基础光学实验
一、实验仪器
从基础光学轨道系统，红光激光器及光圈支架，光传感器与转动传感器，科学工作室500或750接口，DataStudio软件系统
二、实验简介
利用传感器扫描激光衍射斑点，可标度各个衍射单缝之间光强与距离变化的具体规律。同样可采集干涉双缝或多缝的光强分布规律。与理论值相对比，并比较干涉和衍射模式的异同。 理论基础
衍射：当光通过单缝后发生衍射，光强极小（暗点）的衍射图案由下式给出
asinθ=m’ λ （m’=1,2,3,….） （1）
其中a是狭缝宽度，θ为衍射角度，λ是光的波长。
下图所以为激光实际衍射图案，光强与位置关系可由计算机采集得到。衍射θ角是指从单缝中心到第一级小，则数。
m’为衍射分布级
双缝干涉：当光通过两个狭缝发生干涉，从中央最大值（亮点）到单侧某极大的角度由下式给出：
dsinθ=mλ （m=1,2,3,….） （2）
其中d是狭缝间距，θ为从中心到第m级最大的夹角，λ是光的波长，m为级数（0为中心最高，1为第一级的最大，2为第二级的最大…从中心向外计数）。 如下图所示，为双缝干涉的各级光强包络与狭缝的具体关系。
三、实验预备
1.将单缝盘安装到光圈支架上，单缝盘可在光圈支架上旋转，将光圈支架的螺丝拧紧，使单缝盘在使用过程中不能转动。要选择所需的狭缝，秩序旋转光栅片中所需的狭缝到单缝盘中心即可。
2、将采集数据的光传感器与转动传感器安装在光学轨道的另一侧，并调整方向。 3、将激光器只对准狭缝，主义光栅盘侧靠近激光器大约几厘米的距离，打开激光器（切勿
直视激光）。调整光栅盘与激光器。
4、自左向右和向上向下的调节激光束的位置，直至光束的中心通过狭缝，一旦这个位置确定，请勿在实验过程中调整激光束。
5、初始光传感器增益开关为×10，根据光强适时调整。并根据右图正确讲转动传感器及光传感器接入科学工作室500.
6、打开DataStudio软件，并设置文件名。 四、实验内容 A、单缝衍射
1、旋转单缝光栅，使激光光束通过设置为0.16毫米的单缝。
2、采集数据前，将光传感器移动衍射光斑的一侧，使传感器采集狭缝到需要扫描的起点。 3、在计算机上启动传感器，然后慢慢允许推动旋转运动传感器扫描衍射斑点，完成扫描后点击停止传感器。若果光强过低或者过高，改变光传感器（1×，10×，100×）。 4、使用式（1）确定狭缝宽度：
(a)测量中央主级大到每一侧上的第一个极小值之间的距离S。 (b)激光波长使用激光器上的参数。
(c)测量单缝光栅到光传感器的前部之间的距离L。
(d)利用以上数据计算至少两个不同的最小值和平均的答案。分析计算结果与标准缝宽之间的误差以及主要来源。 B、双峰衍射
1、将单缝光栅转为多缝光栅。选择狭缝间距为0.25mm(d)和狭缝官渡0.04mm(a)的多缝。 2、采集数据前，将光传感器移动衍射光板的一侧，是传感器采集狭缝到需要扫描的起点。 3、在计算机上启动传感器，然后慢慢允许推动旋转运动传感器扫描衍射斑点。完成扫描后点击停止传感器。如光强过低或者过高，改变光传感器（1×，10×，100×）。 4、利用DataStudio软件来测量主极大到一侧第一、二、三次极大的距离，并测量整个包络宽度。
5、测量最大的中心之间的距离和第二次和第三次的最大侧。测量距离从中央最高最低衍射（干扰）模式。
6、使用式（2）确定缝间距：
(a) 测量中央主级大到每一侧上的第n个极大值之间的距离Hn（n=1,2,3）。 (b)测量单缝光栅到光传感器的前部之间的距离L。
(c)确定”d”值，使用第一，第二和第三的最大值，求”d”平均值。分析实验值与标准缝间距的误差。
7、确定狭缝宽度，使用式（1）根据主级包络到第一级包络的距离，计算双缝缝宽，并与标准值对比。
8、选择两组其他双缝，重复上述步骤。
五、实验数据与处理 单缝衍射：
SL=0.0042m； SR=0.0040m； L=101.50cm; 仅当λ=650nm;
由式（1）算得aR=1.649×10m；aL=1.572×10m；a=1.611×10m 计算误差ΔR=(1.649-1.600)/1.600=3.06% ΔL=(1.600-1.572)/1.600=1.75%
-4
-4
-4
Δ=(1.611-1.600)/1.600=0.69%
实验误差主要来源于：图像的取值读数的误差，移动传感器速度的不稳定的影响，以及系统
误差影响等。
双缝衍射：
L=81.30cm;
HR1=0.002m；HR2=0.004m；HR3=0.007m； HL1=0.002m；HL2=0.005m；HL3=0.007m； 由式（2）计算得dR1=2.64×10 dR2=2.64×10
-4 -4
dR3=2.26×10
-4
dL1=2.64×10
-4
dL2=2.11×10dL3=2.26×10
-4
-4
平均值为：d=2.43×10 误差Δ=（0.25-0.243）/0.25=2.8%
-4
五、课后思考
1、单缝衍射与双缝干涉的物理本质是否相同？ 答：它们本质是相同的，没有明确的界限。
2、对于一个参数确定的双缝，主级包络的光强极值数量及相对强度如何确定？ 答：主级包络的光强极值数量为2d/a-1条。相对强度I/I0=N。
2
实验II
激光光速的测定
实验仪器：
He-Ne激光器及电源适配器，实验基台，透镜及反射平面镜，光接收器，示波器及函数发生器，30米卷尺及平板小车，连接电缆若干 实验简介
利用函数信号发生器，调整激光器输出为高频周期脉冲方波信号，等距改变激光传输光程并用光接收器接收反射信号，利用示波器便可以测定光速。 理论基础
在自由空间内光的速度是一个重要而有趣的自然常数，光源的速度与观察者的相对速度无关，且有以下规律
光的速度，是宇宙见任何事物速度的上限
2移动物体接近光速，遵循一套物理原则，不符合牛顿定律且超过了我们的直觉假设。 实验预备
1.准备了光接收器和红光激光器
2.在实验基台上，依次放置好激光器，透镜和光接收器，并将反射平面镜放置在另外一个平板小车上。
3. 反射平面镜放置的平板小车须有10—20m活动空间。 4.调整平面镜垂直及水平，使反射光和入射光在同一水平高度。
5.使用BNC同轴线缆连接TTL与示波器通道1，使用RCA-BNC线缆连接光接收器与示波器通道2，使用3.5mm耳机线-BNC线缆连接激光器电源与函数发生器输出接口。
6.设置函数发生器为方波，频率设置-3MHZ，调节函数发生器的直流输出和偏移，直至激光器亮度始终为止。
7.调节示波器参数，调整示波器时间轴为25ns/div 实验内容
调整激光反射镜透镜位置和接收器，使信号最大化。
在示波器上，调整信号以最大限度的显示显示信号变化。注意测量全程不要更改示踪的水平位置。
记录的反射镜的位置d和示波器信号的相位差T
改变反射镜位置，并重复上述步骤，至少采集7个数据点以上。
实验结果
得|m|=0.302m/ns，则通过实验所测得的光速c=3.02*108m/s。相对误差为(c-c0)/c=0.67%。 实验建议
勿直视激光斑点，小心伤眼。
应使激光器反射信号尽量打入光接收器传感芯片的中心位置。 测量全程不应更改示踪的水平位置。
使反射光与入射光处于同一水平高度上，必要时要调整激光器的固定倾角。 思考题
激光器反射方波信号经接收器接收后显示在示波器的通道而上形成类余弦的光信号，分析原因。
答：激光的能量会在空气中消耗，且光路调节并非完全精确，在杂光的影响下使示波器中的正弦波不稳定，产生类余弦的信号 改进方法
频率更高的信号减小读数误差，可采用能量更大的激光束以消除杂光的干扰 误差分析
本实验存在一定的系统误差和人为误差，如测距不准确，不能保证在真空中进行， 而且本实验横轴的数量级较小，则读数稍有不准会带来较大的实验误差，还有该实验为几个同学分工合作，不同同学的视角，对测数的把握不同也会带来误差。
基础光学实验
一、实验仪器
从基础光学轨道系统，红光激光器及光圈支架，光传感器与转动传感器，科学工作室500或750接口，DataStudio软件系统
二、实验简介
利用传感器扫描激光衍射斑点，可标度各个衍射单缝之间光强与距离变化的具体规律。同样可采集干涉双缝或多缝的光强分布规律。与理论值相对比，并比较干涉和衍射模式的异同。 理论基础
衍射：当光通过单缝后发生衍射，光强极小（暗点）的衍射图案由下式给出
asinθ=m’ λ （m’=1,2,3,….） （1）
其中a是狭缝宽度，θ为衍射角度，λ是光的波长。
下图所以为激光实际衍射图案，光强与位置关系可由计算机采集得到。衍射θ角是指从单缝中心到第一级小，则数。
m’为衍射分布级
双缝干涉：当光通过两个狭缝发生干涉，从中央最大值（亮点）到单侧某极大的角度由下式给出：
dsinθ=mλ （m=1,2,3,….） （2）
其中d是狭缝间距，θ为从中心到第m级最大的夹角，λ是光的波长，m为级数（0为中心最高，1为第一级的最大，2为第二级的最大…从中心向外计数）。 如下图所示，为双缝干涉的各级光强包络与狭缝的具体关系。
三、实验预备
1.将单缝盘安装到光圈支架上，单缝盘可在光圈支架上旋转，将光圈支架的螺丝拧紧，使单缝盘在使用过程中不能转动。要选择所需的狭缝，秩序旋转光栅片中所需的狭缝到单缝盘中心即可。
2、将采集数据的光传感器与转动传感器安装在光学轨道的另一侧，并调整方向。 3、将激光器只对准狭缝，主义光栅盘侧靠近激光器大约几厘米的距离，打开激光器（切勿
直视激光）。调整光栅盘与激光器。
4、自左向右和向上向下的调节激光束的位置，直至光束的中心通过狭缝，一旦这个位置确定，请勿在实验过程中调整激光束。
5、初始光传感器增益开关为×10，根据光强适时调整。并根据右图正确讲转动传感器及光传感器接入科学工作室500.
6、打开DataStudio软件，并设置文件名。 四、实验内容 A、单缝衍射
1、旋转单缝光栅，使激光光束通过设置为0.16毫米的单缝。
2、采集数据前，将光传感器移动衍射光斑的一侧，使传感器采集狭缝到需要扫描的起点。 3、在计算机上启动传感器，然后慢慢允许推动旋转运动传感器扫描衍射斑点，完成扫描后点击停止传感器。若果光强过低或者过高，改变光传感器（1×，10×，100×）。 4、使用式（1）确定狭缝宽度：
(a)测量中央主级大到每一侧上的第一个极小值之间的距离S。 (b)激光波长使用激光器上的参数。
(c)测量单缝光栅到光传感器的前部之间的距离L。
(d)利用以上数据计算至少两个不同的最小值和平均的答案。分析计算结果与标准缝宽之间的误差以及主要来源。 B、双峰衍射
1、将单缝光栅转为多缝光栅。选择狭缝间距为0.25mm(d)和狭缝官渡0.04mm(a)的多缝。 2、采集数据前，将光传感器移动衍射光板的一侧，是传感器采集狭缝到需要扫描的起点。 3、在计算机上启动传感器，然后慢慢允许推动旋转运动传感器扫描衍射斑点。完成扫描后点击停止传感器。如光强过低或者过高，改变光传感器（1×，10×，100×）。 4、利用DataStudio软件来测量主极大到一侧第一、二、三次极大的距离，并测量整个包络宽度。
5、测量最大的中心之间的距离和第二次和第三次的最大侧。测量距离从中央最高最低衍射（干扰）模式。
6、使用式（2）确定缝间距：
(a) 测量中央主级大到每一侧上的第n个极大值之间的距离Hn（n=1,2,3）。 (b)测量单缝光栅到光传感器的前部之间的距离L。
(c)确定”d”值，使用第一，第二和第三的最大值，求”d”平均值。分析实验值与标准缝间距的误差。
7、确定狭缝宽度，使用式（1）根据主级包络到第一级包络的距离，计算双缝缝宽，并与标准值对比。
8、选择两组其他双缝，重复上述步骤。
五、实验数据与处理 单缝衍射：
SL=0.0042m； SR=0.0040m； L=101.50cm; 仅当λ=650nm;
由式（1）算得aR=1.649×10m；aL=1.572×10m；a=1.611×10m 计算误差ΔR=(1.649-1.600)/1.600=3.06% ΔL=(1.600-1.572)/1.600=1.75%
-4
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Δ=(1.611-1.600)/1.600=0.69%
实验误差主要来源于：图像的取值读数的误差，移动传感器速度的不稳定的影响，以及系统
误差影响等。
双缝衍射：
L=81.30cm;
HR1=0.002m；HR2=0.004m；HR3=0.007m； HL1=0.002m；HL2=0.005m；HL3=0.007m； 由式（2）计算得dR1=2.64×10 dR2=2.64×10
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dR3=2.26×10
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dL1=2.64×10
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dL2=2.11×10dL3=2.26×10
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平均值为：d=2.43×10 误差Δ=（0.25-0.243）/0.25=2.8%
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五、课后思考
1、单缝衍射与双缝干涉的物理本质是否相同？ 答：它们本质是相同的，没有明确的界限。
2、对于一个参数确定的双缝，主级包络的光强极值数量及相对强度如何确定？ 答：主级包络的光强极值数量为2d/a-1条。相对强度I/I0=N。
2
实验II
激光光速的测定
实验仪器：
He-Ne激光器及电源适配器，实验基台，透镜及反射平面镜，光接收器，示波器及函数发生器，30米卷尺及平板小车，连接电缆若干 实验简介
利用函数信号发生器，调整激光器输出为高频周期脉冲方波信号，等距改变激光传输光程并用光接收器接收反射信号，利用示波器便可以测定光速。 理论基础
在自由空间内光的速度是一个重要而有趣的自然常数，光源的速度与观察者的相对速度无关，且有以下规律
光的速度，是宇宙见任何事物速度的上限
2移动物体接近光速，遵循一套物理原则，不符合牛顿定律且超过了我们的直觉假设。 实验预备
1.准备了光接收器和红光激光器
2.在实验基台上，依次放置好激光器，透镜和光接收器，并将反射平面镜放置在另外一个平板小车上。
3. 反射平面镜放置的平板小车须有10—20m活动空间。 4.调整平面镜垂直及水平，使反射光和入射光在同一水平高度。
5.使用BNC同轴线缆连接TTL与示波器通道1，使用RCA-BNC线缆连接光接收器与示波器通道2，使用3.5mm耳机线-BNC线缆连接激光器电源与函数发生器输出接口。
6.设置函数发生器为方波，频率设置-3MHZ，调节函数发生器的直流输出和偏移，直至激光器亮度始终为止。
7.调节示波器参数，调整示波器时间轴为25ns/div 实验内容
调整激光反射镜透镜位置和接收器，使信号最大化。
在示波器上，调整信号以最大限度的显示显示信号变化。注意测量全程不要更改示踪的水平位置。
记录的反射镜的位置d和示波器信号的相位差T
改变反射镜位置，并重复上述步骤，至少采集7个数据点以上。
实验结果
得|m|=0.302m/ns，则通过实验所测得的光速c=3.02*108m/s。相对误差为(c-c0)/c=0.67%。 实验建议
勿直视激光斑点，小心伤眼。
应使激光器反射信号尽量打入光接收器传感芯片的中心位置。 测量全程不应更改示踪的水平位置。
使反射光与入射光处于同一水平高度上，必要时要调整激光器的固定倾角。 思考题
激光器反射方波信号经接收器接收后显示在示波器的通道而上形成类余弦的光信号，分析原因。
答：激光的能量会在空气中消耗，且光路调节并非完全精确，在杂光的影响下使示波器中的正弦波不稳定，产生类余弦的信号 改进方法
频率更高的信号减小读数误差，可采用能量更大的激光束以消除杂光的干扰 误差分析
本实验存在一定的系统误差和人为误差，如测距不准确，不能保证在真空中进行， 而且本实验横轴的数量级较小，则读数稍有不准会带来较大的实验误差，还有该实验为几个同学分工合作，不同同学的视角，对测数的把握不同也会带来误差。