❶ 運用大學物理里的原理做的小發明
你可以根據麥克斯韋方程來做個交流發電機
❷ 大學物理創新實驗題目
計時光屏
論文題目:計時光屏
設想:
普通物理實驗中,在測量光柵常數時我們發現光屏上亮斑之間的距離測量存在較大的誤差和諸多不便,比如在操作過程中容易光線容易被擋住;多次測量會導致眼部疲勞。所以我們設想改進一下光屏來克服以上問題,於是我們想到了計時光屏,通過計時的方式,直觀、方便地測量出我們需要的數據。
研究過程:
1、 起初由於測量光屏上亮斑之間距離時,手部操作會擋住光線,因此我們想將現用的白色光屏換成磨砂玻璃,從另一面來測量。但是經過討論和咨詢老師,發現光經過玻璃會產生折射,引起新的誤差。並且激光會對人眼產生不良影響,所以第一個想法被否定了。
2、 基於玻璃的缺點,我們又想簡單的一張紙或一塊布就可以解決以上問題。但是用紙和布記錄又存在不可重復利用的缺點,而且記錄錯誤時不利於改正,於是我們又否定了第二個想法。
3、 從可重復利用這一點出發,我們想到了兒童寫字板,它可以重復利用而且記錯時課方便地改正。但經過討論和實踐發現,兒童寫字板記錄的斑點較大,測量兩個光板之間的距離仍存在較大誤差。因此我們也舍棄了第三個想法。
4、 在直接測量希望不大時,我們想到了把光信號轉化成電信號,進行間接測量的方法。但了解到市場上已有的用CCD記錄圖象信息的裝置,其成本過高。
5、 同樣用光信號轉換成為電信號的方法,可以將光敏電阻與示波器組合。經過實驗發現,光敏電阻的靈敏度過低,而激光器的功率通常又只有2mV和4mV。另一方面是示波器存在的問題。首先,示波器要求必須有嚴格勻速變化的信號。其次,一般的實驗室示波器都無記憶功能,為此,怎樣記錄一閃而過的信號成為難題。所以用光敏電阻和示波器組合的方式也被淘汰。
6、 在光敏電阻的基礎上我們找到了更靈敏且具有放大作用的光敏三極體,這樣解決了圖象信號和電信號之間的轉換問題。在找將電信號返還為圖象信號的過程中,經多次咨詢以及小組討論後,我們否決了示波器、多用電表以及電腦,最終決定將計時器和可帶動光敏三極體運動的螺桿相結合,通過位移,速度和時間的關系求得光斑之間的距離,這樣就可以巧妙地達到最終目的。
(這里要插個圖的,你留個郵箱吧)
設計優點:
1、 迴避了原來測量方法中目測產生的誤差,同時通過高精度的計時儀器來測量計算,從兩方面來減小實驗誤差。
2、 用光敏三級管可以准確地感受到光強相等的位置,進而准確反映兩亮點之間的距離。
3、 避免了測量過程中長時間觀察激光光斑所引起的眼部疲勞。
4、 實用電子化操作,使實驗操作更為便捷。 1.陀螺儀在高速轉動時可以保持其自轉軸的方向基本不變;因此可以用來作為飛機、艦船、導彈等上的導航和穩定器件
2.當轉動慣量減小時,會感覺轉速增大{即角速度增大}。這是因為人坐在上面時外力矩為零,此時角動量守恆,根據角動量等於轉動慣量與角速度的乘積,當轉動慣量減少時,角速度增大
3.當車輪式回轉儀的輪子繞自轉軸以角速度W高速旋轉時,其角動量L=JW。若支點不在系統重心,系統將受到重力矩M=r*mg的作用,由角動量定理M=Dl/Dt知,車輪自轉軸將繞豎直軸發生進動,其進動角速度=mgr/j。方向由L,M的方向決定 。
4.冰上芭蕾演員表演時,先把兩臂張開,並繞通過足尖的垂直轉軸以角速度旋轉,然後迅速把兩臂和腿朝身邊靠攏,這時由於轉動量慣變小,根據角動量守恆定律,角速度必增大,因而旋轉更快;
跳水運動員常在空中先把手臂和腿蜷縮起來,以減小轉動慣量而增大轉動角速度,在快到水面時,則又把手,腿伸直,以增大轉動慣量而減小轉動角速度,並以一定的方向落入水中.
❸ 大學物理創意設計生活用品
有什麼創意沒?
❹ 大學物理創新實驗該從哪些方面考慮
1、可以結合日常生活的常識問題作為切入;
2、與相關專業老師交流,利用他們的課題內容進行展開;
3、可以根據專業課程學習過程中遇到的問題進行展開。
僅供參考。
❺ 求 大學物理實驗創新報告 一份
計時光屏
論文題目:計時光屏
設想:
普通物理實驗中,在測量光柵常數時我們發現光屏上亮斑之間的距離測量存在較大的誤差和諸多不便,比如在操作過程中容易光線容易被擋住;多次測量會導致眼部疲勞。所以我們設想改進一下光屏來克服以上問題,於是我們想到了計時光屏,通過計時的方式,直觀、方便地測量出我們需要的數據。
研究過程:
1、 起初由於測量光屏上亮斑之間距離時,手部操作會擋住光線,因此我們想將現用的白色光屏換成磨砂玻璃,從另一面來測量。但是經過討論和咨詢老師,發現光經過玻璃會產生折射,引起新的誤差。並且激光會對人眼產生不良影響,所以第一個想法被否定了。
2、 基於玻璃的缺點,我們又想簡單的一張紙或一塊布就可以解決以上問題。但是用紙和布記錄又存在不可重復利用的缺點,而且記錄錯誤時不利於改正,於是我們又否定了第二個想法。
3、 從可重復利用這一點出發,我們想到了兒童寫字板,它可以重復利用而且記錯時課方便地改正。但經過討論和實踐發現,兒童寫字板記錄的斑點較大,測量兩個光板之間的距離仍存在較大誤差。因此我們也舍棄了第三個想法。
4、 在直接測量希望不大時,我們想到了把光信號轉化成電信號,進行間接測量的方法。但了解到市場上已有的用CCD記錄圖象信息的裝置,其成本過高。
5、 同樣用光信號轉換成為電信號的方法,可以將光敏電阻與示波器組合。經過實驗發現,光敏電阻的靈敏度過低,而激光器的功率通常又只有2mV和4mV。另一方面是示波器存在的問題。首先,示波器要求必須有嚴格勻速變化的信號。其次,一般的實驗室示波器都無記憶功能,為此,怎樣記錄一閃而過的信號成為難題。所以用光敏電阻和示波器組合的方式也被淘汰。
6、 在光敏電阻的基礎上我們找到了更靈敏且具有放大作用的光敏三極體,這樣解決了圖象信號和電信號之間的轉換問題。在找將電信號返還為圖象信號的過程中,經多次咨詢以及小組討論後,我們否決了示波器、多用電表以及電腦,最終決定將計時器和可帶動光敏三極體運動的螺桿相結合,通過位移,速度和時間的關系求得光斑之間的距離,這樣就可以巧妙地達到最終目的。
(這里要插個圖的,你留個郵箱吧)
設計優點:
1、 迴避了原來測量方法中目測產生的誤差,同時通過高精度的計時儀器來測量計算,從兩方面來減小實驗誤差。
2、 用光敏三級管可以准確地感受到光強相等的位置,進而准確反映兩亮點之間的距離。
3、 避免了測量過程中長時間觀察激光光斑所引起的眼部疲勞。
4、 實用電子化操作,使實驗操作更為便捷。
❻ 大學物理創新實驗報告
學院:汽車學院 班級:熱動0504 姓名:張志強 學號:0120507210410
大學物理實驗論文
-------實驗心得與體會
通過這個學期的大學物理實驗,我體會頗深。首先,我通過做實驗了解了許多實驗的基本原理和實驗方法,學會了基本物理量的測量和不確定度的分析方法、基本實驗儀器的使用等;其次,我已經學會了獨立作實驗的能力,大大提高了我的動手能力和思維能力以及基本操作與基本技能的訓練,並且我也深深感受到做實驗要具備科學的態度、認真態度和創造性的思維。下面就我所做的實驗我作了一些總結和體會。
自從我第一次上物理實驗課的時候我就深深地感覺到物理實驗的重要性,因此我每次上課都能全身心地聽課,比如說第一次的不確定度等我就比班上其他同學學的要好一點,基本上學會了不確定度的每一步計算、回歸直線的繪制以及有效數字的保留等,這也為我以後的實驗數據處理帶來了極大的方便。
我現在還記得我第一次做邁克爾遜干涉儀實驗時我雖然用心聽講,但是再我做時候卻極為不順利,因為我調節儀器時怎麼也調不出干涉條紋,轉動微調手輪也不怎麼會用,最後調出干涉條紋了卻掌握不了干涉條紋「湧出」或「陷入個數、速度與調節微調手輪的關系。測量鈉光雙線波長差時也出現了類似的問題,實驗儀器用的非常不熟悉,這一切都給我做實驗帶來了極大的不方便,當我回去做實驗報告的時候又發現實驗的誤差偏大,可慶幸的是計算還順利。總而言之,第一個實驗我做的是不成功,但是我從中總結了實驗的不足之處,吸取了很大的教訓。因此我從做第二個實驗起,就在實驗前做了大量的實驗准備,比如說,上網做提前預習、認真寫好預習報告弄懂實驗原理等。因此我從做第二個實驗起就在各個方面有了很大的進步,實驗儀器的使用也熟悉多了,實驗儀器的讀數也更加精確了,儀器的調節也更加的符合實驗的要求。就拿夫-赫實驗/雙光柵微振實驗來說,我能夠熟練調節ZKY-FH-2智能夫蘭克—赫茲實驗儀達到實驗的目的和測得所需的實驗數據,並且在實驗後順利地處理了數據和精確地畫出了實驗所要求的實驗曲線。在實驗後也做了很好的總結和個人體會,與此同時我也學會了列表法、圖解法、函數表示法等實驗數據處理方法,大大提高了我的實驗能力和獨立設計實驗以及創造性地改進實驗的能力等等。
下面我就談一下我在做實驗時的一些技巧與方法。首先,做實驗要用科學認真的態度去對待實驗,認真提前預習,做好實驗預習報告;第二,上課時認真聽老師做預習指導和講解,把老師特別提醒會出錯的地方寫下來,做實驗時切勿出錯;第三,做實驗時按步驟進行,切不可一步到位,太心急。並且一些小節之處要特別小心,若不會,可以跟其他同學一起探討一下,把問題解決。第四,實驗後數據處理一定要獨立完成,莫抄其他同學的,否則,做實驗就沒有什麼意義了,也就不會有什麼收獲。
總而言之,大學物理實驗具有非常重要的意義。首先,物理概念的建立、物理規律的發現依賴於物理實驗,是以實驗為基礎的,物理學作為一門科學的地位是由物理實驗予以確立的;其次,已有的物理定律、物理假說、物理理論必須接受實驗的檢驗,如果正確就予以確定,如果不正確就予以否定,如果不完全正確就予以修正。例如,愛因斯坦通過分析光電效應現象提出了光量子;伽利略用新發明的望遠鏡觀察到木星有四個衛星後,否定了地心說;楊氏雙縫干涉實驗證實了光的波動假說的正確性。可以說,物理學的每一次進步都離不開實驗。這對我們大學生來說也是非常重要的,尤其是對將來所從事的實際工作所需要具備的獨立工作能力和創新能力等素質來講,也是十分必要的,這是大學物理理論課不能做到,也不能取代的。
因此,我希望我能更加努力,在下個學期順利完成所有的實驗,圓滿結束大學物理實驗。
大學物理實驗論文
趙新梅 學號:0120509330327 信息學院電子0503班
在即將結束的這個學期里,我完成了大學物理實驗(上)這門課程的學習。物理實驗是物理學習的基礎,雖然在很多物理實驗中我們只是復現課堂上所學理論知識的原理與結果,但這一過程與物理家進行研究分子和物質變化的科學研究中的物理實驗是一致的。在物理實驗中,影響物理實驗現象的因素很多,產生的物理實驗現象也錯綜復雜。老師們通過精心設計實驗方案、嚴格控制實驗條件等多種途徑,以最佳的實驗方式呈現物理問題,使我們通過努力能夠順利地解決物理實驗呈現的問題,考驗了我們的實際動手能力和分析解決問題的綜合能力,加深了我們對有關物理知識的理解。通過一學期的課程,我學到了很多東西。
做大學物理實驗時,為了在規定的時間內快速高效率地完成實驗,達到良好的實驗效果,需要課前認真地預習,首先是根據實驗題目復習所學習的相關理論知識,並根據實驗教材的相關內容,弄清楚所要進行的實驗的總體過程,弄懂實驗的目的、基本原理,了解實驗所採用的方法的關鍵與成功之處;思考實驗可能用到的相關實驗儀器,對照教材所列的實驗儀器,了解儀器的工作原理,性能、正確操作步驟,特別是要注意那些可能對儀器造成損壞的事項。然後還要寫預習報告,預習報告能夠幫助我們順利完成實驗中的各項操作。在寫預習報告的時候,我們一般包括實驗目的,基本原理,實驗儀器,操作步驟,測量內容,數據表,預習思考題等。數據表與操作步驟密切相關,數據表中的欄目排列順序應與操作步驟的順序合理配合。這樣就可以隨時將數據按順序填入表中,也可以隨時觀察和分析數據的規律性。剛開始時我們不注意預習報告里的數據表格,將數據隨便的記錄在一張紙上,結果發現整理數據時會出現很多混亂和錯誤,尤其是數據比較多的時候,比如在做《用動力學共振法測固體材料的樣式彈性模量》實驗時,由於實驗前未提前設計好表格,數據記錄得很隨便,很亂,處理時很困難。後來汲取了教訓,在實驗前根據所要測的物理量和實驗步驟設計好數據表格,在實驗記錄時和處理數據時輕鬆了不少。實驗教會了我們要養成良好的科學的實驗習慣。預習思考題,是加深實驗內容或對關鍵問題的理解、開發視野的一些問題,在實驗前認真地思考並回答這些問題,有助於提高實驗質量。對於不明白的問題或實驗原理中一些不明白的地方,可以跟自己的同學討論一下或查一下相關的資料,實在不明白的地方可以帶到課堂上問老師,只有把實驗中所有的地方都弄通弄透徹,才能達到實驗應有的效果。
預習是做實驗前必須的工作,但是做實驗的主要工作還是課堂操作。
課堂操作需要我們嚴格的遵守實驗的各項原則,要將儀器放置在合理的位置,以方便使用和確保安全,比如象高壓電源的輸出端鈕應該遠離操作者。經常需要操縱或調節的器件,應該放在便於操縱的位置上。一些電學實驗儀器部件較多,首先要把這些儀器部件一一放在合適的位置上,然後再連線。實驗過程中要嚴格按照實驗儀器的操作要求來操作,所有儀器要調整到正確的位置和穩定的狀態,在安裝和調整儀器時還不能使用書本這些本身就不穩定的物品做墊塊,否則容易造成測量數據的分散性,影響實驗質量,並且容易在成實驗儀器的損壞。在的過程中,經常會出現一些故障或觀察到的實驗現象與理論上的現象不符,首先應認真思考並檢查實驗儀器使用以及線路連接是否正確,不正確的及時進行改正,若自己不能解決,應及時請老師來指導,切不可敷衍過關,草草了事。還有讀數,需要有足夠的耐心和細心,尤其是對一些精度比較高的儀器,讀數一定要按照正確的讀數方法並且一定要細心。對於數據的紀錄,則要求我們要有原始的數據紀錄,它是記載物理實驗全部操作過程的基礎性資料。而且在實驗過程中必須認真地觀察實驗現象,並做如實的記錄。如果發現實驗現象與實驗理論不符合,或者測試結果出現異常,就應該認真檢查原因,並細心重做實驗。實驗完成後,應把所有的實驗儀器恢復到原位,並認真清理實驗台。
在實驗操作完成後,應認真地處理實驗數據。實驗數據是對實驗定量分析的依據,是探索、驗證物理規律的第一手資料。在系統誤差一定的情況下,實驗數據處理得恰當與否,會直接影響偶然誤差的大小。所以對實驗數據的處理是實驗復習的重要內容之一。在這一學期中我們學到的處理數據的方法有:
1. 平均值法 取算術平均值是為減小偶然誤差而常用的一種數據處理方法。通常在同樣的測量條件下,對於某一物理量進行多次測量的結果不會完全一樣,用多次測量的算術平均值作為測量結果,是真實值的最好近似。
2. 列表法 實驗中將數據列成表格,可以簡明地表示出有關物理量之間的關系,便於檢查測量結果和運算是否合理,有助於發現和分析問題,而且列表法還是圖象法的基礎。
列表時應注意:①表格要直接地反映有關物理量之間的關系,一般把自變數寫在前邊,因變數緊接著寫在後面,便於分析。②表格要清楚地反映測量的次數,測得的物理量的名稱及單位,計算的物理量的名稱及單位。物理量的單位可寫在標題欄內,一般不在數值欄內重復出現。③表中所列數據要正確反映測量值的有效數字。
3. 作圖法 選取適當的自變數,通過作圖可以找到或反映物理量之間的變化關系,並便於找出其中的規律,確定對應量的函數關系。作圖法是最常用的實驗數據處理方法之一。
描繪圖象的要求是:①根據測量的要求選定坐標軸,一般以橫軸為自變數,縱軸為因變數。坐標軸要標明所代表的物理量的名稱及單位。②坐標軸標度的選擇應合適,使測量數據能在坐標軸上得到准確的反映。為避免圖紙上出現大片空白,坐標原點可以是零,也可以不是零。坐標軸的分度的估讀數,應與測量值的估讀數(即有效數字的末位)相對應。
這學期我們還學習了用電腦處理數據。用電腦處理數據方便快捷,可以節省不少時間,而且也比較清晰明了。但是用電腦處理的前提依然是我們對理論知識比較熟悉,而且實驗操作過程必須認真地完成,記錄的數據准確,有效。
撰寫實驗報告和進行問題討論等也是大學物理實驗不可缺少的重要環節。實驗報告是對我們的動手能力、寫作能力和總結能力的一種鍛煉,實驗報告也促進我們對實驗過程以及所得結論進行更深刻的思考。我們的實驗報告應包括實驗過程中所出現的實驗現象以及對這些現象的解釋,實驗中所遇到的問題以及解決方法,實驗數據的記錄以及對數據進行計算並求得最終的結果,驗證跟理論值是否相符,誤差的大小,最終得出的結論,對實驗思考題進的討論以及討論的結果和對實驗進行的總結。一份認真的,高水平的實驗報告才算是為本次實驗畫上一個圓滿的句號。
「加強基礎、重視應用、開拓思維、培養能力、提高素質 」是大學物理試驗的指導思想;「加深學生對有關物理知識的理解,培養學生正確的科學實驗習慣,提高學生的動手能力、觀察分析能力和創新能力」是大學物理實驗的目的。學大學物理實驗這門課程,是對個人能力的一種鍛煉,它不但鍛煉了我們的細心、耐心,而且使我養成了良好的學習習慣和嚴謹的學習態度。這一學期物理實驗課程的學習,使我受益匪淺。但我也還有很多不足的地方需要改正,比如做實驗速度很慢,下學期我們還將學習這門課程,我在以後的課程學習中一定要 注意慢慢改進。
❼ 大學物理創新性實驗
OntheImpactofa0.12kgApplewiththeHead
Abstract..TheCollisionIncedPain(CIP)procedbya0.12kgappleontheheadwasmeasured.
Introction.SincetheearlydaysofCreation,Manhasbeeninterestedinapples[1].Itsnutritiveproperties[2][3].Morerecently,[4].However,.
Experimentalprocereandresults...1.tervalsoftime∆t(Table1).』sheadfromadistanced=1.8±0.1metres.=0.12±0.01kg.ea(AIA).
Table1.Recordedevents
Onascaleof0to10,theCollisionIncedPain(CIP)wasratedas2.3±0.1(Fig.2)τ=14.6±0.5seconds.lythePainRelaxationTime(PRT)[5],.』sskull.
Conclusion.edoutforthefirsttime.A0.』sheadfromadistanceof1.8metreswasfoundtoproceaCIPof2.3±0.1arbitraryunits...
FIG2.(solidsquare,d=1.8metres).
Acknowledgments.(UK)forprovidingtheappletree.
[1]Adametal.,EdenJ.Nat.Hist.1,1(8000BC).
[2]GrannySmith,「1000recipeswithapples」,OrchardPublishers,Appleville,1964.
[3]S.WhiteandSevenCoauthors,J.Appl.WitchcraftA:Poisons7,2345(1532).
[4]Macintoshetal.,J.Hort.Comput.52,2167(1973).
[5]Mrs.Newton,privatecommunication.
Ed.Note:.Sinceitis,essentially,aworkoffiction,oricalinaccuracies(e.g.,』stime,andtheappletreewasinNewton』shometownofWoolsthorpe,notCambridge).
❽ 大學生科技創新有什麼新穎的課題,物理方面
首先,我們都知道目前中國的創新是一個什麼層面,看看高交會你就心涼了一半,無非就是剽竊臨摹、胡拉亂扯和生搬硬套嘛!真的遇到了比較大的創新,很多教授都不知道該怎麼說。我想你的創新報告,應該寫一個目前機器人領域別人還沒有想到,但你們有可以做出來的東西。
❾ 大學物理發明製作
大學的問題都得比較厲害的人答了,沒事在這里有時間答題的應該不會太厲害,何況你問的還是大學物理,所以你的問題估計是沒人回答了,這只是我個人看法。
❿ 誰能幫我設計一個大學物理創新實驗啊!~
2 研究型實驗及其開設要求
2.1 研究型實驗的基本內涵
通常「研究型」物理實驗是在綜合性、設計性物理實驗的基礎上由學生自己選題、查閱文獻、設計實驗方案,在教師指導下完成實驗。「研究型」實驗通常是要求學生帶著問題測取數據,摸索實驗規律,然後帶著問題查找資料、探尋答案,並試著對所觀察到的現象進行理論分析,並做出合理的解釋。這類實驗的開設目的是全方位地鍛煉學生實驗研究的能力,充分調動學生的主動性和積極性,激發他們從事物理學研究的興趣和熱情,為以後從事科研工作打下良好的基礎。
2.2 研究型實驗的選題
研究型實驗要精心選題、科學設計。實驗內容要新穎、有趣味性,物理現象比較明顯和具有可研究性。同時還要考慮實驗室條件和學生的水平與能力,能讓學生在比較熟悉的理論基礎上作初步的分析與發展。既要與已知的現象、理論和方法有聯系又要有一定的深度和廣度。作為基礎物理實驗,研究型實驗內容不能過於復雜,要求不宜過高,要能通過分析、討論和查閱資料等方式讓學生可以比較容易地設計和實施實驗方案。
2.3 如何開展研究型實驗的教學
與傳統物理實驗不同,研究型實驗可以較充分地發揮學生的主觀能動性去探索未知的領域。因此,開設此類實驗項目的最好方式是利用實驗室開放的形式,由學生自主選擇和掌握實驗時間。研究型實驗項目可以有教師指定和學生自擬等形式,但無論那種形式,對實驗指導教師都提出了更高的要求。指導教師要對學生所選的研究型實驗項目在實施過程中可能出現的各種問題有充分的估計和認識,能夠引導、啟發和激勵學生完成實驗,並掌握能作進一步深入研究的空間。
研究型實驗更注重實驗結果的分析、討論和總結。因此,學生完成研究型實驗後要求寫出的實驗報告可以不同於普通實驗的報告,可以寫成研究總結報告形式或研究論文形式,甚至可以採用學術報告的形式口頭報告研究結果。
3 利用邁克耳遜干涉儀進行研究型實驗項目的設計
邁克耳遜干涉儀是一種典型的利用分振幅方法實現干涉的光學儀器,作為近代精密測量光學儀器之一,被廣泛用於科學研究和檢測技術等領域[4]。利用邁克耳遜干涉儀,能以極高的精度測量長度的微小變化及其與此相關的物理量。如果與CCD攝像、圖象處理等現代監測技術結合,可以實時觀測和分析各種干涉現象的變化,達到干涉檢測和自動控制的目的[5,6]。因此,利用邁克耳遜干涉儀進行研究型實驗設計具有變化多、內容豐富、研究性突出等特點。這里我們以「利用邁克耳遜干涉儀測量氣體折射率」 為題,作為一個研究型實驗的案例,簡述其實驗設計與實施過程。
3.1 設計原理與實驗裝置
實驗時,可以向學生提供:邁克耳遜干涉儀、He-Ne激光器、帶氣壓表的「氣室」、CCD圖象採集系統等實驗器材,要求設計一個實驗方案並測定空氣等氣體的折射率。這里簡述實驗基本原理:
在傳統的邁克耳遜干涉儀的一個測量光路上放置一個可充氣的「氣室」,干涉圖的觀測採用CCD和計算機進行圖象採集與處理。如圖 1為利用邁克耳遜干涉儀測定氣體折射率的實驗光路圖。
圖 1 實驗光路圖
圖中P為「氣室」,它是由腔體、壓力表和皮囊等組成。通過皮囊可以給氣室中的氣體增加壓力,也可以通過皮囊的減壓閥放氣給氣室減壓,腔內氣壓可以通過壓力表讀出。圖中接收屏W處放置一CCD攝像頭,干涉圖像可以通過計算機進行顯示和處理。
當激光束通過圖1中M1前面的氣室時,干涉圖樣隨氣室里氣體氣壓的變化而變化:當氣壓增加時,干涉圓環從中心湧出;反之,干涉圓環向中心陷入。通過研究氣體壓強變化與條紋移動的關系可以得到氣體折射率。在恆定溫度下,氣體折射率n與氣壓成正比:
(1)
式中p為氣體壓強,k為比例系數。在絕對真空下 ,則 。對於常壓 條件下,則 ,當氣室內壓強改變 時,由於折射率的變化引起光程差改變( ),可以觀測到條紋的移動個數N。各參數之間的關系為
(2)
式中L為氣室的有效長度,由上述各式可以推得常壓( )下空氣折射率為
(3)
3.2 實驗結果與分析
利用圖1的光路經仔細調節可以獲得等傾干涉圖象,圖2是經CCD和計算機系統採集到的干涉圖象。當改變氣室內的壓強時可以看到干涉圓環從中心湧出或向中心陷入。實驗中先向氣室充氣加壓,然後緩慢放氣並觀測干涉圓環向中心陷入的條紋數。
實驗中用He-Ne激光作為光源( =632.8 nm),所用氣室的有效長度L=75 mm,如果常壓 取標准大氣壓強760 mmHg,則(3)式可以寫成:
(4)
表1給出了氣室內壓強增加值 與條紋移動數N和計算得到的折射率 之間的關系。
圖2 CCD和計算機系統採集到的干涉圖象
表1:氣室內壓強增加值 、條紋移動數N和計算得到的折射率 值
/mmHg 230 210 190 170 150 130 110
N/個 20.8 19.0 16.6 15.0 13.5 11.8 9.8
1.0002903 1.002904 1.0002805 1.0002832 1.0002889 1.0002914 1.0002860
對測量數據求平均值並計算不確定度,得到
數據處理的方法還可以用作圖軟體,作出 ~N的關系曲線,通過求斜率計算得到折射率 。空氣折射率的標准值是1.0002926(對 nm)[7],測量誤差主要來自條紋移動非整數部分的估讀和氣壓表讀數誤差。另外,對氣室的有效長度L和實驗室的常壓 的測量也對實驗結果引入誤差。
3.3 實驗內容和難度的拓展
作為研究型實驗,邁克耳遜干涉儀可以提供豐富的設計思想。例如,採用上述方法將氣室與一充滿不同氣體的氣囊(如氧氣袋)相連,可以用於測量各種氣體的折射率;如果對CCD採集圖象進行計算機處理和編程可以實現條紋移動的自動記數;利用這一實驗系統可以仔細觀測、分析定域和非定域干涉現象[8];如果採用面光源或擴束的平行光作為光源,在圖1光路中氣室P換成一個平板玻璃(或有機玻璃片、透明塑料片等),則可以檢測玻璃表面平整度或介質內部的不均勻性;如果對有機玻璃片或透明塑料片等施加一定的應力,用上述方法可以分析透明介質的應力分布。等等這些內容經過精心設計均可作為研究型實驗開設。值得一提的是根據綜合性、設計性實驗的不同要求,將上述研究型實驗進行適當的教學設計,完全可以開設成綜合性或設計性實驗。