉图样与等厚干涉图样各定域在何处？提示：干涉图样定域问题，与所用的光源类型、位置以及薄膜形状（平行平面状还是楔形）有关。如果是点光源，则不论是等倾干涉还是等厚干涉，在与光源 S 在同一边的空间的任一点都可得一定的干涉，即干涉现象发生在光波的整个相遇区域内，称这种干涉为不定位干涉（也叫非定域干涉）本实验用光纤激光作光源即
7、是这种情况） ；如果是扩展光源，则干涉条纹只能定域在一定的区域，至于定域在什么位置，取决于 M1、M2的位置和取向以及光源的位置。M1、M2平行时，干涉条纹定域在无穷远处，与光源的位置无关；而 M1、M2 不平行，有一微小夹角时，干涉条纹定域在薄膜表面附近，光源位置不同，条纹定位也不同。如下图所示。4扩展光源 S 平行薄膜，等倾干涉条纹定域在无穷远 楔形薄膜，等厚干涉条纹定域在薄膜附近3. 怎样准确读出可动反射镜 M1 的位置？提示：看下例主尺读数：33mm 粗动手轮读数：0.52mm 微动手轮读数：0.00246mm最后读数为：33.52246mm4 迈克尔逊干涉仪中的补偿板、分光板各起什么
8、作用？用钠光或激光做光源时，没有补偿板 P2 能否产生干涉条纹？用白光做光源呢？补偿板起补偿光程的作用。分光板使入射光束分为振幅（或光强）近似相等的透射光束和反射光束。用钠光或激光做光源时，没有补偿板 P2 能产生干涉条纹，用白光做光源不能。Na 光和 HeNe 激光单色性好，没有补偿板 P2，移动 M1，改变由 M1 和 M2 反射到达观察屏的两光束的光程差，使其小于相干长度，即可观察到干涉条纹。白光单色性差，分出的两束光只有在光程差 0时，才能看到彩色干涉条纹，如果没有补偿板 P2， 由 M1 反射的光经过分光板三次，而由 M2 反射的光只经过分光板一次，对两束光产生不同的色散，导致不同波
9、长的干涉条纹位置不同，使光强趋于均匀，干涉条纹会消失 只有使用补偿板，才可以使不同波长的光被分成的两束光都满足光程差 0。5 在迈克尔逊干涉仪的一臂中，垂直插入折射率为 1.45 的透明薄膜，此时视场中观察到15 个条纹移动，若所用照明光波长为 500nm，求该薄膜的厚度。提示插入 n1 透明薄膜后，光程差改变了 2d（n 1-1） ，即 =2d（n 1-1） ，所以根据 =k式和 k=N，可得21Nd把已知的有关量（=500nm，n1=1.45 ，N=15 ）代入便可计算出 d 值。实验 9 RLC 电路的稳态特性1交流电路中，如何表示电压和电流的大小和相位的变化？5提示：交流电路的电压和电
10、流有大小和相位的变化，通常用复数法及其矢量图解法来研究。RLC 串联电路如图 1 所示，交流电源电压为 ，则SUCLRSURLC 电路的复阻抗 jZ1回路电流 ， )1(CLjRISS-电流大小 。22)(UZISS矢量图解法如图 2 所示，总电压 与电流 之间的相位（或 与电阻电压 的相位）SISUR为 ，可见，RLC 串联回路相位 与电源频率 f（ ）有关。RCLarctg1 f22什么是RLC串联谐振？RLC串联电路中，当信号的频率f 为谐振频率 ，即感抗与容抗相等（LCf210）时，电路的阻抗有最小值（Z=R） ，电流有最大值 （ ） ，电路00CL RUZIS0为纯电阻，这种现象称为
11、RLC串联谐振。3什么是RLC串联电路的幅频特性曲线？根据幅频特性曲线怎样求通频带？RLC串联回路电流 I 与电源的频率f （=2 f）有关，RLC串联电路的If 的关系曲线称为RLC 串联电路的幅频特 性曲线 ，如图3所示。RLC 串联幅频曲线如图 3 所示，将电流 I=0.707I0 的两点频率 f1、 f2 的间距定义为 RLC 回路的通频带f 0.7， Qf0127.0当 RLC 电路中 L、C 不变时，根据 和 ，电阻 Rf07.L0越大，则品质因数 Q 越小，通频带 f0.7 越宽，滤波性能就越差（如图 3 所示） 。图 1 LRC 串联电路图 2 RLC 串联电压矢量图图 3 R
12、LC 串联幅频曲线64什么是回路的品质因数?谐振时，回路的感抗（或容抗）与回路的电阻之比称为回路的品质因数，以 Q 表示，或 RLQ0CRQ015什么是 RLC 回路的通频带？如何比较 RLC 回路的滤波性能？第三题答案。6电路谐振时，电感、电容的电压与品质因数 Q 有什么关系？谐振时，电感与电容的电压有最大值，是电源电压的 Q 倍，即SSL ULRIU000SSCCI0001谐振时，电容和电感两端的电压比信号源电压 US 大 Q 倍，有电压放大作用，要注意元件的耐压。7RLC 串联电路的相频特性是什么？RLC 串联电路的 - f 的关系曲线称为 RLC 串联电路的相频特性曲线，如图 4 所示
13、。8测量幅频特性时，当改变信号发生器输出信号频率，其输出信号幅度（电压）有否改变？为什么？提示：改变。因信号发生器有内阻，当改变信号发生器输出信号频率时，电路中的电流会改变（谐振时电流最大） ，则在信号发生器内阻上的电压降会改变（ 谐振时最大） ，其输出信号幅度（电压）会改变。9使串联电路发生谐振的方法有几种？怎样确定电路呈电感性还是呈电容性？信号发生器输出信号频率，使 LCf210改变 L、C 使 f21UR 波形在 US 波形左边，则 US 落后于 UR（即电压滞后于电流） ，电路为电容性，值应取负号。US 超前于 UR，电路为电感性，则 US 超前于 UR， 值应取正号。波形如图 5 所
14、示。图 4 LRC 串联相频曲线图 5 ff 0 时，U R 波形在 US 波形左边，则 US 落后于 UR，相差 取负值。URUO t T tUSUURO t T tff 0 时，U S 波形在 UR 波形左边，则 US 超前于 UR，相差 取正值。710. RLC 串联电路中，已知电容 C 耐压（峰峰值）为 50V，回路品质因数 Q=100，为了保证电容 C 不被击穿，电源电压 US 最大不能超过多少？提示： 得SQU0 VQs 5.010实验 16 用分光计研究光栅光谱1 光栅光谱和棱镜光谱有哪些不同之处?在上述两种光谱中，哪种颜色的光偏转最大?提示：光栅光谱依据光栅衍射产生色散形成。同
15、一级次 K，所以可见光中的红光衍射角最大。棱镜光谱根据不同的光在玻璃中的折射率不同而产生色散。n偏向角，故紫光偏转最大。2.如果在望远镜中观察到的谱线是倾斜的，应如何调整？提示：这是由于平行光管透光狭缝倾斜不竖直所致。应把平行光管透光狭缝调竖直。3如何测量光栅的衍射角？根据测量数据怎样计算谱线的衍射角和光栅常数？提示：参阅教材，记光栅方程。4用白光照射光栅时，形成什么样的光谱？提示：白光是波长分布连续的复色光，可从光栅方程衍射角与波长关系来分析。（除 0 级谱线为白光亮线外，各级是从紫光到红光排列的彩色光谱）5如果平行光并非垂直入射光栅片，而是斜入射，衍射图样会有何变化？提示：这时光栅方程变为
16、 ，显然衍射图样的 0 级亮为 入 射 角 ）（ kd)sin(线两边谱线位置分布不对称（K 级谱线的衍射角不相等） 。6实验中当狭缝太宽或太窄时将会出现什么现象？为什么？提示：狭缝太宽则分辨本领下降，如两条黄光线分辨不清；太窄，透光量太少，光线亮度太弱，视场太暗不利于测量。7当用波长为 589.3nm 的钠黄光垂直照射到每毫米具有 500 条刻痕的平面透射光栅上时，最多能观察到第几级谱线？提示：从光栅方程和衍射角最大可能范围是 900 来考虑（由光栅方程 ，显然 =90 0时，有 ）sinsindkddmaxk实验 17 等厚干涉实验1.何谓等厚干涉？ 如何应用光的等厚干涉测量平凸透镜的曲率
17、半径？（掌握求曲率半径的数据处理方法）提示：由同一厚度薄膜产生同一级干涉条纹的干涉称作等厚干涉2.试比较牛顿环和劈尖的干涉条纹的异同点.提示：牛顿环的干涉条纹为以接触点为中心的明暗相间的同心圆环，且中心暗环附近同心8dndmDnDmhrn rmmn图 A圆环条纹粗、较稀疏；离中心越远，条纹越细、越密。劈尖的干涉条纹为平行于棱边且间隔相等的明暗相间的平行条纹。原理相同（等厚干涉） 。3. 用读数显微镜测量出来的牛顿环直径是真实大小的牛顿环直径吗？提示：干涉条纹和黑十字叉丝移动的距离都放大同样的倍数。4从牛顿环装置的下方透射上来的光，能否形成干涉条纹？如果能的话，它和反射光形成的干涉条纹有何不同？
18、提示：画出光路分析。牛顿环下方透射出来的光，也能产生干涉条纹。但由于透射光没有半波损失，中心点的光程差 =2d=0，所以形成的干涉条纹为中心为亮斑的明 暗相间同心圆环。5假如在测量过程中，叉丝中心未与牛顿环中心重合，测得 的是弦而不是直径，则对 R 的结果有无影响？为什么？提示：从右图 A 看能否证明（ ）22nmnDd证明：从右图，可有2222 hhRdrmm同样有 22Drn-得 224141nmnd表明，若测得的是弦，而不是直径，则对 R 计算无影响。6如果待测透镜是平凹透镜，观察到的干涉条纹将是怎样的？提示：画出光路图分析。1、 如图所示，入射光 垂直入射到平凹面镜后，由于在平凹面镜与
19、平板玻璃之间存在空气夹层（很薄，n=1） ，因此产生分振幅等厚干涉。两相干光的光程差为（1）22dn应用干涉明暗条纹条件，形成 K 级暗条纹所对应的空气薄膜厚度 d，有下式关系：（2）d1或根据几何关系，可得明暗条纹的半径式：（证明看下面）暗条纹： （3）RHrk2明条纹： （4） 2)1(K9仍形成以平凹 透镜的顶点为 圆心的明暗相间的同心圆环，但边缘处=2nd+ /2=/2（d=0 ，n=1 ）为 0 级暗纹；中心处，当 =（2k+1）/2 时，为暗纹，当 =k 时，为亮纹，否则其明暗程度介于明纹最亮和暗纹最暗之间。 R2=r2+R-（H-d） 2令 L=H-d ，考虑到 R L，故略去
20、L2可得r2=2RL=2R（H-d ） RrHd代入式 =2d+/2，得 2由上式和干涉明暗条纹条件得暗条纹： KRHrk2明条纹： 2)1(若 Dm、D n 分别是级次为 m、n 的两个暗环的直径，则由暗条纹公式可得 nRHn2)( RnmDnm)()2()(由此得 mDR)(4与本实验的测量公式仅差一符号，这是由于外环级次比内环级次小所致。7观察牛顿环时将会发现，牛顿环中心不是一点，而是一个不甚清晰的暗或亮的圆斑，为什么？对透镜曲率半径 R 的测量有无影响? 为什么？提示：透镜和平玻璃板接触时，由于接触压力引起形变，使接触处为一圆面；又镜面上可能有微小灰尘等存在，从而引起附加的光程差。没有
21、影响。由于附加的光程差一定，取二个暗条纹直径平方差的方法处理，可消除附加的光程差。8. 牛顿环的干涉条纹各环间的间距是否相等? 为什么?提示：不相等。 , 即第 级暗环的半径 与 的平方根成正比，随着级数kRrkkr增大，干涉条纹变密。k太阳能电池特性的测量1 掌握太阳能电池的基本原理。看讲义。2 无光源的条件下，太阳能电池施加正向偏压时的伏安特性？怎样求常数 和 的值？0I提示: ,当偏压 U 较大时， 远大于 1，故 ，)1(0UeI Ue UUeeI0)1(rRd Hr10以 为纵坐标，偏压 U 为横坐标，作 U 图，其斜率即为 ，纵轴截距即为IlnIln03 恒定光照下，太阳能电池在不
22、加偏压时伏安特性？如何求短路电流 ；开路电压SCI；最大输出功率；填充因子 FF？OCU0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.00.10.20.30.40.50.60.7I/mAU/A作出恒定光照下，太阳能电池在不加偏压时伏安特性曲线，按曲线的趋势外推，分别与横轴（电压）和纵轴（电流）相交，即为开路电压 和短路电流 。OCSCIR/k0102030405060708090102.01.51.00.50.P/mW注意：以上两图只是示意图。从图中可求出最大功率。根据公式： 可求出填充因子 FFOCScmUIPF填充因子 FF 表示太阳能电池的品质，FF 的数值越大，太阳电池的输出特性就越好，效率就越高，它是太阳电池优劣的重要指标。4 如何对太阳能电池基本特性进行测量？电路图？5温度会对太阳能电池带来什么影响？太阳能电池的理想工作温度为 25 摄氏度，电池板的功率随着温度的升高而降低的。不过一般温度不超过 45 摄氏度都可以正常使用。如果温度过高还会影响电池的寿命1
