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第二十一届全国中学生奥林匹克物理竞赛复赛 光学实验试题 题目 测量金属丝的直径 仪器与用具 未知波长的激光器 凸透镜 待测金属丝 物屏 像屏 CD光盘 米尺 三角板 支架若干 金属夹等 实验内容 1 测量激光器的波长 2 测量待测金属丝的直径 要求 1 自己设计实验方法 根据需要从以上仪器与用具中选择合适的器材 采取适当方法和措施 尽量准确地测量 2 画出测量光路图 准确地反映出各器件间的位置 角度等关系 在图中注明各量 3 简述为提高测量准确性所采取的方法和措施 4 完整记录测量数据 写出计算公式 计算结果 说明 1 待测金属丝已装在物屏的中心孔处 2 CD光盘表面是一些在光滑平面上连续不断的 坑点 同心圆轨迹 其密度为每毫米625条 注 以卷面为评分依据 参考答案 一 半导体激光器波长的的测量1 测量光路图 用反射光栅衍射的方法测量激光的波长 2 计算公式 为入射角 为衍射角 当入射光垂直光盘表面时 0 测量1级谱线衍射角 所以 由光栅衍射方程 其中 的标准值 23 96度 3 实验步骤 1 将激光器 观察屏和光盘等按图中位置摆放 开始观察屏和光盘距离尽可能地近 2 将激光器出射口对准观察屏的中心孔 打开激光器电源 3 将光盘慢慢地远离观察屏 保持光盘与观察屏平行 观察衍射光斑 使两衍射光点与中心的反射光点距离相等 且在同一水平线上 4 用米尺测量两衍射光斑之间的距离h和观察屏到光盘之间的距离l 5 计算激光器波长 4 测量中采取的措施和注意事项 1 入射光应采取垂直照射 可以用光线是否沿原路返回来判断是否垂直照射 2 为避免入射光不垂直照射而造成正 负级谱线关于零级谱不对称 只测量一侧谱线造成衍射角测量误差 应测量正 负1级谱线间总夹角 除以2后得到垂直入射时的衍射角 3 应尽量使屏与光盘平行 并与入射光垂直 可用测量不同位置光盘与屏间的距离是否相等来判断 4 为准确测量衍射光斑位置 可在光源后加凸透镜 将光斑汇聚成较小的光点 5 多次测量 5 实验数据 二 测量金属丝直径 1 测量光路图 采用衍射原理测量细丝直径 2 实验步骤 1 将光盘换成观察屏 调整激光器使光束中心通过待测金属丝 后移观察屏 使在屏上得到清晰的衍射条纹 2 用米尺测量中心亮斑两测正负3级的衍射光点之间的距离 3 计算金属丝直径 3 测量中采取的措施和注意事项 1 像屏要与激光束垂直 2 为使衍射光斑清晰 可在光源与细丝间加汇聚透镜 不可加在细丝之后 因透镜焦距未知 3 测量的衍射条纹级数k在衍射条纹能看清楚的情况下 尽量大一些 4 多次测量 4 计算公式 已知夫琅禾费单缝衍射明纹暗纹条件 根据巴比涅 A Babinet 原理 单丝的衍射图样与其互补的单缝的衍射图样 在一定条件下是相同的 当屏E与细丝间的距离l和细丝的线度 直径 a相比满足a l 且仅观测中心附近的衍
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