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北京大学普通物理实验 普通物理实验 北京大学普通物理实验教学 北京大学普通物理 北京大学物理 普通物理实验教学 物理实验教学

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北京大学：普通物理实验授课教案,北京大学普通物理实验,普通物理实验,北京大学普通物理实验教学,北京大学普通物理,北京大学物理,普通物理实验教学,物理实验教学

内容简介：

示波器的使用 教学重点教学重点 1. 理解触发扫描同步的原理； 2. 学习示波器的使用方法； 3. 学习用示波器测量电压和时间。 教学内容教学内容 1. 示波器显示清晰而稳定波形的原理主要包括电偏转、扫描和触发扫描同步。 2. 按照示波器使用步骤，练习迅速调出清晰而稳定的波形。改变相关调控键钮， 记录其对波形改变的影响并进行总结。 3. 使信号发生器输出幅度一定、两种频率的正弦信号，练习用示波器测量周期和 电压峰峰值。 4. 为熟练掌握调出清晰而稳定波形的方法，练习将各功能键钮打乱后重新调出波 形。 教学难点教学难点 1. 熟练掌握触发源、触发耦合、触发电平的调节。 2. 在测量电压幅度及周期时，要注意偏转因数以及每格扫描时间应选择合适的数 值及单位并注意关闭微调功能，以保证测量的准确性，注意读数的有效位数。 教学要求教学要求 1. 了解示波器显示波形的原理，理解触发扫描同步对获得清晰而稳定波形的重要 作用。 2. 熟练掌握示波器的使用方法。对于给定的被测信号能够迅速而正确地调出清晰 而稳定的波形，并掌握电压幅度和周期等物理量的测量，严格按照误差及有效 数字标准进行读数并注意要在准确值的基础上估读。 3. 对于操作过程中出现的问题能够积极进行思考，独立解决。 讨论问题讨论问题 1. 在机器正常工作条件下，开机后如果屏幕上没有任何显示，有几种可能？如何 解决？ 2. 将“垂直方式”选“双踪”显示时，两个通道输入的波形能否同时稳定地显示？在 什么情况下，两通道波形能同时稳定地显示？ 3. 用示波器测量电压和频率时，测量值与信号源输出的差值大于 50%，试分析可 能原因。 电学基本知识和伏安法(A) 【教学重点】 （一）电学基本知识 1. 了解常用电学仪器的规格并学习使用。 2. 练习学习使用数字万用表。 3. 掌握电学实验操作规程。 （二）伏安法 1. 掌握电流表内接法、外接法和分压电路。 2. 学习测量非线性元件的伏安特性。 3. 了解二极管的单向导电性以及稳压二极管特性。 【教学内容】 （一）电学基本知识 1. 主要电学仪器介绍。 （1）数字万用表。主要介绍电压、电流、电阻挡的使用，3 位半、4 位半 的含义，误差的计算，使用万用表的注意事项(p15)。 （2）电阻箱。099999.9 ，剩余电阻(205) m，各个十进电阻盘相对 误差不同。 （3）滑线变阻器和电位器。主要参数有总电阻、额定电流。用于分压电路 或限流电路。 （4）指针式电表。主要规格有电表的量程、内阻、精度和最小分度。电表 读数直接读出数值，并估读一位有效数字。介绍面板上主要符号。 （二）伏安法 1. 用伏安法测量电阻 （1）用数字万用表粗测两个待测电阻。 （2）用伏安法测量两个待测电阻，自己判断采用电流表外接法还是内接法。 每个电阻测量至少 67 组合理数据。 2. 测量稳压二极管的伏安特性 （1）用万用表判断二极管的极性。 （2）测量二极管的正向伏安特性。 电阻箱作为保护电阻，取R0=150 。用两块万用表分别测量电压、电流，电 流范围为 0.0510 mA。 测量0.8V 时的静态电阻。 （3）测量二极管的反向伏安特性。 测量范围为 0.0520 mA。 测量-4 V 时的静态电阻。 测量-10 mA 时的动态电阻。 【教学难点】 1. 数字万用表的使用。 需要认真讲解、示范，并在使用过程中随时进行指导。 2. 伏安法测量电阻的内接法和外接法。 根据万用表测量的阻值以及电压表和电流表的内阻值， 判断采用电流表内接 法还是外接法，当待测元件电阻远大于电流表内阻时采用内接法，当待测元件电 阻远小于电压表内阻时采用外接法。 3. 二极管伏安特性曲线测量间隔的选取。 合理选取测量间隔，起始阶段几乎无电流，测几个点即可，电流非线性变化 部分要多测量一些数据点，二极管正向导通和反向稳压后测量间隔大些。 4. 二极管动态电阻的测量。 二极管反向-10mA 时动态电阻很小，不容易测量准确，可使数字万用表测量 的电压变化一个很小值，得到此时的I，求出动态电阻。 【教学要求】 1. 用两个滑线变阻器连接成具有粗调、细调功能的分压电路。 2. 作出待测电阻的伏安特性曲线，用作图法或最小二乘法求出待测电阻阻 值，并根据电表内阻对结果进行修正。 3. 作出二极管的伏安特性曲线（正反向曲线作在同一个图里），并求出二 极管的正向导通电压和反向稳定电压。 【讨论与思考】 1. 使用万用表（20 k 以上各挡）测量二极管的正向电阻，为什么各挡测 得数值不同？如果测量一个线性电阻，情况会怎样？ 2. 测量正向伏安曲线时你采用了哪种电表接法，为什么？ 3. 比较不同电流表接法对测量电阻的影响。 显微镜 【教学重点】 1、 知道两类显微镜的光路和结构； 2、 了解测微目镜结构和它的读数方法； 3、 掌握读数显微镜的读数方法； 4、 掌握标定物镜放大倍数的过程； 5、 了解光栅空间周期和空间频率的概念 【教学内容】 1、 讲解生物显微镜和读数显微镜的光路和结构以及它们的异同； 物镜头规格数值的含义； 2、 介绍标定显微物镜放大倍数的方法和测量未知物体长度，测定 光栅空间周期，计算它的空间频率 【教学难点】 1、 强化显微镜的操作规范，讲明调焦时只能远离样品朝上调； 2、 强化测微目镜的读数方法和读数显微镜的读数方法，进行个别 指导，示范表演； 【教学要求】 1、 理解光路的特点，物，中间像，最后像的位置，像的特点：虚 （像）实（像）、正（像）、倒（像）、放大，缩小； 2、 理解生物显微镜和读数显微镜的主要差别； 3、 掌握测微目镜的读数方法，利用视差准确读数，显微物镜的放 大倍数与参考值相差在+0.50 以内； 4、 测量光栅的条纹间距， 条纹数要足够多， 理解空间频率的意义； 掌握读数显微镜测量光栅周期的方法，条纹数要足够多，会计 算空间频率，结果与参考值相误在以内。 【探讨的问题】 显微物镜的放大倍数与标称值为什么不一样？如何提高显微镜 的分辨率？ 测量薄透镜的焦距测量薄透镜的焦距 【教学重点】 掌握导轨上各光学元件共轴调节的基本方法；学习薄透镜焦距的三种测量方法；了解视差的 概念及应用；学习看光路图，以及提高判断成像质量的能力。 【教学内容】 1.布置实验内容 2.介绍光学实验入门知识 3.介绍仪器用具 4.共轴调节（示范演示） 粗调（目测调节） ：以光源为基准，逐一加入光学元件调节高低、左右； 细调（成像调节） ：以位移法光路为例：成小像调光屏，成大像调透镜调节物屏、透镜和成像 屏三者共轴。注意根据成大像时，像上下左右的均匀性调节物屏与光源的 共轴。注意 4f 的确定； 多透镜系统共轴采用逐一加入的调节方式，往往是后加谁就调谁，不能破坏原来调好的共轴 系统。 （以物象距法测量凹透镜焦距光路为例） 【教学难点】 1.自准直法测量凸透镜焦距时，实测值和标称值的一致性不好。原因在于较难判定清晰、等 大、倒立像的位置，以及偏心差引入的测量误差等； 2.物象距法测量凹透镜焦距时，测量误差比较大。问题出在清晰成像位置的判定。建议： （1）凸透镜应成小像，以利于测准 D 点； （2）利用色差、以及左右逼近取平均的方法判定最终成像的位置； （3）尝试改变象的大小，即改变不同的物距重新测量、对比和分析，确定合理的实验参数。 【教学要求】 查看学生元器件的放置、排列的光路、共轴调节等环节是否正确，了解学生对测量光路的理 解和掌握情况。 【提高性探索的问题】 1.位移法测量凸透镜焦距时，如果物屏间距不够远，会有什么现象？ 2.粗调和细调的方法在其它方面还有那些应用？ 3.二维的光学像，如何调节到像屏上？ 4.自准直法测量凹透镜焦距除了本试实验提供的方法外还有其它的方法吗？如果有的话，请 画出它的原理光路图。 1 磁滞回线的测量磁滞回线的测量 （一） 静态法测量软磁材料的磁滞回线 教学重点 理解测量原理和方法， 正确操作测量仪器， 完成对起始磁化曲线和静态磁滞回线的测量， 了解软磁材料的磁化规律。 教学内容 1 了解软磁材料磁化规律，理解测量原理和方法。 2 了解 JCCII 型静态磁参数测试仪和测试板的结构，熟悉各按键、旋钮、开关的作 用。能根据测量内容按序操作相关按键、旋钮、开关。 3 测量并画出软磁材料的起始磁化曲线，确定出 Bs。 4 测量并画出软磁材料的静态磁滞回线，确定出 Br 和 Hc。 教学难点 难点：测量过程中涉及到的开关、旋钮、按键比较多（约 9 个） ，而在测试过程中又必 须根据测试内容正确按序操作相关的旋钮、按键和开关。 解决方法： 1 通过讨论让学生真正理解测试原理和方法，避免在测试过程中被动完成相关操作。 2 让学生熟悉测试仪和测试板的各开关、旋钮、按键的功能。 教学要求 正确操作测试设备， 完成对起始磁化曲线和静态磁滞回线的测量， 所画出曲线能正确反 映该软磁材料的磁化特性。 讨论与思考 1 讨论本实验中的测量方法，总结出不同类型测量点进行测量时的操作步骤。 2 为什么在介绍的方法中，求磁化曲线上各点 B 值时公式分母中有一个 2，而测磁滞 回线计算 B 时公式分母中无 2。 3 用本次实验的仪器设备设计另外的测磁化曲线的方法。 （二） 示波器观测动态磁滞回线 教学重点 用示波器观察磁性材料在 50Hz 交流磁场下的饱和磁滞回线，正确标定磁场强度和磁感 应强度。 教学内容 1 用示波器观察磁性材料在交流磁场下的饱和磁滞回线。 2 标定磁场强度（标定时要修正气隙产生的影响） ，求出在所观测的图中 X 轴上每厘 米所代表的磁场强度 Ho，确定 Hc。 3 用标准互感器标定磁感应强度， 求出在所观测的图中 Y 轴上每厘米所代表的磁感应 强度 Bo，测量 BrBs。 教学难点 难点：用读出示波器观察磁滞回线。 解决方法： 给学生介绍如何连接电路和调试。 教学要求 1 用示波器观测交流磁化时的饱和磁滞回线。 2 正确标定磁场强度和磁感应强度。 讨论与思考 1 从测量电路、测量方法、测量精度等方面比较以下两种标定磁场强度和磁感应强度 的方法。 （1） 用示波器和互感器。 （2） 用交流电表和互感器。 光栅特性及测定光波波长 【教学重点】 了解一维透射光栅衍射光谱的特点， 知道光栅的角色散率和分辨本领是表征光栅特性的 两个最主要的参数，通过测定光栅常数，测定未知波长，了解角色散率和分辨本领与光 栅常数、光栅宽度和入射波长的关系。 【教学内容】 在学生复习正确调节分光计的前提下， 讲解光栅的调节和观察衍射谱线的方法， 强调正 确测量和测准角度， 然后计算光栅常数和未知光波波长值， 计算和分析研究光栅的角色 散率和分辨本领与光栅常数、光栅宽度、光波波长的相互关系。要求学生会用读数显微 镜测量物体宽度。 【教学难点】 分光计的调节到正常工作状态困难， 可按步骤讲解， 即望远镜聚焦于无穷远 （自准直法） ， 望远镜光轴垂直于仪器转轴（平面镜转动 180 度，十字反射像都准确落在 MN 线上逐步逼 近法），平行光管产生平行光，平行光管光轴垂直于仪器的转轴（狭缝像在望远镜视场上下 对称）。 不知道如何进行光栅的调节， 强调光栅平面与平行光管光轴垂直 （十字反射像准确落在 MN 线和中心垂直线上，平行光管狭缝像与十字反射像重合，在望远镜视场上下对称），光 栅刻痕与仪器转轴平行（两边谱线等高）。 【教学要求】 分光计调节符合要求，光栅的调节符合要求，平行光管的狭缝尽量窄，对准汞灯或钠灯 出射方向，亮度高，衬比度高，正负一级衍射谱线基本等高，同一波长+1 级和-1 级的衍射 角度差小于 3，不同波长的衍射角测量误差小于2，能力较强的部分学生可要求误差小 于 1；刚好能分辨两条钠黄谱线时可变狭缝宽度 1.5-2.2 mm 【探讨的问题】 光栅公式kd=sin正确适用条件如何达到？ 如果正负一级衍射谱线不等高将给实验结果带来什么误差？ 全息照相全息照相 【教学重点】 以全息照相原理为指导，以满足全息照相基本条件为基础，掌握全息照相的基本方法，拍摄出 合格的可再现全息图。 【教学内容】 (一) 物光波前的干涉记录 1. 安排调整全息照相拍摄光路 光路调整要点： 1 物光束均匀照射物体，参考光束均匀照射底片； 2 物光光程和参考光光程大致相等； 3 物光与参考光在底片上的光强比（12 15） ； 4 物光与参考光夹角：2060 5 底片乳胶面面向物光、 参考光。 底片法线方向大致与物光参考光夹角的角分线方向 重合； *本实验中，激光经分束镜反射后出现相邻两束光，要求学生自行调整取其中之一扩束 作为参考光。 2. 由物光在底片处的光强决定曝光时间（15 秒） 。 (二) 感光底片曝光后的化学处理 1. 显影时间（几十秒到两分钟）视底片黑度决定。 2. 定影时间 15 分钟（试验片可取 23 分钟） (三) 观察全息图衍射再现物光波前效果 用原参考光照射全息片，观察全息图再现效果，并总结全息照相的基本性质和特点。 (四) 根据实验实际情况，认真分析、总结，写出实验报告 【实验难点】 1. 选择高漫反射率的物， 并经调整光路和物的空间位置， 使物漫反射光在底片处有较大的光强， 尽量避免镜面反射，并由此决定底片处参考光的光强和曝光时间。 2. 线性显影。 【教学要求】 1. 通过实验加深对全息照相原理和光路的理解。 2. 完成全息片制作（拍摄、化学处理）以及再现的全部过程。 3. 要求试作三片全息片，对全息图再现情况，观察、分析、评估后提出改进参数的意见，拍摄 出合格的可再现全息片（至少一片以上） 。 【提高性探索的问题】 在选定物体全息图的拍摄、再现成功的前提下，建议同学自选适当的拍摄物体，自主分析、调 整、优化光路参数，并完成新物体全息照相的全过程。 X 射线衍射(A) 【教学重点】 1. 了解 X 射线衍射原理。 2. 熟习 X 射线实验装置并能正确操作。 3. 用 NaCl 单晶校正测角器零点，测量 LiF 单晶的衍射曲线。 【教学内容】 1. 了解 X 射线衍射基本原理。 2. 正确操作 X 射线实验装置。 3. 用 NaCl 单晶校正测角器零点。 4. 测量 LiF 单晶的衍射曲线并计算（200）晶面的面间距。 【教学难点】 难点：校正测角器零点。 解决方法：理解校正方法的原理，明确校正方法和步骤。 1. 观察测角器零点是否正确。 根据 X 射线波长及 NaCl 单晶（200）晶面面间距算出一级衍射峰的衍射 角 。将样品置于靶台上，启动 X 射线装置自动扫描，若计数率最高角位 置与计算值一致且计数率大于 2000/s，说明测角器零点正确，无需校正。 否则，进行校正。 2. 校正测角器零点。 1）开启高压。在 COUPLED 模式下手动调节找到计数率最大的角位置。 反复在 SENSOR 和 TARGET 模式下手动调节，使计数率大于 2000/s。 2）在 COUPLED 模式下逆时针转 角，同时按下 TARGET，COUPLED， LIMITS 键，测角器零点即被校正。 【教学要求】 1. 正确操作 X 射线实验装置。 2. 准确校正测角器零点。 3. LiF（200）晶面一级衍射峰的衍射角测量误差小于 0.1 。 【讨论与思考】 1. 说明校正测角器零点方法的原理。 2. 为测量晶体晶面间距，准备样品时，对晶体切割方向有什么要求？切割出 的表面与晶面平行度对测量结果有何影响？ 偏振光的定量研究 教学重点 用激光器替代钠光源、格兰棱镜取代偏振片、步进电机自动旋转检偏器、光电接收器取代眼 睛自动记录光强，并利用计算机自动控制，可以实现对偏振光的定量测量和研究。了解偏振 光通过检偏器后透射光强的变化规律，学习椭圆偏振光定量检测及数据处理的原理和方法， 并且训练光学平台上共轴调节的基本技能。 教学内容 一、需要介绍的实验原理 1线偏振光的透射光强： p I类似最小值为零的两个周期余弦曲线； 2自然光的透射光强： p I为一条直线； 3 部分偏振光的透射光强： p I形式上是自然光与线偏振光之和； 4 椭圆偏振光的透射光强： p I形式上与部分偏振光相同； 5 椭圆偏振光的数据处理 （1）透射光强的几何意义； （2）切线处理的基本概念； 6/4波片的摆正； 7角的意义： （1）理论角：指的是/4波片被摆正后，再旋转的角度； （2）实测角：由检偏器出射光强的最小值与最大值之比来确定tan mM II=； 二、装置介绍 1 单光束工作方式及双光束工作方式； 2 光学平台、磁性底座及多维调节架； 3 激光器：半导体泵浦 YAG 激光器，532nm=（绿光） ； 4 格兰棱镜：由两块冰洲石（方解石）直角棱镜组成，两斜面间为空气隙，光轴平行端面。 利用全反射去除 o 光，保留 e 光。格兰棱镜既可以作为起偏器，也可以用作检偏起； 5 硅伏探测器：峰值波长55020nm、光敏区 2 2.2 2.4mm、毛玻璃退偏器； 6 凸透镜：扩束； 7 灰色玻璃：降低光强； 8 电控箱：步进电机 I、II、III，光电接收器输入 I、II； 9 计算机：数据采集和数据处理两个界面，以及相应的操作； 10 打印机； 教学难点 一、光学平台上的共轴调节（五维调节架） 1 如何调节激光器光束与光学平台平行？ 2 凸透镜共轴调节的要点是什么？如何判断？ 3 格兰棱镜的共轴调节分为几个步骤？每个步骤的调节要点是什么？ 4 如何进行/4波片的共轴调节？ 二、对基本概念与测量曲线之间关系的理解 1 单个格兰棱镜曲线反映的是谁的偏振特性？ 2 实验中为什么需要两个格兰棱镜？根据第一个格兰棱镜的曲线如何确定它的起偏角（即 起偏角选取原则是什么）？ 3 双格兰棱镜曲线检测的是什么偏振光？应如何使两个格兰棱镜正交？ 4 /4波片特性曲线的特点是什么？根据曲线如何摆正/4波片？ 教学要求 一、共轴调节： 1 粗调要求：根据单光束工作方式光路图应保证各个光学器件的光心在同一高度，且左右 共轴； 2 细调要求： （1）熟悉五维调节架的基本结构和正确的使用方法； （2）了解每个光学器件共轴调节的基本方法和步骤； （3）根据光路逐一加入并逐一调节每个光学器件，注意各个器件先后调节的顺序，防止搞 乱光路的调节次序，延长共轴调节的时间； （4）根据每条光强-角度曲线的对称性及光滑程度进行动态调节； 二、数据要求： 1 15、30、60、75四个角度的椭圆及光强曲线的空间取向正确，且较为光滑对称（在 椭圆偏振光数据处理软件界面中） ； 2理论角与实测角之间的差别应在 3之内，比较好的应在 1之内，学会分析可能产 生的误差来源； 注意事项 1. 注意选准被“检索”对象的步进电机； 2每次“启动”或“检索”的步进电机只能是一个，只要选定选定一个，则必须放弃放弃另一个； 3/4波片和检偏器两个步进电机最容易搞混。例如：测量 15椭圆时，/4波片被“检 索”旋转 15后，应当放弃/4波片“启动”检偏器，然而却“启动”了/4波片， 从而破坏了波片的摆正位； 4为了不破坏 PA 正交状态，检偏器一旦“启动”就要转完 360，不要中途停下来。 参考书目 参考书目 1 钟锡华现代光学基础北京大学出版社 2 赵凯华 钟锡华 光学北京大学出版社 迈克尔逊干涉仪(二)-光源的时间相干性 学习重点 1. 从物理原理上理解光源的时间相干性; 2. 通过白光干涉与具有不同谱线宽度的光源干涉现象的对比,认识光源谱线宽度对相干长 度的影响. 3. 熟练掌握迈克尔逊干涉仪元件和光路的调节, 熟练调出等厚和等倾干涉图案. 4. 在读取数据和处理数据时,如何减小测量误差以及如何正确运用有效数字概念. 教学要求 一. 对物理概念和原理的提问及讨论(下面 1,2,3,项在动手前讨论,46 项在实验中讨论) 1. 什麽是光源的时间相干性,其物理机制是什麽. 2. 描述光源时间相干性的物理量有那些,与那些因素有关. 3. 光源的时间相干性和空间相干性从本质上看,各反映什麽物理问题. 4. 什麽是干涉条纹可见度(反衬度), 光源光谱分布对干涉条纹可见度的影响; 在各类不同 光源的情况下干涉条纹可见度与光程差的关系. 5. 了解不同类型的滤光片的光学特性. 6. 光源是汞黄双线时,干涉条纹可见度呈现周期性变化,即出现”拍”的物理机制. 参考赵凯华,钟锡华北京大学出版社,1984. 二. 实验安排,操作和测量: 1. 熟练调节迈克耳孙干涉仪,调出等厚和等倾干涉图案. 2. 用白光,及分别在白光光源前加橙红玻璃和黄干涉滤光片作光源,调出等厚干涉(条纹)图案, 测量不同光源的相干长度,并计算相干时间,将结果进行比较,得出结论. 3. 用汞灯双黄线作光源, 调出近似等倾干涉条纹,观察条纹可见度随光程差作周期性变化 的”拍”的现象; 测量最大光程差即汞黄光的相干长度和出现”拍”时 1 M镜的位置,并计算 光源的谱线宽度(即双黄线的波长差). 实验难点 1. 调出要求的白光等厚干涉图案,以及等倾干涉图案.调得好的关键在于学生对调节仪器的 要领理解和掌握好(”迈一”实验基础打好),物理图像和实际操作要自觉联系起来. 2. 测量汞灯双黄线光源出现”拍”时 1 M镜的位置,判断误差较大.(解决办法:要求学生先测量 最大光程差,并且在仔细观察整个过程中出现的现象后,再进行”拍”的测量,以便较好地判 断出现”拍”的位置,尽可能减小测量误差) 微波的布拉格衍射教案 微波的布拉格衍射教案 【教学重点】 1） 理解用模拟晶体结构和微波条件下的衍射去明白晶格衍射的原理 2） 测量（100）和（110）面的衍射谱线，找到衍射极大出现处入射角，验证布拉格衍 射公式 3） 了解和掌握一种用单缝衍射实验测量微波波长的方法 【教学内容】 1） 介绍晶体结构，包括对晶体，晶面，晶格常数，晶面间距，晶面指数这些基本定义 的了解，以及立方晶体的（100） ，(110)，(111)面的位置 2） 讲解布拉格衍射现象；晶体电磁波衍射的实质；晶体衍射的布拉格条件 3） 介绍微波发生器，即波导管和衰减器；介绍微波探测器 4） 回顾光学内容里的单缝衍射原理和产生条件，单缝衍射的光强分布谱，光强分布第 一个极小的衍射角，缝宽，波长三者的关系 5） 介绍迈克尔孙干涉实验装置和布拉格衍射的不同，干涉产生原理和条件；用微波分 光仪测量微波波长，并与理论值对比分析 6） 介绍仪器的组成，仪器准直的调节，衰减器的调节，迈克尔干涉实验中的读数 【教学难点以及引导解决的办法】 1）衰减的调节：由于有实验误差，实际操作中衍射极大处入射角出现的位置与理论计算结 果对比误差较大， 在调节和实验操作时， 要在理论值附近几度的范围内寻找实际衍射极大角 的位置。 2）分光仪准直的调节和单缝竖直的调节难一次达到目的，应反复多次进行操作，找到较满 意的结果 3） 实验的误差来源可能是准直没有调好， 使得它的对称性不好； 本实验中的微波波长在 3cm 左右，受到周围环境本底的影响比较大；另外有的仪器电表读数非常灵敏，稳定性不好。实 验室里面保持安静， 读数位置在电表最稳定的地方。 特别是要避免反射干扰波对测量数据的 影响 【教学要求】 1） 测量（100）和（110）面的衍射极大处的入射角位置，并和理论计算结果进行比较。 测量范围是 20 度到 80 度，每隔 5 度测一个，在衍射极大附近每隔 1 度测一个。要 求测量 2 次，分别是从 20 度到 80 度，以及从 80 度到 20 度。要求测量的角度与理 论值对比，它们的误差范围在 3 度以内。 2） 测量单缝的衍射光强分布，找到第一个衍射强度为 0 出现的位置，求出波长，并与 理论结果进行比较。测量范围是-40 度到 40 度之间，每隔 5 度测一次，衍射强度较 小时，将衰减调至 0。每隔一度测一次。 3） 对比实验值和理论值，要求误差范围不大于 5%。 。 4） 迈克尔干涉实验（选作） ，测出四次衍射极小出现的位置，求出波长，并和理论值对 比。要求误差在 10%以内。 【探讨的问题】 1） 详细分析实验误差来源，能否找出解决问题的方法？ 2） 布拉格衍射在入射角大于 85 度以后，电表示数突然增大的原因是什么？ 光栅光谱仪的校准和使用光栅光谱仪的校准和使用 【教学重点】 了解光栅光谱仪的结构和光路图， 掌握一种标定光栅光谱仪的方法， 学会用光栅光谱 仪与其它仪器组成的系统测绘物质的光吸收谱，掌握测定未知光波波长的一种方法。 【教学内容】 讲解光栅衍射方程，强调波长和衍射角的关系，介绍光栅光谱仪的结构和光路，介 绍色散型光栅光谱仪有四个光学性能指标：色散率，分辨本领，光谱工作范围和聚光本领。 强调入射和出射狭缝位置和作用，介绍测量系统的各个组件和功能，特别介绍光探测器（光 电倍增管） ，讲解物质发射或吸收光波的条件，介绍低压汞灯的 404.66nm，435.84nm， 546.07nm，576.96nm，579.07nm 等几条谱线作为标准波长，校准测量系统的方法，讲解物 质吸收光强的公式，透过率，吸光度和吸收系数的关系。 【教学难点】 认不清低压汞灯的 404.66nm，435.84nm，546.07nm，576.96nm，579.07nm 等几条 谱线，无样品条件时光强测量结果不合要求，不同样品的透过率，吸光度和吸收曲线测量不 满意，示范动作和加强个别辅导。 【教学要求】 要检查和在讲解时提问学生了解学生预习情况。认准汞灯的 404.66nm，435.84nm， 546.07nm，576.96nm，579.07nm 等几条谱线，进行校准，初测无样品时溴鎢灯发射的连续 谱线，检查系统是否正常工作，测绘不同样品的吸收光强，透过率和吸光度谱线，计算和绘 制该样品的吸收谱线，标识吸收峰波长，误差不超过纳米，计算峰值处的半值宽度，误 差不大于纳米。 对比不同样品的透过率和吸光度谱线进行分析讨论。 测定所给激光器发射 的波长，误差小于纳米。 【探讨的问题】 系统横坐标不能完成校正时能否继续进行下一步实验？如何修正数据使测量结果准 确？用别的光探测器能否进行本实验？ 阿贝成像原理和空间滤波 学习重点 1. 阿贝成像的原理物理机制. 2. 光学付立叶变换的原理及实验的实现. 3. 空间滤波与信息处理. 4. 阿贝成像光路调节. 教学要求 一. 对概念性的问题进行提问和讨论: 1. 从几个角度了解阿贝成像原理: 几何光学: 物和象的点点对应关系; 波动光学: 物的夫朗和费衍射衍射场点作为次波源在象面上相干叠加形成象的两个 过程; 频谱变换: 物是空间不同频率的信息的集合,第一次付立叶变换是分频的过程,第二次付 立叶逆变换是合频过程,形成新的不同频率的信息的集合象.( 付立叶变换 在物理上代表原函数空间周期函数的频谱). 2. 了解夫朗和费衍射光路是实现光学付立叶变换的基础光路. 夫朗和费衍射场的强度分 布等于屏函数的功率谱. 3. 了解用夫朗和费衍射来实现图像的频谱分解,最重要的意义是为空间滤波创造了条件. 由于衍射场就是屏函数的付立叶频谱面,空间频率与衍射场点位置有一一对应关系,使人 们可以从改变频谱入手来改造图像,进行信息处理. 二. 实验操作和结果处理: 1. 实测一维光栅衍射场中(频谱面)不同级别场点到 0 级的距离,计算其空间频率,理解空间 频率与衍射场点位置的关系. 2. 用一维光栅作为物,在其频谱面上放置不同的滤波器(按实验书要求)观察成像情况的变 化并测量和记录象(条纹)的条纹周期数值. 以频谱全通的情况作为对比的基础.尤其要观 察清楚挡 0 级后的象.并对上述所有的实验现象给出合理的解释. 3. 用二维光栅作为物, 在其频谱面上放置不同的滤波器(按实验书要求)观察成像情况的变 化并测量和记录象(条纹)的条纹周期数值. 尤其要观察清楚只让频谱面中一条对角线上 的衍射场点通过后的象的周期数值. 并对上述所有的实验现象给出合理的解释. 4. 用”光”字和”+”字作物, 在其频谱面上放置不同的滤波器(按实验书要求)观察成像情况的 变化并给出合理的解释. 5. 了解和观察”卷积”和”调制”的物理原理;( 两个空间周期函数的卷积的频谱是他们频 谱的乘积; 调制是白光照射透明物体,物体不同部分由取向不同的刻痕组成,在接收面 上形成彩色图像) 6. 阿贝成像光路共轴调节. 正确调节光路的方法,如:先找基准激光束平行于导轨(借助毛 玻璃屏),平行光的检验(前后移动毛玻璃屏,使在其上的光斑大小不变),利用”散斑”原理, 找到付立叶透镜的后焦面(散斑尺寸与毛玻璃上光点尺寸成反比). 7. 参考赵凯华 钟锡华下册,北京大学出版社,1984. 实验难点 需要教员检查和帮助的内容: 1. 光路的共轴调节; 2. 成像尺寸太小,如不清晰,用肉眼观察清楚现象有一定难度. 解决办法是在象面前放一块 发散透镜,将象放大.(注意: 用凹透镜后便于进行空间周期的测量,成像质量和强度略有 下降,但是做比对就方便多了) 3. 由于相应理论课学习得少,对有些实验现象不了解,如: 对一维光栅频谱挡 0 级后成的像 (出现反衬度反转的图像的机制).在收到实验报告后针对情况,在报告上进行批改. 真空镀膜实验真空镀膜实验 【教学目的】 1 了解并学习真空的特点、获得和测量 2 学习用热蒸发法制备金属薄膜 3 学习用干涉显微镜测量薄膜的厚度 【教学内容】 1 真空的基本特点 2 真空的获得，主要包括机械泵和分子泵的工作原理以及真空泵性能的主要指标 3 真空的测量，包括各种真空计的原理以及测量范围 4 薄膜的制备，重点是蒸发法 5 结合实验仪器介绍实验内容以及实验过程中需要注意的问题 6 薄膜制备完以后，讲解干涉显微镜的用法，让学生独立测出薄膜的厚度 【教学难点】 1 玻璃罩一定要与底座密合好 2 实验开始抽真空时，直接按下高真空键即可。而实验结束时，则需要先按下低真 空键，等气压不变时，再按放气键。 3 加电时，电流要慢慢加到 30A 左右，不要超过 35A 4 实验结束后一定要把仪器关掉，拔掉电源后再打开玻璃罩，注意安全。 5 干涉显微镜一定要先调好焦距，再调干涉条纹测厚度。 【教学要求】 独立的制备均匀的薄膜，并用干涉显微镜测出厚度 【问题讨论】 开始镀膜时，加上电流后，气压会有一个非常大的增大，为什么？ RLC 串联电路的暂态过程(A) 【教学重点】 1. 用存储示波器采集瞬态信号。 2. 观察 RC、RL 串联电路暂态过程，理解电路时间常数 的物理意义。 3. 观察 RLC 串联电路的暂态过程，理解阻尼振荡规律。 4. 了解微分、积分电路特点。 【教学内容】 1. 了解数字存储示波器的工作原理，学习使用方法。 2. 观测单次矩形脉冲作用下 RC，RL，RLC 串联电路的暂态过程。 （1） 观测 RC 串联电路的暂态过程。 取C = 0.2 F，R = 200 ，2 k，20 k，观察记录UR 、UC 波形，解 释波形随R的变化规律。测量时间常数 。 （2） 观测 RL 串联电路的暂态过程。 取L = 10 mH，rL = 20 ，R = 20 ，200 ，观察记录UR 、UL 波形， 解释波形随R的变化规律。测量时间常数 。 （3） 观测 RLC 串联电路的暂态过程。 a. 取C = 0.2 F，L = 10 mH，rL = 20 ，观察记录UC 波形；测衰减 振荡频率与理论值比较；测衰减振荡峰值的包络线，用（41.29） 式拟合时间常数 ，并与（41.13）式计算值比较。 b. 调节R，测量临界电阻RC 。 c. 取R = 2 k，20 k，观察记录UC 波形。 3. 在周期性矩形脉冲下，观察记录积分、微分波形。 （1） 微分电路：f = 250 Hz，C = 0.2 F，R = 500 。 （2） 积分电路：f = 250 Hz，C = 0.2 F，R = 60 k。 *4.观察 3 的积分电路在周期性矩形脉冲输入的初始阶段的过渡波形。 【教学难点】 难点：数字存储示波器的使用。 解决方法：较详细地介绍如何使用 TDS2002 数字存储示波器的各种功能。 【教学要求】 1. 会用存储示波器采集瞬态信号。 2. 能观察记录 RC、RL、RLC 串联电路的电压、电流波形，测量时间常数 。 3. 能正确测量RLC串联电路的临界电阻RC 。 4. 观察记录微分、积分波形，加深对微分、积分电路的理解。 【讨论与思考】 1. 试说明 RC 电路组成的延时开关的工作原理。 2. 电容、电感均为储能元件，试从能量转换观点分析解释 RLC 阻尼振荡波形 的原理及特点。 闪光法测定不良导体热导率实验闪光法测定不良导体热导率实验 教学目的 ： 1测定不良导体热导率。 2了解一种测定材料热导率的方法。 3进一步了解热物性参数的物理含义及测量中的基本问题。 4学习正确使用高压脉冲光源和光路调节技术以及用微机控制实验和采集处理数据。 教学内容 ： 1依据付利叶导热定率： gradTq=， （其中 q 为热流密度矢量， 为热导率， T 为温度） ，以及非稳态导热微分方程可得：热扩散率 tL 2/1 22 38. 1 = ， 由公式 =c 进而有热导率： tL c 2/1 22 38. 1 =，：样品密 度，C：样品比热容，L：为样品厚度。 2了解实验系统和装置各部分特点以及应如何保证实验条件。 3在大理石、胶木扳、磁砖三个样品中，选两个进行测量，每个样品测三条曲线。 4测量待测样品的温升