北航实验研究报告

1 / 14 北航实验研究报告 北航基础物理实验研究性报告 微波实验和布拉格衍射的改进 第一作者： XXX 第二作者： XXX 摘要 微波实验和布拉格衍射的实验 ,验证了布拉格公式 ,测定了晶格常数和微波波长。由于实验的误差比较大 ,所以对实验的仪器和条件进行了一系列的改进，对误差的来源进行了更细致的分析，可以得到更加准确的结果。 一、实验背景 微波是指频率为 300MHz-300GHz 的电磁波，是一种无线电波，即波长在 1mm 1m的电磁波。微 波频率比一般的无线电波频率高，通常也称为“超高频电磁波”。微波作为一种电磁波也具有波粒二象性。微波与普通的电磁波一样，也存在反射，折射，衍射和偏振等现象。因为微波的波长比普通的电磁波要短得多，又比 X 射线和光波长得多，所以可以用微波来仿真“晶格”衍射，“晶格”可以放大到宏观尺度，这样就方便了我们进行实验。本实验用一束波长 3cm的微波代替 X射线，观察微波照射到人工制作的晶体模型时的衍射现象，模拟发生在真实晶体上的布拉格衍射，验证布拉格公式。通过实验，人们对晶格衍射有直观的物理图像，2 / 14 了解三维衍射的特点和研究方法， 学习有关微波器件和微波技术的知识，同时通过微波单缝衍射和迈克尔逊干涉实验，加深对场和波动概念的认识。但由于实验仪器的限制，实验有存在着较大的误差，所以，我们可以想些方法尽可能的减小实验的误差。 二、实验的改进 布拉格衍射实验 1、实验原理 晶体对电磁波的衍射是三维衍射 ,分为点间干涉和面间干涉。 点间干涉：二维点阵衍射的主极大方向，应该符合沿此方向所有的衍射线间无程差。 面间干涉：相距为 d 的两晶面反射的波程差 2dsin =2dcos ,为入射角，只有 满足 2dcos =k ,k=1,2,3。才能形成干涉极大。因此 a=d +n32 2、实验改进 微波分光仪机构改进 针对布拉格衍射的公式验证实验，在实验中，需要转动载物台和接收臂，使实验的效率较低，操作性差，需要两人协助完成如图 -1。 .所以设想将微波分光仪装置进行改进，只转动接收臂，带动发射臂转动，接收臂转动多少度就带动发射臂转动多少度，使入射角和出射角始终保持相同，模型不动。为提高实验的效率以及精确度可对微波分光仪进行如下改进： 3 / 14 接收臂 载物台 图 -1改进前的微波分光仪装置简图 载物台 图 -2 改进后的微波分光仪装置简图 通过一个附加的类似于雨伞结构的的装置，可以保证接收臂在转动的同时带动发射臂转动相同的角度，而无需转动载物台，从而达到入射角和出射角相同的目的。这样就可以一边转动发射臂，一边进行读数，找到使电流表读数最大的位置，提高了实验的效率和精确度。 接收臂 微波分光仪读数装置的改进 由于分光仪指针读数时存在着比较大的误差，很难准确定位示数最大的点。所以，用电子读数系统代替指 针读数，可以大大提高实验的准确性。 在验证布拉格衍射公式的实验中用图 -4 的结构来代替图 -3 的晶体的晶格结构， 图 -3 图 -4 存在的问题： 1由于实体结构本身的精度限制，对实验的准确性会造成一定 4 / 14 能够的误差。每个“原子”位置并不是很精确，高低，左右都存在着 研究性实验报告 电位差计及其应用 学 号 学 生 姓 名段毓 第二 作者 学号 12151150 第二 作者 2016 年 12月 12 日 摘要 电位差计的测量准确度高，且避免了接入误差，但它操作比较复杂，也不容易实现测量的自动化。现今，电压测量已逐步被数字电压表所代替，其因为内阻高、自动化测量容易，得到广泛的应用。尽管如此，电位差计作为补偿法的典型应用，在电学实验中仍有重要的训练价值。此外，直流比较式电位差计仍是目前准确度较高的电压测量仪表， 在数字电压表及其他精密电压测量仪表的检定中，常作为标准仪器使用。 关 键字：电位差计，补偿法 Abstract 5 / 14 Potentiometer is an instrument for measuring the potential in a circuit. The accuracy of the potentiometer is high and it can avoid the errors made when wires of power meters are connected. But operating the potentiometer is very complex. And it is not easy to achieve measuring automatically. Today, the instrument for measuring the voltage is replaced by digital voltmeters. The digital voltmeter has high internal resistance and it can measure the voltage automatically. So it is used widely. Nevertheless, the potentiometer still has its important value of experiment as a typical application of the compensation method. In addition, comparing DC-potentiometer is still the most accurate instrument measuring the high voltage. And it is often used as the standard instrument in the test of digital voltmeters and other precisely-measuring-voltage instruments. Keywords： Potentiometer, compensation method 目录 摘要 .6 / 14 . 1 Abstract . 2 目录 . 1 一、实验目的 . 2 二、实验原理 . 2 1. 补偿原理 . 2 型电位差7 / 14 计 . 3 三、实验仪器 . 5 四、实验内容 . 5 1. 自组电位差计 . 5 型箱式电位差计 . 6 五、数据处理 . 6 8 / 14 1. 自 组 电 位 差 计 测 干 电 池 电 动势 . 6 箱 式 电 位 差 计 测 干 电 池 电 动势 . 7 五、讨论 . 8 1.对实验方法、实验内容或实验仪器的改进意见与建议 . 8 2. 实验中经验教训的总结 . 8 六、实验感想 . 9 1.实验后的感想、收获、体会、意见或建议 . 9 9 / 14 2.教学改革或任课教师的评价、意见和建议 . 9 七、致谢 . 10 八、附录 . 11 1. 实 验 原 始 数 据纸 . 11 九、参考文献 . 12 一、实验目的 1、学习补偿原理和比较测量法； 2、牢固掌握基本电学仪器的使用方法，进一步规 范10 / 14 实验操作； 3、培养电学实验的初步设计能力； 4、熟悉仪器误差限和不确定度的估算； 5、熟悉指针式检流计的使用方法。 二、实验原理 1.补偿原理 测量干电池电动势 Ex的最简单方法是把伏特表接到电池的正负极上直接读数，但由于电池和伏特表的内阻，测得的电压 V=ExR/并不等于电池的电动势 Ex。它表明：因伏特表的接入，总要从被测电路上分出一部分电流，从而改变了被测电路的状态。此误差称为接入误差。 图 1 用电压表测电池电动势 为了避免接入误差，采用如图二所示的“补偿电路”。如果 cd可调， EEx，则总可以找到一个 cd的位置，使得 Ex所在回路中无电流通过，这是 Vcd=Ex。上述原理称为补偿原理，回路 Ex G d c Ex 称为补偿回路； E S A B E构成的回路成为辅助回路。为了确认补偿回路中没有电流通过 ，在补偿回路中接入一个具有足够灵敏度的检 基础物理实验研究性报告 关于氢原子光谱和里德伯常数的测量的讨 论和分析 11 / 14 实第学第学 二 作验 一 专作 题 者 号 者 号 氢原子光谱和里德伯常数的测量 12021202 12021204 电子信息工程学院 院名称 2016 年 5 月 18日 目录 摘要：本文以氢原子光谱和里德伯常数的测量实验为背景，简要介绍了实验的原理、仪器、步骤，深入讨论分光仪的调节经验和技巧；光栅常数的校准和里德伯常量计算方法；实验主要误差来源分析；钠黄光的分辨能力；实验仪器和实验教材的改进。 关键词：分光仪；里德伯常数；光栅 一、实验原理 1.光栅及其衍射 波绕过障碍物而传播的现象称为衍射。衍射是波动的一个基本特征，在声学、光学和微观世界都有重要的基础研究和应用价值。具有周期性的空间结构的衍射屏称为“栅”。当波源与接收器距离衍射屏都是无限远时所产生的12 / 14 衍射称为夫琅禾费衍射。光栅是使用最广泛的一种衍射屏。在玻璃上刻画一组等宽度、等间隔的平行狭缝就形成了一个透射光栅；在铝膜上刻画出一组端面为锯齿形的刻槽可以形成一个反射光栅；而晶格原子的周期排列则形成了天然的三维光栅。 本实验采用的是通过 明胶复制的方法做成的透射光栅。它可以看成是平面衍射屏上开有宽度为 a的平面行狭缝，缝间的不透光部分的宽度为 b， d=a+b 称为光栅常数。有关光栅夫琅和费衍射的结论有： 光栅衍射可以看成是单缝衍射和多缝干涉的综合。当平面单色 光正入射到光栅 上时，其衍射光振幅的角分布单缝衍射因子sinu/u 和缝间干涉因子 sin 的乘积，即沿方向的衍射光强 I= 式中 u?asin?/?， ?dsin?/?N 是光栅的总缝数。 当 sin时， sinN 也 等于 0， sinN/sin， I形成干涉极大；当 sinN 时，但 sin 不等于 0 时，形成干涉极小。它说明：在相邻的两个主极大之间有 N-1 个极小、 N-2个次级大；N 数越多，主极大的角宽度越小。 入射时，衍射的主极大位置由光栅方程： 13 / 14 决定，单缝衍射因子 sinu/u 不改变主极大的位置，只影响主极大的强度分配。 当平行单色光斜入射时，对入射角和衍射角做以下规定：以光栅面法线为准，由法线到光线逆时针入射为正，顺时针为负。这时光栅相邻狭缝对应点所产生的光程差为 ?d,光栅方程应写 成 d?k? 类似的结果也适用于平面反射光栅。 不同波长的光入射到光栅上时，由光栅方程可知，其主极强位置是不同的。对同一级的衍射光来讲，波长越长，主极大的衍射角就越大。如果通过透镜接收，将在其焦面上形成有序的光谱排列，如果光栅常数已知，就可以通过衍射角测出波长。 2.光栅的色散本领和色分辨本领 和所有的分光元件一样，反映衍射光栅色散性能的主要指标有两个，一是色散率，二是色分辨本领。它们都是为了说明最终能够被系统所分辨的最小的波长差 ?。 、色散率 色散 率讨论的是分光元件能把不同波长的光分开多大角度。若两种光的波长差为 ?，它们衍射的角间距为 ?，则角色散率定义为 D? ?/