1、近代物理实验,绪论应用物理系霍汉平,第一部分,近代物理学 及其特点,一、物理学及经典物理学 1物理学简况定义：物理学是一门研究物质世界运动规律的科学。 内涵：时间与学科两个方面 时间角度： 包括经典物理与近代物理； 界定时间是十九世纪的中后期； 标志是三大发现（电子、X射线、放射性）。,基本部分包括力学、热学、电磁学、声学、 光学、原子物理学等等； 分支学科扩展，演绎出新的学科，如： 力学 流体力学、固体力学、计算力学 电磁学 电子学、电工学、磁学 光学 物理光学、信息光学、应用光学,2.学科角度：, 交叉演绎出新的学科，如：,光学 + 电子学 光电子学 光学 + 信息科学 光信息学 物理学
2、+ 生物学 生物物理学 物理学+计算数学 计算机科学 物理学+地质学 地球物理学 物理学+化学 物理化学 ,3.百年来近代物理科学方面的重大发现,1895 发现X射线(伦琴) 1896 发现放射性(贝克勒尔) 1897 发现电子(JJ汤姆逊) 1898 提炼出钋和镭(居里夫人) 1900 量子论诞生(普朗克) 1901 发明无线电报(马可尼) 1905 建立狭义相对论，光的量 子论(爱因斯坦） 1911 发现原子核(卢瑟福) 发现超导(昂内斯) 1913 建立原子模型(玻尔) 1915 建立广义相对论(爱因斯坦) 19251926 建立量子力学(海 森伯，薛定谔) 1932 发现中子(查特威克
3、) 1939 发现裂变(哈恩，斯特拉 斯曼),1942 第一个核反应堆建成(费米) 1945 原子弹爆炸(奥本海默等) 1947 发明晶体管(肖克莱等） 19471955 从电子管计算机到晶 体管计算机 1957 人造卫星上天(前苏联) 19581960 发明激光(汤斯，肖 洛，梅曼等) 1961 载人飞船上天(加加林) 1969 登上月球(阿姆斯特朗等) 1970以后 光纤通信逐步实用化 19721978 研制成大规模集成电 路计算机 1978以后 计算机(电脑)大量普及 1986 发现高温超导(贝特诺兹， 缪 勒等),二、20世纪物理学的特点,1广度与深度,广度 向微观世界和宇宙空间进军,
4、空间：小到10-18米（电子），大到100亿光年或1023千米（宇 宙），相差达1045 数量级。,人们认识范围的尺度：,时间：小到10-25秒（基本粒子寿命），大到1018秒（宇宙寿 命），相差达1044 数量级。,深度向新事物和“复杂性”进军,物质除气、液、固三态外，尚存在“等离子体”这第四种态；,大量粒子(多体)的复杂体系、非线性 系统的出现 。,综合物理学不仅仍然是自然科学基础研究中最重要的前沿学科之一，而且已发展成为一门应用性极强的学科，并且继续向其他学科渗透。,2理论和实验,（1）实验,物理学从根本上说是一门实验科学，理论正确与否最终要接受实验的检验,例如：光电效应实验规律和波动理
5、论的矛盾， 导致了光子的概念和理论的提出，而康普顿散射实验才使光子的概念和理论得到确认; 从光的粒子性引申出实物粒子的波动性，经过电子衍射实验才得到确认。, “一个矛盾的实验结果就足以推翻一种理论”爱因斯坦。,例如：19世纪普遍认为存在“以太”这种无处不在的介质，物 体相对于以太的运动就是绝对的运动，迈克尔逊莫雷实验 的“零结果”否定了以太的存在。, 诺贝尔物理学奖的获奖情况：,实 验 78项 108人,实验+理论 4项 6人,理 论 33项 46人,（2）理论,理论能深入揭示物理现象的本质，往往具有普遍性。重要理论的建立把物理学推进到新的高度。,例如：光电效应的实验规律只是一种实验现象，以它
6、为基础建立的光量子理论才揭示了光的本质 。,理论建立和发展具有相对独立性，在理论建立或发展的一定阶段，它本身的内部矛盾和逻辑发展，也会导致新理论建立。,例如：光具有二象性，人们会问：是否一切微观粒子都有二象性? 导致了物质波假说的提出。进而导致薛定谔方程的建立。,理论对实验研究有重要的指导作用。,例如：戴维森革末实验在物质波理论提出以前就做过，知道物质波理论后才自觉地进行，并得出有明确物理意义的结果。,“没有实验家，理论家就会迷失方向；没有理论家, 实验家就会迟疑不决。” 李政道,总结,3.继承和创新,(1) 继承,重大理论创立，都是在继承和总结前人成果基础上，加以发展才完成的，没有继承就不会
7、有发展和创新。典型事例：, 牛顿继承加利略（惯性原理、自由落体、加速度概念、）笛卡儿和惠更斯（碰撞问题）、开普勒（行星运动三定律）等人的工作，完成了经典力学体系的建立。, 麦克斯韦继承了库仑（库仑定律）、高斯（高斯定律）、奥斯特（电流的磁效应）、安培（环路定理）、法拉第（电磁感应）等人的工作，完成了电磁理论的创立。, 爱因斯坦继承了加利略（相对性原理）、迈克尔逊莫雷 （以太实验）、洛仑兹（尺度收缩假说）等人的工作创立狭义 相对论。,正如牛顿所说：“如果说我比笛卡儿看得更远，那是因为我是 站在巨人们的肩膀上”。,总结,第二部分,近代物理实验 的内容和安排,物理学是以实验为基础的学科。近代物理实验
8、在本科教育中占有极其重要的地位。近代物理实验室现开设实验内容包括原子物理学、原子光谱学、微波技术、现代光学、磁共振技术、半导体物理学、光电子技术等多领域等多项实验。,近代物理实验是介于普通物理实验和专题研究之间的重要环节所选题目中，有些是在近代物理学发展中起过重要作用的著名实验，其中一些实验曾获得了诺贝尔物理学奖，它们能使学生了解前人的物理思想和探索过程，并且从中受到很大启发；有些涉及现代实验研究中不可缺少的专门技术，它们能使学生在进行专题研究之前了解有关的新实验技术和方法。,近代物理实验的选题范围有一定的广度和深度通过这些实验可以进一步掌握近代物理的某些原理、实验方法和各种探测分析仪器，锻炼
9、综合运用各种技术的能力，加强理论与实践的结合和培养科学作风。,为了完成一个实验，一般要求学生在实验室内工作四至八小时，具体视实验内容的难易和多少而定。由于近代物理实验和普通物理实验相比有一定的难度，内容也涉及比较多，无法进行统一授课。因此同学在做实验之前，一定要独立地认真预习，查阅资料，在实验之前作到心中有数，以便顺利地完成实验，收到预期的效果。,现在将这学期开设的实验内容简单地做一介绍：,实验一 氢原子光谱的观察 实验二 阿贝成像原理和空间滤波 实验三 椭圆偏振仪测量薄膜厚度和折射率 实验四 塞曼效应 实验五 全息照相 实验六 小型棱镜摄谱仪的调整和使用 实验七 晶体管特性曲线的测量 实验八
10、 光拍法测量光的速度 实验九 非线性电路混沌实验 实验十 CCD在物理测量中的应用 实验十一 锁相放大器的使用（1） 实验十二 光电效应（设计实验） 实验十三 夫兰克赫兹实验 实验十四 基本电荷的测量 实验十五 核磁共振 实验十六 光谱定性分析,实验一 氢原子光谱的观察 实验二 阿贝成像原理和空间滤波 实验三 椭圆偏振仪测量薄膜厚度和折射率 实验四 塞曼效应 实验五 全息照相 实验六 小型棱镜摄谱仪的调整和使用 实验九 非线性电路混沌实验(选) 实验十二 光电效应（设计实验）(选),实验一 氢原子光谱的观察,每种原子、分子都有其特征光谱。因此分析其特征光谱，对研究不同原子、分子及其结构有着重大
11、的意义。光谱学已成为光学的一个重要分支，并被广泛用于科研和生产中。氢原子是最简单的原子，其光谱线在按波长（或波数）大小的排列次序上显示出简单的规律性。研究原子结构，很自然氢原子首先被关注。,年巴耳末（.）根据埃格斯充（，）对光谱线的精确测量，提出了氢原子光谱可见光区域光谱线波长的经验公式。年，玻尔（，.）引入量子概念提出的氢原子模型假说，给出了氢光谱线系规律的理论解释。,一.实验目的 二.实验原理 三.实验仪器 四.实验内容与步骤 五.数据记录与处理 六.注意事项,实验目的 1.观察氢原子光谱，并用光栅测定其波长； 2.验证巴尔末公式，加深对玻尔理论的理解，计算里德伯常数； 3.进一步熟悉分光
12、计的调整和使用。,实验原理原子受激发后，核外电子由低能级被激发到较高能级上。处于激发态的原子是不稳定的，在电子从比较高的能级跃迁到低能级的过程中，原子释放能量发光，每条谱线对应于从一能级跃迁到另一个能级发射的光子。氢原子的光谱线在可见光区有条，分别红线、蓝绿线、青线。,氢光谱巴耳末线系分布规律的经验公式为式中：为波数（波长的倒数）； 是一个实验常数，称为里德伯常量； ，每一个数代表一条谱线。,本实验通过光栅的色散观察氢原子的巴耳末线系中的红青蓝三条谱线借助于分光计和光栅通过测量氢原子特征谱线波长，来验算里德伯常量可以利用高电压激发的汞灯来获得汞的原子光谱，(汞的原子光谱线波长是知道的)。利用高
13、电压激发的氢灯来获得氢的原子光谱，用分光计测量光谱线的衍射角，求出氢原子特征谱线波长，再利用经验公式求出里德伯常数。,三.实验仪器,四.实验内容与步骤,1.调整分光计 2.调节光栅 3.测量汞灯和氢灯的谱线，记录衍射角 4.计算波长，计算里德伯常数。,五.数据记录与处理,六.注意事项1 光栅是精密光学器件，严禁用手触摸光学面，以免弄脏或损坏。 2 测衍射角时，为使望远镜中分划板上的黑十字垂直线准确对准各谱线，必须使用望远镜微调螺丝。 3 望远镜固定螺钉在紧固情况下，严禁硬性转动望远镜。 4 氢灯电源是高压电源，使用时要格外小心。,实验二 阿贝成像原理和空间滤波,成像过程中怎样实现从左图到右图的
14、转变？,1873年，德国人阿贝在德国蔡司光学器械公司研究如何提高显微镜的分辨本领问题时，从波动光学的观点提出了一种成像理论。他把物体或图片看成包含一系列空间频率的衍射屏，物体通过透镜成像的过程分为两步： 第一步是信息分解，第二步是信息合成。这种理论称为阿贝成像原理。它是光学信息处理的理论基础。,卡尔蔡司,阿贝,一.实验目的 二.实验原理 三.实验仪器 四.实验内容与步骤 五.数据记录与处理 六.注意事项,一.实验目的 1.熟悉阿贝成像原理，进一步了解透射镜孔径对成像的影响； 2.加深对傅立叶光学中空间频谱和空间滤波等概念的理解； 3.初步了解简单的空间滤波在光信息处理中的实际应用。,二.实验原
15、理阿贝成像原理： 在相干平行光照明下，显微镜的物镜成像可以分成两步： 入射光经过物的衍射在物镜的后焦面上形成夫琅禾费衍射图样； 衍射图样作为新的子波源发出的球面波在像平面上相干叠加成像。成像。 图2-1 阿贝成像原理阿贝提出的二次衍射成像过程，经过计算可以证明实质上是以复振幅分布描述的物光函数U(x,)，经傅里叶变换成为焦平面（频谱面也称为傅氏面）上按空间频谱分布的复振幅频谱函数U(,)。,3 阿贝成像原理,从几何光学的观点，透镜成像是下图所示的物与像的点点对应关系：,阿贝成像原理光路图,傅里叶变换是实现从空域或时域到频域的转换的工具,分别是x，y方向的空间频率,表示一个任意空间二维函数,式中
16、:1=2f1。1基波频率，简称基频，1的倍数称为谐波。对于周期信号而言，其频谱由离散的频率成分，即基波与谐波构成。,考察信号,周期信号的频域分析方法,傅立叶变换,复杂周期信号波形,傅立叶变换,a 时间域或空间域,b 频率域,a是透光部分的宽度缝宽,d = a + b,b 是不透光部分的宽度,* 光栅常数,* 光栅大量等宽等间距的平行狭缝或刻痕构成的光学元件。,光栅,x,x,x,x,x,平行狭缝光栅透光率函数 的傅里叶变换，见右图,空间频率：单位长度上单元重复的次数。 空间周期：周期单元的空间长度，是其空 间频率的倒数。,2 空间频率，空间周期,通过上面几个图像，可以看出： 高空间频率信息决定图
17、像的细节,光的衍射现象,?,光线拐弯了！,光波偏离直线传播而出现光强不均匀分 布的现象,一维光栅的阿贝成像原理,阿贝成像原理,普通的平行狭缝光栅的夫琅和 费衍射图样是一系列亮点。,正交光栅的像及衍射图样,二维光栅的阿贝成像原理,阿贝成像原理,正交光栅的衍射图样是如图 所示的许多亮点。,空间频谱：在透镜的像方焦面物体的夫琅禾费衍射图样，阿贝把它称为空间频谱。 空间滤波：在变换面上放置一个遮光屏，它只允许某些空间频率的光信号通过，从而可以取得原图像信息中那些人们特别感兴趣的光学信息。 空间滤波器：用于遮挡空间频谱的某些频率分量的器具，称为空间滤波器。,阿贝成像原理,实际应用中，通过分析频谱图，便可
18、得出原图像的信息。下列图形是在单色光照射下几种特殊图像的傅里叶变换频谱。,阿贝成像原理,光学信息处理可分为两大类： (1) 光学图像处理，被处理的对象是光学图像，包括照片、底片、图片等。 如：改变图像的反差，使模糊图像清晰化，消除图像中的噪声，图像相加减，特征识别，对黑白图像进行假彩色编码，等等。下图就是一幅模糊的唐诗碑文用滤波法清晰化处理的实例。 (2) 被处理信息是其它类型的信号，这些信号必须首先转换成光信号或光学图像，然后用光学信息处理系统进行处理。 如：电信号(电压、电流)，机械信号(重量、长度、角度、速度、应力应变)，声音信号，温度信号,信息光学应用,实验光路图,调制,三.实验仪器,
19、四.实验内容与步骤 .光路调节 1）使氦氖激光束产生平行光；加入透射光栅（物）和变换透镜L3，使以外的像屏上获清晰像；测变换透镜的焦距 .阿贝成像原理和空间滤波 1）在物平面置一维光栅，观察像平面上的竖直栅格像在傅氏面处置0级小孔光阑（滤波器）屏上是否还有光栅像。 2）用可调狭缝光阑（滤波器）代替0级小孔光阑，调节可调狭缝宽度，观察像面上的光栅像； 3）白屏放在傅氏面上，测量0级至+1、+2级和-1、-2级衍射极大之间的距离d1、d2和d1、d2，计算各点的空间频率。 4）在焦平面（傅氏面）上将二维的正交透射光栅替换一维的透射光栅，让竖向的一系列光点通过铅直的狭缝光阑，观察像面上栅缝的方向；将
20、光阑转90，再观察像面上栅缝的方向；将光阑转45，观察像面上的变化。将观察结果记录下来并简单解释。,五.数据记录与处理1.对不同的频率成分作观察记录（1）一维光栅 频谱成分成像情况及解释（2）正交透射光栅 参考一维光栅观测的内容自拟2. 计算1级和2级光点的空间频率,六.注意事项 1.调节实验的光学系统前应认真预习，搞清实验的原理和方法之后，再进行实验操作。 2.眼睛不要逆着激光的方向看。 3.不要将光学器件从调节座的支撑装置上取下。 4.不要用手摸光学器件。 5.不要摔碰光学器件。光具座的机械部分要轻轻旋动。,实验三 椭圆偏振仪测量薄膜厚度 和折射率,在集成光学和光子器件中，对各种薄膜的研究
21、和应用日益广泛。这些应用的前提是必须了解薄膜的光学性质，特别是折射率和厚度。在薄膜折射率和厚度的测量技术上已经有许多成熟的技术，比如布儒斯特角法，其特点是简便，但精度小；干涉技术，它能实时测量，但仪器复杂；透射谱线法，能同时测得薄膜厚度和折射率，但对薄膜和基底折射率有特殊的要求。,一.实验目的 二.实验原理 三.实验仪器 四.实验内容与步骤 五.数据记录与处理 六.注意事项,一.实验目的1了解椭圆偏振法测量薄膜参数的基本原理； 2初步掌握椭圆偏振仪的使用方法，并对折射率进行测量。,将一束波长为 的自然光经起偏器变成线偏振光，再经1/4波片使它变成椭圆偏振光入射到待测样品的膜面上，反射时，光的偏
22、振状态（振幅和相位的改变）将发生变化，通过检测这种变化，便可推算出待测膜的厚度和折射率。,如图1所示。半导体激光器发出的单色光，经起偏器后变成线偏振光，线偏振光再经1/4波片后产生 的位相差，变成椭圆偏振光。对一定厚度的某种薄膜，S分量和P分量之间出现相移之差，当入射光为椭圆偏振光时，通过薄膜以后反射光为线偏振光。,玻片,由此可见，由起偏器的方位角P可确定偏振光的P分量和S分量的相移之差。经样品反射后由于S波与P波不存在位相差，可合成特定方向的线偏振光。它的偏振方向由S分量和P分量的反射系数和确定。转动检偏器的方位角，当检偏器的方位角A与反射光线的偏振方向垂直时，光束不能通过，出现消光状态。,
23、由于P波和S波的位相差是由1/4波片产生的，在测量中为了更好的消除误差我们采用四点测量法。即当1/4波片与光轴成角为+45 时，测量两组A值与P值( A1、P1)、(A2、P2)；当1/4波片与光轴成角为 时，再测量两组A值与P值(A3、P3)、(A4、P4 )。将测得的4组数据代入公式换算后取平均值，就得到所要求的A值和P值。再使用仪器所配套的软件求出薄膜厚度和折射率。,三.实验仪器,四.实验内容与步骤1.整好分光计 2.光路调整 3.检偏器读数头位置的调整与固定 4.起偏器读数头位置的调整与固定 5.1/4波片零位的调整 6.读数测量 7.在计算机上查表求出薄膜厚度和折射率,五.数据记录与
24、处理,六.注意事项1激光器已准直，勿私自打开； 2转动激光器应均匀用力，以免损坏后面接线； 3眼睛不要直视激光； 4.光学仪器调整好不要再挪动。 5.不要用手摸样品的表面，注意不要将光学器件摔碰。,实验四 塞曼效应,一.实验目的 二.实验原理 三.实验仪器 四.实验内容与步骤 五.数据记录与处理 六.注意事项,1896年，荷兰著名的实验物理学家塞曼(Peter Zeeman) 发现，当把光源放在磁场内时，光源发出的光谱线变宽了，再仔细观察后发现，每一条谱线分裂成几条谱线，而不是任何谱线的变宽。这一现象称为塞曼效应。洛伦兹(Lorentz)用经典电磁理论对分裂成三条谱线(在垂直于磁场方向观察)的
25、情形作了解释。由于研究这个效应，塞曼和洛仑兹在1902年共同获得诺贝尔物理学奖。进一步的研究 发现，大多数谱线的塞曼分裂为多于三条 。塞曼效应证实了原子具有磁矩和空间量子化效应。 从塞曼效应的实验数据可以推断有关能级分裂情况，确定量子数和电子的荷质比e/m、朗德(Lande)因子g等，而可获得有关原子态的重要信息，故塞曼效应是研究原子结构的重要方法之一。,一.实验目的 1.了解塞曼效应的原理与现象，观察汞546.1nm谱线在磁场中的横向和纵向塞曼分裂过程及其偏振特性。 2.学习用法布里一珀罗（F-P）标准具测定相邻谱线的波长差。 3.测定电子的荷质比，并与理论值比较，分析实验结果。,二.实验原
26、理,1 塞曼分裂 原子中电子的轨道磁矩和自旋磁矩合成原子的总磁矩，总磁矩在磁场中将受到力矩的作用而绕磁场方向旋进，旋进所引起的附加能量为：,其中：g是朗德因子，表征原子的总磁矩和总角动量的关系。,。,对于LS耦合，朗德因子有其中： L为总轨道角动量量子数， S为总自旋角动量量子数， J为总角动量量子数。 式中的 为磁量子数，只能取值J、Jl、J2、J等(2J+1)个值，也即 有(2J+1)个可能值。 这就说明，无磁场时的一个能级，在外磁场作用下将分裂成(2J+1)个子能级，分裂的能级是等间隔的，且能级间隔正比于外磁场B、朗德因子 。,未加磁场时，由能级E1和E2之间跃迁所产生的光谱频率为，则有
27、 。加磁场中，上、下能级分别分裂为（2J2+1）和（2J1+1）个子能级，附加能量为E2和E1 ，产生新的谱线频率与能级的关系为：,分裂后谱线与原谱线的频率差为：,将玻尔磁子代入有：等式两边同除以c，则以波数差的形式表示为：,以汞的546.1nm绿谱线为例，说明谱线分裂情况。波长为546.1nm的谱线是汞原子从到能级跃迁时产生的，其上下能级有关的量子数值如图所示，在磁场作用下能级分裂，546.1nm一条谱线在磁场中分裂为九条谱线。,2. FP标准具的使用原理 塞曼分裂的波长差是非常小的，用一般棱镜摄谱仪是不行的，需采用高分辨率的仪器如法布里一珀罗标准具，简称FP标准具（FabryPerot e
28、talon）。 FP标准具是由平行放置的两块具有高反射膜的玻璃组成。入射光在两平面间多次反射形成多光束干涉，为了维持两镀膜表面严格平行，两镀膜表面压在膨胀系数很小的材料制成的间隔圈上。用螺丝调节三点的压力以达到平行。这种固定间隔的干涉仪称作FP标准具。,用FP标准具观察条纹时，光线在透镜的焦平面上产生干涉，其干涉条纹是许多等倾干涉圆环。应用FP标准具测量各分裂谱线的波长或波长差是通过测量干涉环的直径实现的，如图所示。 设FP标准具两表面的距离为d,空气折射率近似为n=1,对于出射角为的光线，产生干涉明纹（极大）的条件为:=2dcos=k(k为正整数），对应不同的,k,透镜的焦平面上形成一系列的
29、同心圆环。,对于正常塞曼效应，分裂的波数差为，代入测量波数差的公式可得：这样，若已知d和B，通过CCD摄像头将谱线输入计算机，利用有关软件测出塞曼分裂的各环直径，就可计算波长差和荷质比,三.实验仪器,四.实验内容与步骤 (一)横向塞曼效应 1.调节光路共轴 打开开关，点亮汞灯，调整透镜座、干涉滤光片座和FP标准具座，使它们与光源同轴。 2观察横向塞曼效应运行“塞曼效应智能分析软件”，并单击“预览”仔细调节透镜、干涉滤波片、FP标准具相互间的位置，以及FP标准具的三颗微调螺丝，直至在屏幕中能看到清晰的圆环。打开磁场开关，逐渐加大电流至能看到分裂的九条谱线。旋转偏振片，将分别看到 分量的3条谱线和
30、 分量的6条谱线。利用智能分析软件可对谱线进行分析，参考使用说明。 3.求电子荷质比 ，并与理论值比较。,六.注意事项 1.汞灯电压很高，注意安全。 2.注意保护光学元件的光学面，严禁用手触摸。 3.不要松动磁铁两侧的定位旋钮，以免激磁时铁芯吸合夹碎汞灯。 4.FP标准具的调节螺丝不可拧得太紧，实验完毕，应适当放松。 5.测量磁场时注意方向的大小，注意不要损坏汞灯。,实验五 全息照相,光学全息照相用干涉和衍射原理记录物光的振幅和位相，是记录光波全部信息的一种有效手段。全息照相的物理思想是丹尼斯 伽柏（Dennis Gabor）1948年首先建立的，1960年，随着激光的出现，获得了单色性、方向
31、性和相干性极好的光源，光学全息照相技术的研究和应用得到迅速发展。全息照相适用于红外、微波、x光、声波和超声波等一切波动过程，在精密计量、无损检测、信息储存和处理、遥感测控、生物医学等方面的应用日益广泛，全息技术已经发展成为科学技术上的一个新领域。,一.实验目的 二.实验原理 三.实验仪器 四.实验内容与步骤 五.数据记录与处理 六.注意事项,一.实验目的 1 了解全息照相的基本原理和主要特点； 2 学习拍摄静态全息照片的基本技术； 3 学会全息照片再现象的观察方法。,二.实验原理,伽伯(Dennis Gabor1900-1979),全息照相原理早在1948年就由匈牙利物理学家伽伯(Dennis
32、 Gabor 1900-1979)提出,并因此于1971年荣获诺贝尔物理学奖。到了60年代初期激光问世后，全息照相技术得到了迅速发展，目前已获得了相当广泛的应用。,1、全息照相和普通照相的区别,普通照相：利用透镜成像原理，仅记录了物光中的振幅信息，无立体感。,普通照片,全息照相：利用光的干涉原理，记录了物光中的全部信息-振幅和位相，有立体感。,全息照片,2、全息照片的获得光的干涉,由惠更斯菲涅耳原理可知，被摄物体散射的光波可看作是其上各点发出的球面波叠加。,因此可写为：,拍摄全息照片的原理图,全息照相是将物光波中的振幅和位相信息以干涉条 纹的反差和明暗变化的形式记录下来，形成的干涉条纹 是不规
33、则的，干涉条纹的间距为：, 为参考光束与物光束射到干板时两者的夹角， 为 光波波长。,3、全息照片的再现,感光后的全息干板，经显影、定影等处理得到的全 照片，相当于一个“衍射光栅”。再现光路如下图所示,三.实验仪器,四.实验内容与步骤 1 拍摄静物全息照片 （1）将所有器件调同高，将物光光束与参考光光束的光程调至基本相等，并使两者的夹角在30-40之间。 （2）调M1的倾角，使物光光束照射在物的中间位置，调M2的倾角，使参考光光束照射在全息干版P的中间。 （3）加入L1，调至其上下、左右、前后位置，使光团刚好照全物体，加入L2，调节其上下、左右、前后位置，使光团照在干版上，并使其余物光的光强比
34、 在5：110：1之间。 （5）对干版进行曝光，曝光时间约为10秒30秒，然后在弱绿光下进行显影，约2分钟，定影5分钟。 2 观察全息照片的再现物象 (1)将拍摄好的全息照片，在白炽灯下观察，透过基片向药膜方向看去，同时上下转动底版，如在某一位置看到一片光斑，说明已记录上了全息信息。 (2)取掉拍摄光路中的物光，将照片放回原拍摄位置。 (3)让拍摄时的参考光照射底版，透过基片向原物方向看去，观察再现虚象的位置、大小和亮度，与原物作比较，体会再现象的立体性。,五.数据记录与处理 记录实验数据： 物光与参考光的光强比： 曝光时间： 显影时间： 定影时间：,实验六 小型棱镜摄谱仪的 调整和使用,小型
35、棱镜摄谱仪与其它更精密摄谱仪相比较具有结构简单，使用方便等特点，适合于分辨率要求不高的光谱研究工作。摄谱仪的工作原理是，从光源发出的光经过聚光透镜后照射在狭缝上。射入狭缝的光经过平行光管透镜变成平行光，然后在棱镜上发生折射。由于色散，不同波长的光以不同角度射出。这些光再经暗箱物镜而在暗箱后端的底片上聚成谱线，曝光后的底片冲洗出来就成为谱片。,一.实验目的 二.实验原理 三.实验仪器 四.实验内容与步骤 五.数据记录与处理 六.注意事项,一.实验目的（1）了解小型棱镜摄谱仪的构造和工作原理。 （2）初步掌握棱镜摄谱仪的使用方法及摄谱技术。,二.实验原理 1.光谱谱线的产生在正常情况下，原子(或分
36、子、离子)处于稳定的基态，能量为E0，当被外来能量激发后（如火焰、电弧、火花、激光激发），原来处于最低能级的电子经激发跃迁到较高能级E1、E2、E3、。处于激发态的原子不稳定。经短暂的时间又回到低能级或基态，而将其所接受的能量以光的形式辐射出来，这样就产生了光谱谱线。辐射光子的波长由能级之间的能量差决定，其关系式为：式中h为普朗克常数，c为真空中的光速。,2.摄谱仪摄谱仪的光路原理如图所示，L1和L2为透镜，板C上有狭缝S，S在透镜L1焦点，Q为一屏幕，使它垂直于L2透镜的光轴，并放在其焦平面位置上，P为棱镜。由光源发出的光通过狭缝S和透镜L1成为平行光。我们可把光看成由S发出。其中不同波长的
37、光经过棱镜折射后得到不同角度的偏转，再经过透镜L2分别聚焦在屏Q的不同位置上。对于整个光学系统来说,物就是透镜L1前面的狭缝S，所以每种波长的光给出一条明亮的线条即狭缝的像，叫做谱线。,3线性插入法测量原理 棱镜的色散是不均匀的，但在一很小的波长范围内色散可以看成是均匀的，即谱线在底片的位置与波长有线性关系。已知谱线的波长为1和2 ，待测谱线的波长为x ，且介于1和2之间。如图所示。其中：线性插入法是一个近似的方法，它要求能够在待测光谱线附近找到很靠近的两条已知谱线，因此在光谱分析中常以铁光谱作标准（标识谱），它在可见光到紫外区有几百条光谱线。并且它们的波长都已精确测出。根据光谱图可查。,三.
38、实验仪器,四.实验内容与步骤 1.摄谱调整光源（铁试样两端面）、会聚透镜，使它们和狭缝、平行光管物镜共轴等高。调节狭缝宽度为0.0l0.015mm（即刻度轮上23个刻度），将光谱管放在人射狭缝的前端处，调整光谱管的位置，使看谱板上光谱最亮、最清晰，若不清晰可旋转调焦手轮或改变看谱板的倾斜角度。推动哈特曼光栏，观察它的作用。 2.摄谱摄谱前对一切条件，包括“板移刻度”、“缝宽”、“倾斜刻度”、“调焦刻度”、“波长鼓轮刻度”、“光源条件”、“曝光时间”都要搞清楚。这样才能在曝光过程中做到有条不紊，不致手忙脚乱。 3.冲洗胶片在全黑的暗室中，将感光胶片从暗匣中取出，在清水中将底片浸湿，然后按所给的暗
39、室处理条件进行显影、定影、水洗、晾干，最后将暗室整理干净。,五.数据记录与处理记录实验参数： 板移刻度： 缝宽： 倾斜刻度： 调焦刻度： 波长鼓轮刻度： 曝光时间：,六.注意事项 （1）必须爱护入射狭缝，不要使刀片处于相互紧闭的状态而使刃口受到损伤与破坏。 （2）为了保护刀刃免遭机械损坏以及避免灰尘和赃物的入侵，在使用完毕后，必须马上把狭缝最前面的曝光开关合上。 （3）摄谱时必须以 4358为中心波长，即将鼓轮旋转到 435刻线位置。 （4）摄谱时在曝光以前注意入射狭缝前的曝光开关要关闭，注意往右是通光，往左是关闭；底片匣旁的黑色拉板要拉出来，否则会造成虚拍。,实验九 非线性电路混沌实验(选)
40、,长期以来，人们在认识和描述运动时，大多只局限于线性动力学描述方法即确定的运动有一个完美确定的解析解 但是自然界在相当多情况下，非线性现象却起着很大的作用1963年美国气象学家Lorenz在分析天气预报模型时，首先发现空气动力学中的混沌现象，该现象只能用非线性动力学来解释于是，1975年混沌作为一个新的科学名词首次出现在科学文献中 从此，非线性动力学迅速发展，并成为有丰富内容的研究领域该学科涉及非常广泛的科学范围，从电子学到物理学，从气象学到生态学，从数学到经济学等混沌通常相应于不规则或非周期性这是由非线性系统本质产生的,由于混沌理论的深奥和所描述的运动的复杂性，加之这个名词本身不得不使人对它
41、抱有神秘感。 撇开数学上的严格定义不谈，可以说混沌是在决定性动力学系统中出现的一种貌似随机的运动。 决定性指的是描述动力学系统的微分方程或者更复杂的方程中的系数都是确定的，没有概率性因素，对于确定的初始值，决定性方程就应该有确定的解，来描述着系统确定的行为。 但在非线性系统中，初始值的微小扰动就会引起过程的极大变化。非线性系统对初始值的敏感性，从物理上看，这种变化过程好像是随机的，但它是一种假随机性，是决定性系统内部所固有的，也叫内秉随机性。,这个实验建立一个非线性电路，该电路包括有源非线性负阻、LC振荡器和RC移相器三部分：采用物理实验方法研究LC振荡器产生的正弦波与经过RC移相器移相的正弦
42、波合成的相图(李萨如图)，观测振动周期发生的分岔及混沌现象，从而对非线性电路及混沌现象有定程度的了解。,实验目的 1.用示波器观测LC振荡器产生的波形及经RC移相后的波形 2.用双踪示波器观测上述两个波形组成的相图(李萨如图)。 3.改变RC移相器中可调电阻R的值，观察相图周期变化记录倍周期分岔，阵发混沌，三倍周期、吸引子(周期混沌)和双吸引子(周期混沌)相图,实验十二 光电效应（设计实验）(选),光电效应是19世纪末发现的，详细的研究一直到1914年，研究中发现光电效应的基本规律，无法用麦克斯韦的经典电磁理论作出完满的解释。1905年爱因斯坦应用普朗克的量子论，提出光量子概念，给光电效应以正
43、确的解释。其中普朗克常数是现代物理学中的一个重要常数,记作h,其值是6.62610-34JS；由光电效应实验可简单准确地测定普朗克常数，实验有助对光的量子性的理解。密立根测出了当时最精确的普朗克常量h的值。赢得1923年度诺贝尔物理学奖。,实验目的 1、掌握h的测定方法 2、学习用最小二乘法作简单的数据处理,实验三 夫兰克赫兹实验（选）,光谱学的研究是玻尔原子理论的基础与证据，光谱是来自原子内部的信息，它证明了原子能级的存在。原子发射或吸收一定频率的光，就是电子在两个能级之间跃迁的结果，而夫兰克（J.Frank）和赫兹（G.Hertz）于1914年所作的用慢电子轰击稀薄气体原子，使原子从低能级
44、激发到高能级的实验，更直接地证明了原子能级的存在，为此，他们获得了1925年诺贝尔物理学奖。,实验目的 1 掌握夫兰克赫兹实验的基本物理思想和实验技巧； 2 学会测量氖原子的第一激发电势，认证原子能级存在及其量子性。,最小二乘法的使用,理论公式 经验公式 理论曲线 拟合曲线 使用最小二乘法计算对已知数据进行最佳直线拟合,把实验结果画成图表固然可以表示出物理规律,但是,图表的表示往往不如用函数表示来得明确和方便。所以我们希望从实验数据求经验方程,也称为方程的回归问题。回归分析是一种处理变量相关关系的数理统计方法。它在工农业生产、标准化制订以及科学实验中有着广泛的应用。,方程的回归首先要确定函数的
45、形式。函数形式的确定一般是根据理论的推断或者从实验数据变化的趋势而推测出来。,例如推断物理量Y和X之间的关系是线性关系,则把函数的形式写成 1如果推断是指数关系，则写成 等等,函数关系实在不清楚的,常常用多项式表示为: 式中、等等均为常数。所以回归的问题可以认为是用实验的数据来确定上列方程中的待定常数。,下面只介绍一种最简单的函数形式(即一元线性回归) ,为了讨论简单起见,限定: 、每个测量值都是等精度的; 、只有一个变量有明显的随机误差。只要实验中不改变实验条件和方法,第一限定条件一般总能满足。把误差较小的一个变量作为x,第二个条件也能满足。 ,设一组测量数据为y1,x1,yn，xn如果实验
46、不存在误差,那么在和确定以后,把上面的测试数据代入式,方程的左右两边应该相等。但实际上,测量总伴随着测量误差。我们把这些测量归结为的测量偏差。,对于某个测量值与直线在方向的偏差为（）,的大小与正负表示实验点在直线两侧的分散程度。但是,每次测量的误差不会一样,反映在、大小不一样,而且符号也不尽相同,所以只能要求总的偏差最小,即 = （）2 最小。由于处理数据的方法要满足偏差的平方和为最小,故称最小二乘法。,得到a、b使得偏差的平方和为最小,我们可以使用对多元函数求极值的方法。,假设实验测得组数据,而对应于每次测量值的偏差为 nnN 把上式两边平方之后再相加，得： = （）2,为极小值的条件是:,
47、这就是通过求偏导得最小值时的、值。在高等数学中可以证明,对和求二阶偏导数均大于零。说明和对应 的有极小值。,通过最后整理，得：,式中r为线性相关系数，r为接近1，说明数据的线性越好， vice versa。,对于多元线性回归及可以化为线性回归的非线性回归可以依照一元线性回归方法进行计算,但问题较复杂,此处不做介绍。,例：金属丝的电阻随温度的变化的函数关系式为Rt=R0（1+at），实验测量一组数据如下,使用最小二乘法求出及R0和a，写出回归方程的具体形式，并评价其相关程度。,解：因为 Rt=R0（1+at）= R0+ R0at）， 令a=Roa，t=x，b=R0， 这样Rt= R0at R0=
48、ax+b 有些计算器上有最小二乘法的功能。直接将数数值输入到计算器中，即可计算出a和b。 对于大多数同学的计算器来讲，我们可以结合纸张上的表格，也可以很快地计算出结果。,具体步骤： 1.列出一个表格 2.将xiyi计算出来，填入表格 3. 将xiyi一一输入，输入完毕之后，计算出XY； 4.将xi一一输入，输入完毕之后，计算出X和X2 5.将yi一一输入，输入完毕之后，计算出Y和Y2 6.将X、Y、XY、n带入算式中计算出a、b,7.计算r，确认回归的线性方程是不是有意义。 通过计算，例子中.a=0.0992213=R0a，b=23.066811=R0 Rt= R0at R0=ax+b =0.0992213x+23.066811=23.07+0.099t =23.07（1+4.30X10-3t）因为r=0.9998，所以线性很好，这个回归方程有使用价值。,
