光拍频法测光速实验的改进--《大学物理实验》2015年03期
光拍频法测光速实验的改进
【摘要】：光速的测定是物理学中一个十分重要的课题,文章介绍光拍法测光速原理,结合现有实验仪器,对原有光拍频法测光速的公式加以变换,光速测量的精度有了很大提高。
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【分类号】：O43【正文快照】：
从16世纪伽利略第一次尝试测量光速以来,各个时期人们都用最先进的技术来测光速光速是物理学中一个重要的基本常数,许多其它常数都与它相关,巨大的魅力把科学工作者牢牢地吸引到这个课题上来.光速的测量方法有天文学方法和实验室方法,光速的实验室方法主要有旋转齿轮法、旋转
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为什么采用光拍频法测光速
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如果直接测量的话,波长很好测,但是频率很难测,10的14次方,属于高频段,一台高频的示波器相当的昂贵,所以我们选测光拍频法测光速,可以使得频率降低,方便测量.
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多用途光速测量仪的制作方法
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多用途光速测量仪的制作方法本实用新型提出一种多用途的光速测量仪，属于物理实验教学仪器技术领域。现有实验教学用光速仪多数根据位相法测光速的原理设计。一类属于光强调制型，参见西德PHYWE公司样本P.535。一类属于调频型，参见南京大学《近代物理实验讲义》实验三十二，以及南京大学、南京激光仪器厂CG－Ⅱ型光速仪说明书。前者只涉及光强调制的概念，用不可见光。后者涉及声光互相作用，光频移和光拍等多种物理概念，用可见光。但现有这种光速仪需用光电倍增管及配套的高压电源，工作频率高需配用高频示波器，光路不便于调节，成本偏高。上述二类光速仪的准确度不高，都只有1％。本实用新型的目的在于提高上述光速仪的测量准确度，降低成本，并发展为多用途的物理仪器。本实用新型的结构是由He－Ne激光器发出的单模激光通过由高频功率信号发生器驱动的驻波型声光频移器，产生多级衍射，用光栏选取其中＋1或－1级，进入双光束位相比较光路系统。该系统将入射的光束分成光程不等的两束，用斩光器控制交替地将 二光束入射至由光电接收电路、分频电路所组成的信号处理系统。光电接收电路系由光电接收器、滤波放大电路和宽频带放大器组成。由信号处理系统给示波器提供被测信号和外触发信号。本实用新型的技术解决方案是(1)双光束位相比较光路系统的结构如下经声光频移器和光栏的衍射光，被在其光路上45°角放置的分束器分为两束，此二光束经不同光程后交替地进入光电接收电路。其中短光程的一束，经第二个分束器反射入光电接收电路，长光程的那一束透过第二个分束器进入光电接收电路。二光束交替进入光电接收电路是这样实现的在紧靠第一个分束器的反射和透射面处，装有一由微型电动机驱动的，其侧面开有通光孔的中空斩光器。当电动机旋转时，斩光器使得任何瞬间只有一束光能进入光电接收器。长光程光束的光程，可通过如下方式进行阶跃和连续调节此光束通过一组反射镜反射后透过第二个分束器。在它的光路上，装有一对可以阶跃式短路光程的反射镜。这两个反射镜可以装在上述一组反射镜中的光路任两个镜的前面，则光程可阶跃地改变。在上述这组反射镜光路中，光束进入第二分束器前所经过的两个反射镜是这样安排的它们的镜面相对且正交放置连成一体，可在光路上连续移动。(2)带有分频电路的信号处理系统的结构如下本地振荡器与光电接收器连接于混频器，从混频器与示波器的Y输入端相连接；本地振荡器又通过1／2分频器后与高频功率信号发生器接于另一个混频器上，从这个混频器再与示波器的外触发输入端相连接。光电接收电路的构成如下光电接收器通过控制开关接至滤波放大器或宽带放大器后分别输出。(3)高频功率信号发生器通过开关连接一个脉冲调制信号发生器使高频功率信号受到脉冲振幅调制。以下参照附图，结合实施例对本实用新型作进一步说明。He－Ne激光器〔1〕发出的不小于1.5mw的单模激光，经过由频率为15±1MHZ、功率约1W的高频信号发生器〔3〕驱动的基频在15MHZ左右的驻波声光频移器〔2〕产生多级衍射光。用光栏〔4〕选取＋1或－1级，进入双光束位相比较光路系统〔5〕，图2是此系统的光路结构示意图。通过光栏〔4〕的光束被一个约透反射比为14的分束器〔14〕分成A、B两束，A光束(短光程)经约透反比为41的分束器进入光电接收电路〔7〕，(该单元还具有宽带放大的功能，由开关控制)B光束(长光程)则经多次反射后再经过第二分束器〔16〕进入〔7〕，一对反射镜插入一组反射镜前的4个位置C，C′，C″，C″′中任二个位置，可阶跃地改变B光束的光程，起着光程差粗调的作用；由二镜而相对正交放置的反射镜构成的反射镜对〔1′可以同步地沿光轴连续移动，起着光程的微调作用；分束器〔14〕和由微型电机驱动的斩光器〔15〕构成分束开关〔13〕，以保证A和B光束交替地进入〔7〕。双光束位相比较光路系统〔5〕可方便地使A、B光束的光程差从0.2米至12米任意调节。为了能用低频示波器代替高频示波器进行光拍波波形相应位相差的观察和比较，本仪器的仪号处理系统采用下列设计〔7〕将光信号转变成电信号(频率为30MHZ，输出电压大于300mv，信噪比大于30dB)，将此信号与本地振荡器的信号(频率为29.8MHZ左右)在混频器〔8〕进行混频，其输出信号(频率约200KHZ)输入到示波器〔12〕(如ST－16型)的Y轴。本地振荡器〔9〕经1／2分频器〔10〕分频后与高频功率信号发生器〔3〕的输出信号在混频器〔11〕内混频，其输出信号(频率约100KHZ)作为示波器〔12〕的外触发信号，此时可观察到与A、B光束相应的光拍波形〔A′〕和〔B′〕。改变A、B光束的光程差可改变〔A′〕〔B′〕间的位相，从而测定光速，其准确度可达0.5％。图3是本仪器实验用途示意图，可以显示声场。经过声光器件的衍射光，借助于插入的会聚透镜〔18〕(F＝5～15厘米)、叉丝〔19〕、反射镜〔17〕和像屏〔20〕构成的光学成象系统，可在屏上呈现出驻波声场的像。图4是本仪器所指在介质中声速、声衰减测量的示意图。高频信号功率放大器〔13〕受来自脉冲信号发生器〔21〕(峰电平10V，脉宽0.3μs，重复频率2KHZ至12KHZ)的脉冲信号的调制，使超声脉冲在声光频移器〔2〕的介质中来回反射，斩光器〔15〕挡在B光束的位置，用光电检测和宽带放大器〔7〕直接接收激光受超声脉冲衍射的衍射光则在示波器上观察到与声脉冲在介质中来回反射相对应的脉冲波形，从而决定介质中声速、声衰减等参数。本实用新型与现有光速仪相比，有下列特点实验准确度高(0.5％)；光路调节方便；可以做多个实验；省去光电倍增管和高压直流电源，不需要配昂贵的高频示波器，普通示波器即可用以观察和测量了。权利要求1.含He-Ne激光器、声光频移器和高频功率信号发生器、和示波器的光速仪，其特征在于有一个光程可阶跃和连续调节的双光束位相比较光路系统；有一个带有分频电路的信号处理系统。2.根据权利要求1的光速仪，其特征在于双光束位相比较光路系统具有一对可阶跃式短路光程的反射镜和一对镜面相对、正交放置的可在光路方向上连续调节光程的反射镜，还装有一个由微型电动机驱动的、紧靠分束器的斩光器。3.根据权利要求1或2所指的光速仪，其特征在于信号处理系统是将光电接收电路与本地振荡器连接到混频器，再由混频器接到示波器的输入端；该本地振荡器通过1／2分频器后与高频功率信号发生器同连接到另一个混频器上，这个混频器再与示波器的外触发信号输入端相连接。4.根据权利要求1所指的光速仪，其特征在于它所含光电接收电路系由光电接收器、滤波放大器和宽频带放大器所组成。5.根据权利要求3所指的光速仪，其特征在于它所含光电接收回路系由光电接收器、滤波放大器和宽频带放大器所组成。6.根据权利要求1或2所指的光速仪，其特征在于高频功率信号发生器〔3〕上连接一个脉冲信号发生器〔21〕。7.根据权利要求3所指的光速仪，其特征在于高频功率信号发生器〔3〕上连接一个脉冲信号发生器〔21〕。8.根据权利要求1所指的光速仪，其特征是在声光频移器之后的光路上，装有可以自由插入或移开的会聚透镜〔18〕、叉丝〔19〕和像屏〔20〕。专利摘要多用途光速测量仪是一种物理实验教学仪器。为提高现有光速仪的测量准确度、降低造价、并发展为多用途的物理实验仪器而设计。本仪器的特征是有一个可以将光分束的交替开关、光程可以粗细连续调节的双光束位相比较光略系统；有一个将高频光拍信号系统转为低频、高信噪比光拍信号的信号处理系统；有一个脉冲调制的高频功率信号发生器。利用本仪器可以测量光速，还以作固体介质中声场显示、声速、声衰减测量。文档编号G01J7/00GK201060X技术网 原文链接:/zhuanli/81208.html
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光速的测量;光速测量的方法一、伽利略首先提出了光速的测量，但失败了。（1607）二、天文测定光速1.罗默的卫星蚀法（1676）2.布莱德雷的光行差法（1728）点评：由于当时天文仪器并无现在先进，且凭肉眼观察误差较大，所以测得的值都不精确三、大地测定光速（以光行过的路程和时间得出速度c=s/t）1.斐索旋转齿轮法（1849）2.惠更斯旋转镜法（1834）3.迈克尔逊旋转棱镜法（1926）点评：想要得到越精确的值，就要尽量增大s和t，故实际操作繁琐和精确度不大是必然的。四、实验室测光速法（c=λ?）1.埃森微波谐振腔法（1950）2.激光法测光速点评：是目前最普遍也是最准确测量光速的方法，也是本实验的思想方法。;二、拍光法测光速;学习目标：1、进一步理解光拍频的概念、掌握光拍频法测量光速的技术，了解声光调制器的应用；2、体会到光速也是一个有限值，并了解光年是一个空间量；3、进一步学习光路的调整和熟练示波器的使用。;实验原理及装置;本实验装置原理图;实验装置：一、光速测定仪（激光器、光程差台、示波器）二、钢尺;实验光路图;实验步骤;;实验难点及技巧;实验技巧分析：（1）调节各个透镜的螺旋时，应该轻缓。因为透镜上螺旋的细小变化对光路的变化都影响很大。（2）若在调节近程光时，就发现示波器上没有显示波形或者显示的波形并不清楚时，则需观察接收盒所接受的光源是否汇聚于一点，若不是，则需再次调节靠近斩光片附近的反光镜（主要）和调节接受器上的焦距，直至光线汇聚成一点为止。（3）在进行光路调节时，由于在灯光下操作实验，故光源在反光镜上显示并不清楚，所以可以用加透明塑料片的方法来明确光点的位置。（4）在用钢尺进行拍光法测量光程差时，分清光的实际距离是关键，因此起始和末端若为了防止损坏仪器，都应该提高相同的距离，且多次测量。;实验误差分析;;△误差分析（1）由于计算时数值的近似取值而产生的理论误差与方法误差；（2）仪器误差，光速测定仪本身存在的仪器误差；（3）由于远程光在空气中经过多次反射，能量消耗，且光路调整并非完全精确，致使在示波器上显示的波形图较为模糊，所以在移动滑动平台时不能准确判定两列波的重合位置；（4）因为其理论值是在真空环境中所得，而实验室为标准大气压下所测得的值，其速度应小于理论值，但反观测量值却大于理论值，究其原因可能是实验中的人为误差所造成的；（5）钢尺的量程只有1米，所以在测量光程差时，两根钢尺在衔接上会有疏忽，造成测量的误差。;三、实验心得;拍光法测光速实验的实际意义;光拍法测光速的思想以及延伸;谢谢！
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