近代物理实验讲义

近代物理实验

近代物理实验讲义编写组

目录

前言.......................................................................3

实验一夫兰克―赫兹实验................................................4

实验二密立根油滴实验..................................................9

实验三迈克耳逊干涉仪的调整与使用.....................................22

实验四激光全息照相实验................................................28

实验五原子发射光谱实验（一）..............................................36

实验六原子发射光谱实验（二）..............................................40

实验七核磁共振实验....................................................45

实验八智能型光电效应实验仪测普朗克常数...............................53

实验九分光计的调整和使用..............................................59

实验十光速的测量................................................67

实验-I--超声光栅测声速..................................................73

实验十二塞曼效应实验..............................................79

实验十三喇曼光谱实验................................................87

实验十四变温霍尔效应实验.............................................95

前百

实验是物理学发展的基础，又是检验物理理论的唯一手段。特别是现代物理学的兴

起，更和实验有着密切的联系。正是实验技术的发展，不断地揭示和发现各种新的物理

学现象，日益加深人们对客观世界规律的认识，从而推动着物理学的向前发展。

近代物理实验是继普通物理实验之后为应用物理学专业高年级学生开设的一门重

要的实验课程。在近代物理实验要做的十多个实验中，有在近代物理学发展史上堪称里

程碑的著名实验，也有与现代科学技术中常用实验方法或现代技术有关的实验。与普通

物理实验相比，近代物理实验所涉及的知识面很广，具有较强的综合性和技术性。我们

开设近代物理实验，一方面使同学们进一步认识物理实验对近代物理规律发现和近代物

理理论的建立所起的重大作用，加深对近代物理概念和规律的理解。另一方面，使同学

们能掌握近代物理及现代技术中的一些常用实验方法和实验技能，进一步培养良好的实

验习惯和严谨的科学作风，使同学们获得一定程度的用实验方法和技术研究物理问题的

独立工作能力。因此，学好近代物理实验是十分重要的。

为了完成好近代物理实验，除了一般物理实验要求之外，特别要求同学们做到以下

-—*八占、、.•

第一，认真做好预习。

与普通物理实验相比，各个近代物理实验的原理和使用的仪器设备都要复杂、精密

得多。因此要求同学们一定要化足够时间做好预习，可以先到近物实验室看看，预先了

解各实验仪器设备的特性与使用方法。不预先懂得实验原理，不掌握实验仪器的特性、

操作要领和实验步骤等，是断然做不好近代物理实验的。

第二，在教师指导下，要独立完成实验。

培养独立工作能力，是开设近代物理实验的重要目的之一，也是大学高年级学生应

具备的能力之一。教师只是起指导作用。从每个实验的原理了解，每台仪器特性掌握，

到实验步骤确定，实验数据记录、实验结果分析等，都要求同学们能独立完成。同学们

要认真阅读本讲义，也要查阅、研究其他文献资料，还要积极思考、不断探索，独立解

决遇到各种问题。

最后，祝同学们顺利完成近代物理实验课程！

近代物理实验室

二0-----年二月

实验一夫兰克一赫兹实验

1931年，尼•玻尔在描绘氢原子光谱规律经验公式的基础上建立了新的原子结构

理论，提出原子只能较长久地停留在一些稳定状态（称为定态），每一定态，对应一定

的能量，叫能级。玻尔认为：各定态的能量是分立的，原子跃迁时只能吸收或辐射相当

于二定态能量差的能量。1941年，夫兰克和赫兹使用慢电子与稀薄汞气体的汞原子碰

撞而进行一定能量的交换，测量出汞原子的激发电势，从而直接证明了原子能级的存在，

清晰地显示了原子能级的图像，为玻尔理论提供依据。夫兰克一赫兹实验成为探索原子

结构的一个重要实验。几年来，夫兰克―赫兹实验已作了改进，不用汞原子蒸气而用氤

原子气体，在常温下氮是气体，因此实验时不需加热。本实验采用的氮气体。

一、实验目的

1、学会测量氮原子的第一激发电位的方法。

2、了解本实验的设计思想和方法。

3、通过本实验，证明原子能级的存在，加深对对夫兰克一赫兹实验原理与原子结

构的了解。

二、实验原理

1、夫兰克―赫兹实验的原理如图一所示。

图一夫兰克―赫兹管原理图

本实验使用的夫兰克一赫兹管内充氤原子气体。阴级K加热后发射电子，电子在K

与栅极G之间的正向电压UGK的作用下被加速。板极A和栅极G之间的反向电压U,w对电

子起阻档作用。当电子通过KG空间进入GA空间时，如果具有较大的能量，就会冲过反

向拒斥电场而达到板极，形成板流，由微电流计。测出。如果电子在KG空间与氮原子

碰撞，把自己全部能量给了氨原子而使后者激发的话，电子本身所剩余的能量就接近零，

以致通过栅极后已不足以克服拒斥电场，而被折到栅极。这时，通过电流计L，的电流就

将显著减少。

设电子在KG空间与氮原子碰撞，正好把自己全部能量给了瀛原子而使后者激发的

电势差是%,Ei和Ez表示氤原子基态和第一激发态的能量，则

eV,=E2-E)(1)

因此测得片就可以知道僦原子第一激发态与基态的能量差，%称做第一激发电势。

图二氤原子的I「〜UGK曲线

如果以增大一些，使电子获得的能量eUGeV”电子与氤原子发生碰撞，将部分能

量传给氤原子使之激发，碰撞后的电子还剩余部分动能，它在正向作用下仍被加速并继

续与原子发生碰撞。如果电子能量达2eV”它可继续使第二个僦原子同样激发，这时

通过L，的电流又显著下降。其余类推。

图二所示的曲线反映了氯原子在KG空间与电子进行能量交换的情况，当KG空间电

压逐渐增加时，电子在KG空间被加速而取得越来越大的能量。但起始阶段，由于电压

较低，电子能量较少，即使在运动过程中，它与原子相碰撞也只有微小的能量交换（为

弹性碰撞）穿过栅极的电子所形成的板流L将随栅极电压U,；K的增加而增大。（如图二

中的oa段）。当KG间的电压达到氨原子的第一激发电位片时，电子在栅极附近与氤原

子相碰撞，将自己从加速电场中获得的能量交给后者，并使后者从基态激发到第一激发

态。而电子本身由于把能量给了氨原子，即使穿过了栅极也不能克服反向拒斥电场而被

折回栅板。所以板极电流IP将显著减小（如图三中的ab段）。随着栅板电压U＜；K的增加，

电子的能量也随之增加，在与氤原子相撞后，还留下足够的能量，可以克服反向拒斥电

场而达到板极A。这时，电流又开始上升（be段）。直到KG电压是二倍氤原子的第一

激发电位2V邛寸，电子在KG间又会因二次碰撞而失去能量，因而又造成了第二次板极电

流的下降（如图三中的cd段）。同理，当U.=NV|（n=[2,3…）时,I1都会明显下降。I

「〜UCK曲线的规则起伏变化，形象方便地证明了原子能级的存在。用这种简单而巧妙的

方法，能很方便地测量出氤的第一激发电势。曲线上二相邻的极小值（谷）或极大值（峰）

所对应的Ucx之差就等于氨原子的第一激发电势V,.即：

U„tl-Uri=V,（2）

实际实验的夫兰克一赫兹管内在栅极附近增加另一栅极G”见图三。栅极G的作用

是为了消除电子在阴极附近的堆积效应，起着控制电子流大小的作用。

图三双栅极的夫兰克―赫兹管结构

三、实验仪器介绍（FD-FH-1仪）。

FD-FH-1型夫兰克一赫兹仪的面板结构如图四所示。各部分说明如下:

（1）电压指示表头，通过波段开关分别表示%、L、/、V必

（2）电压指示波段开关:改变电压表指示的电压。

（3）电源指示灯。

（4）L电流波段开关，其量程有：1回，lOOnA,10nA,InA.

（5）L，电流指示表头，电流=波段开关提示值X电压值。

（6）%输出（衰减10倍）。

（7）取扫瞄速度开关。

（8）加扫瞄开关，有‘手调‘与‘扫瞄’二档。

（9）各电压（V「、八、%、W的调节电位器。

（10）夫兰克―赫兹管各电极输入接线柱。（顺时针电压增大）。

（11）各电压输出接线柱：红色为正。

图四FD-HFT夫兰克―赫兹仪面板说明图

仪器性能指标

电源电压：220±10%,V,调节范围：1-6V,

V<n调节范围：0-12V,%调节范围：0-6V,

%调节范围：OTOOV,

峰值数：25。

四.实验内容

1.熟悉夫兰克―赫兹仪的各表头、旋扭的用法。

2.调好修、%、%最佳初时值。

3.由于测灭的电压表头读数不大准确，实际测量时用一条电线将加输出端（衰

减10倍）（即图四上（6））与万用表连起来，从万用表上读出七数据。

4.将%从0慢慢增加到约10伏（已衰减10倍），及时记录下各电流峰值、中间

值、谷值所对应的电压Va值。（约有7个峰值与7个谷值，连中间值一起，共

要测出约28个数据。）

5.对电压L的7个峰值或7谷值数据作数据处理，以求出氨原子第一激发电势。

要采用逐差法求出第一激发电势的平均值。

6.作出IP与％的关系曲线。

五.注意事项

1.开机前各旋扭旋至0（即旋扭逆时针到底），然后再开机实验。

2.按规定设置好V,、V.、%初始值。其中V,初值不能太大，否则夫兰克一赫兹管会

发生电离，电流会自发增大直至烧毁。一旦发生L，负值打表或正值打表，应立

即关机，将明调小，5分钟后再开机重新测量。

3.开机约10分钟待I,,电流稳定后开始测量。

4.当Vc2从。增加到约10伏（已衰减10倍）时，要一口气测下去，不要倒退。

5.实验结束，关机前各电压旋扭旋至0。

实验二密立根油滴实验

美国物理学家密立根（R.A.Millikan）在1909年到1917年通过实验测量微小带电油滴在静电

场和重力场中的受力平衡情况及在空气中的运动情况，巧妙的求出了微小带电油滴所带的电量，并

且通过相应的数据处理，得出了电荷量子化的结论。密立根油滴实验的设计简明巧妙，方法简单，

而结论却具有不容置疑的说服力，1923年荣获诺贝尔物理学奖。因此现在我们重演这个实验仍具有

一定的启发性。

【实验目的】

1、通过实验了解、掌握密立根油滴实验的设计思想，实验方法和实验技巧。

2、验证电荷的量子化并测定基本电荷电量。

3、通过对实验仪器的调整和油滴的选择、跟踪、测量以及实验数据处理等，培养学生严谨的科

学实验态度。

【实验原理】

利用密立根油滴仪测定电子电量，关键在于测出油滴的带电量。测定油滴的带电量通常有两种

方法：静态（平衡）测量法和动态（非平衡）测量法。前者的测量原理、实验操作和数据处理都较

简单，故这里主要介绍静态（平衡）测量法。

1、静态（平衡）测量法

用喷雾器将油滴喷入电容器两块相距为d的水平放置平+

行电极板之间，油滴经喷射后，一般都是带电的。设油滴的qE，

u

质量为电所带的电荷为小两极板间的电压为〃，则油滴在'rng

平行极板间将同时受到重力mg、静电力前和空气浮力Ff的

作用。如图5-1-1所示。如果调节两极板间的电压U,可使图5TT电场中油滴受力情况

两力达到二力平衡，这时

mg-qE+F（-q—+F（（5-1-1）

d

从上式可见，为了测出油滴所带的电量°,除了需测定。和d外，还需要测量油滴质量他因卬

很小，需用如下特殊方法测定。

平行极板不加电压时，油滴受重力作用而加速下降，除受空气浮力作用外，还受空气粘滞阻力

的作用，粘滞力可由斯托克斯定律给出：

fr=6叼叫

下降一段距离达到某一速度vg后，空气粘滞阻力£、空气浮力片与重力根g平衡，油滴将

匀速下降。油滴匀速下降时

兀(5-1-2)

fr=6ar/%=mg-Ff

式中，〃是空气的粘滞系数，。是油滴的半径（由于表面张力的原因，油滴总是呈小球状）。设油

滴的密度为「°,空气的密度为「，油滴的质量机、空气浮力£可用下式表示

43

m=-7tapn(5-1-3)

Z743，

=~^aPg(5-1-4)

由式(5-1-2),(5-1-3)、(5-1-4)得油滴半径

(5-1-5)

2Pg

式中，P=P「P',对于半径小到10-6米的油滴小球，与空气分子的间隙相当，空气已不能

看成是连续介质，空气的粘滞系数应作如下修正

pa

此时的斯托克斯定律应修正为

_6兀a叫

/r=~~~~b~

1+——

pa

式中匕为修正常数，8=6.17x10-6米.厘米汞高，p为大气压强，单位为厘米汞高。根据修正后的

粘滞阻力公式，得油滴半径为

(5-1-6)

上式根号中还包含油滴的半径。，由于它处在修正项中，故不需十分精确，因此它可用（5-1-5）

式计算即可。

式（5-1-6）中的油滴匀速下降的速度相，可用下述方法测出：在平行板未加电压时，测出油滴

下降/长度时所用的时间%,即可知

(5-1-7)

将(5-1-7)、(5-1-6)、(5-1-3)、(5-1-4)代入(5-1-1)式,整理后得

(5-1-8)

2Pg

上式是用平衡测量法测定油滴所带电荷的理论公式。

2、动态（非平衡）测量法

为解决静态平衡法中由于空气流扰动而产生的非预期的影响以及油滴蒸发引起的误差，可在平

行极板上加以适当的电压U,使油滴受静电力作用加速上升。速度增加时，空气对油滴的粘滞力也

随之增大，上升一段距离达到某一速度匕后，油滴将以匀速上升，油滴所受空气粘滞阻力、空气浮力、

重力与静电力达到平衡，这时

当去掉平行极板上所加的电压U后，油滴受重力作用而加速下降。当空气粘滞阻力、空气浮

力和重力平衡时，

两式相除得

(5-1-9)

3「（!族

如果油滴所带的电量从9变到/,油滴在电场中匀速上升的速度将由匕变成匕'，而匀速下

降的速度％不变，这时油滴所带的电量

显然电荷的改变量

,4,

q：=q-q=-^apg(5-1-10)

实验时取油滴匀速下降和匀速上升的距离相等，都设为/,测得油滴匀速下降/所用时间为g,

匀速上升/所用时间为4和/，即

(5-1-11)

将式(5-1-6)和式(5-1-11)代入式(5-1-9)和式(5-1-10)得

(5-1-12)

则

从实验所测得的结果，可以分析出q与小只能为某一数值的整数倍，由此可以得出油滴所带电

子的总数〃和电子的改变数i,从而得到一个电子的电荷为

e=-=^-(5-1-13)

ni

【实验仪器】

HLD-M0D-1X型油滴仪，喷雾器，油，M0D-5型立根油滴仪

1、M0D-5型立根油滴仪如图5-1-2和图5-1-3所示。

■319

2522

图5-1-2油滴仪结构图

1-油滴盒；2••防风罩；3-油雾室；4-照明灯；5-导光棒；6-照明灯电源插座；7-调平螺丝；8-水平仪；

9-显微镜；10-目镜头；11-接目镜；12-调焦手轮；13-数字电压表；14-工作电压调节旋钮；15-工作电压

反向开关；16-升降电压调节旋钮；17-升降电压反向开关；18-低压汞灯；19-CCD；20-CCD托板；

2LCCD接筒：22-CCD电源插座：23-视频电缆：24-监视耨：25-计时器插座

图5-1-3油滴盒图5-1-4分划板

1-喷雾口；2-油雾口开关；3-油雾孔；4-上电极板压簧

5-外接电源插孔；6-油滴盒基座；7-油滴仪版面

油滴仪包括油滴盒、照明装置、调平装置、测量显示镜、电源、计时器、喷雾器等。MOD-5B

型密立根油滴仪带有低压汞灯，可改变油滴所带的电荷量。MOD-5BC型密立根油滴仪还配有电荷

耦合器件（CCD）的电子显示装置。

油滴盒由两块经过精磨的平行板（上、下电极）和中间垫的胶木圆环组成。胶木圆环上有进光

孔、观察孔和石英玻璃窗口，油滴盒放在防风罩中，上极板中央有一个直径0.4mm的小孔，油滴从

油雾室经油雾孔落入小孔，进入上下电极之间。

油滴盒防风罩前装有测量显微镜，用以观察平行板间的油滴。测量显微镜目镜中装有分划板（如

图5-1-4所示），其垂直总刻度相当于视场中的0.3cm,用以测量油滴运动的距离•分划板中间的横

向刻度可用来观测油滴的布朗运动。

电源部分提供4种电压：①3.6V油滴照明电压；②500V直流工作电压，该电压可连续调节，从

数字电压表上直接读数，并由工作电压的反向开关改变上下电极板的极性；③200V左右的直流升降

电压，该电压叠加在工作电压上，以控制油滴在视场中的合适位置。升降电压高，油滴移动速度快,

反之则慢，该电压在电压表上无指示；④12VCCD电源电压。

2、HLD-M0D-IX型油滴仪

HLD-MOD-IX型油滴仪由主机和实验软件两部分构成，主机部分主要由机箱面板、油滴盒和复杂

的电子电路构成。这里仅对机箱面板、油滴盒、实验软件界面及软件操作控件做以简易的介绍。

⑴机箱面板

机箱面板如图5-卜5所示，旋钮功能请看图注。

图5-1-5HLD-M0D-IX型油滴仪面板俯视图

1-电压显示；2-时间显示：3-视频输出插座；4-水准泡；5-油雾室和照明灯室：6-电源开关按钮；

7-显微镜；8-“正负电荷”按钮；9-“复位”按钮；10-CCD摄像头；11-“清零”按键；12-“计/停”

按键；13-“测量”按键；14-“平衡”按键:：15-“提升”按键；16-平衡电压调节旋钮。

需要指出的是：“3-视频输出插座”是在本机配用CCD摄像头时使用，输出至监视器，监视器阻

抗选择开关拔至75c处；“12-计/停按键”是在油滴下落到预定开始位置时按一下此键，开始计时,

到达预定距离时，再按一次该键，停止计时；“15-提升按键”，按下该键时，上下电极在平衡电压的

基础上自动增加DC200V-300V的提升电压；“16-平衡电压调节旋钮”,可调节“平衡”按键时的极

板间电压，调节电压DC0〜500V左右。

⑵油滴盒

油滴盒示意图如图5-1-6所示，油滴盒

的防风罩前装有测量显微镜，通过胶木圆环

上的观察孔观察平行极板间的油滴，显示屏

上装有分划板，其总刻度相当于线视场中

0.2cm,用以测量油滴运动的距离L,分划板

中间的横向刻度尺是用来测量布朗运动的。

⑶实验软件界面

图5-1-6HLD-M0D-IX型油滴仪油滴盒

软件界面如图5T-7,各按钮功能看图1-上盖板;2-油雾孔开关;3-油雾室；4-油雾孔5-喷雾口;6-上电

极板压簧；7-上电极板；8-防风罩;9-胶木圆环；10-下电极板；

注。

11-油滴盒基座;12-底板

⑷软件操作控件

实验控制区内有如下按钮：“提升”、“平衡”、“测量”、“计时”、“停止”、“清零”，这些按钮只

I234,5

11

图5-1-7密里根油滴仪实验界面

1-菜单按钮：2-标题栏：3-图像采集区：4-最小化按钮：5-关闭按钮：6-数值显示区：7-实验控制区:

8-图像控制区：9-实验原理提示：10-数据操作区：11-数据记录区。

有在设备打开成功后才可使用。在具体操作时，其作用与油滴仪面板上的按钮的作用大致相同。

【实验内容】

1、用M0D-5型立根油滴仪测量

⑴调整仪器

将仪器放平稳，调节仪器底部左右两只调平螺丝，使水平仪指示水平，这时平行极板处于水平

位置。先预热lOmin,利用预热时间，从测量显微镜中观察。如果分划板位置不正，则转动目镜头，

将分划板放正，目镜头要转到底。调节目镜，使分划板刻线清晰。

将油从油雾室旁的喷雾口喷入（喷雾器持平喷一次即可），微调测量显微镜的调焦手轮，使视场

中出现大量清晰的油滴。如果视场太暗，油滴不够清晰，或视场上下亮度不均匀，可略微转动油滴

照明灯的方向节，使小灯泡前面的聚光灯正对前方。若用CCD（连同监视器），则将CCD对准显微

镜，并进行调节，使监视器中看到清晰明亮的油滴。

注意：调整仪器时，如果打开有机玻璃油雾室，必须先将平衡电压反向开关置“0”。

⑵练习测量

①练习控制油滴：用平衡法实验时，在平行极板上加工作（平衡）电压250V左右，反向开关

放在“+”或侧均可，放走不需要的油滴，直到剩下几颗缓慢运动的油滴为止。注视其中的某

一颗，仔细调节平衡电压，使这颗油滴静止不动。然后去掉平衡电压，让它匀速下降，下降一段距

离后再加上平衡电压和升降电压，使油滴上升。如此反复多次地进行练习，以掌握控制油滴的方法。

②练习测量油滴运动的时间：任意选择几颗运动速度快慢不同的油滴，用秒表测出它们下降一

位移段所需要的时间。或者加上一定的电压，测出他们上升一段距离所需要的时间。如此反复多练

几次，以掌握测量油滴运动时间的方法。

③练习选择油滴：要做好本实验，很重要的一点是选择合适的油滴。选的油滴体积不能太大，

太大的油滴虽然比较亮，但带电荷比较多，下降速度也比较快，时间不容易测准确。油滴也不能选

得太小，否则布朗运动明显。通常平衡电压在200V以上，在20~30s时间内匀速下降2mm的油滴，

其大小和带电量都比较合适。

④练习改变油滴的带电量：对M0D-5B型密立根油滴仪，可以改变油滴的带电量。按下汞灯按

纽，低压汞灯亮约5s,油滴的运动速度发生改变，这时油滴的带电量已经改变了。

⑶正式测量

①平衡测量法：从式（5-1-8）可知，用静态平衡测量法实验时，要测量两个量，一个是平衡电

压U,另一个是油滴匀速下降一段距离/所需要的时间上测量平衡电压必须经过仔细的调节，并将

油滴置于分划板上某条横线附近，以便准确判断出这颗油滴是否平衡。

测量油滴匀速下降一段距离/所需要的时间4时，应先让油滴下降一段距离后再测量时间。选

定测量的一段距离/,应该在平行板之间的中央部分，即视场中分划板的中央部分。若太靠近上电

极板，小孔附近有气流，电场也不均匀，会影响测量结果。若太靠近下电极板，测量完时间tg后，

油滴容易丢失，影响测量。一般取/为0.2cm比较合适。

对同一颗油滴应进行5~6次测量，而且每次测量都要重新调整平衡电压。如果油滴逐渐变得模

糊，要微调测量显微镜跟踪油滴，防止油滴丢失。

用同样方法分别对上2颗油滴进行测量，对MOD-5B型密立根油滴仪，也可用改变油滴带电量

的办法，反复对同一颗油滴进行实验，求得电子电荷e。

②动态非平衡测量法：具体方法可由学生根据实验原理自拟（供选做）。

③改变油滴带电量的研究与测量（供选做）方法自拟。

2、用HLD-M0DTX型油滴仪测量

⑴仪器调节

①将仪器放平稳，调节底座上的三个调平手轮，使水准泡指示水平，这时平行极板处于水平位

置。

②打开油滴仪电源，先预热仪器，预热时间不少于10分钟。打开监视器电源，5秒后自动进入

测量状态。

⑵静态（平衡）测量法

①按“清零”键，使计时秒表清零。

②按下“平衡”按键，调节电压在200V左右，将油雾从油雾室旁的喷雾口喷入（喷1—2次即可）,，

打开油雾孔开关，油滴从上电极板中间直径0.4mm的小孔落入电场中。微调测量显微镜的调焦手轮,

这时在监视屏上将出现大量清晰的油滴，如果视场太暗，油滴不够明亮，亮度不均匀，可打开监视

器左边小盒，内有4个调节旋钮。对比度一般置于较大，亮度不要太亮。

③通过调节“平衡电压调节旋钮”驱走不需要的油滴，直到剩下几颗缓慢运动、大小适中的油

滴为止，选择其中一颗，仔细调节平衡电压，使油滴静止不动。记下“电压表”上显示的数Uo

④通过按“提升”按键把油滴提升到显示屏最上端，再按下“测量”键，使油滴开始下降。

⑤当油滴转为匀速运动时（正常须在按下“测量”键1秒钟后），可根据需要按下“计/停”按

键计时。

⑥通过按“计/停”键，测量油滴下落为2mm（在刻度板为4大格）的距离所经过的时间与。停

止计时，并立即按“平衡”键或“提升”键，以免油滴逃逸出本电场，此时完成一颗油滴的测量，

此时“秒表”上的时间为油滴在2nm距离匀速运动的时间外。

⑦如此对同一颗油滴重复5次测量，每次测量时都要检查和调整平衡电压，如果油滴逐渐变得

模糊，要微调测量显微镜，跟踪油滴，勿使丢失。

⑧用同样方法，选择2颗油滴分别进行测量。得到该实验所需多组数据。

⑨按公式对实验测量数据进行数据处理。

【数据记录与数据处理】

1、M0D-5型立根油滴仪测量

数据记录和数据处理参照表格5-1-1«

2、HLD-M0DTX型油滴仪测量

（1）手动测量

静态（平衡）测量法

表5-1-1平衡测量法数据记录表

A,=s

油(s)U(V)

tg々($)万(V)04

滴

1234512345(xlO-l9C)(xlO-l9C)

1

2

相关计算:

3

2

根据公式？一」8万一Hl_@进行计算，式中油滴的半径\-2UL,各常数分

质4(1+2)uppgts

pa

别如下：

油的密度p=981kgm-3

重力加速度g=9.792m-s-2

空气粘滞系数7?=1.83x10-5kg.m's-i

油滴匀速下降距离/=2.00x10-3m

修正常数Z?=6.17x10~6m-cmHg

大气压强P=76.0cmHg

平行极板间距离d=5.00x10-3m

目前e的公认值备=1.6021773x1()19c

143x104415xIO-6

可以得到油滴带电量：q=———------油滴半径：a=———r,油滴质量：

“4(1+0.02")子,(1+0.02&)了

4aaa

m=-Tiap-4.09x10xa

3o

动态(非平衡)测量法

表格自拟，并计算测量结果。

电量的计算

一q_+()

-〃-ntetsU^

cj=k(f

i卬，“

,1.43x10*

k=-----------r

[1+0。2初2

以上计算公式中取「近似等于油滴在温度为20°C的密度/J。，取t=20℃时油的密度计算，引起

的最大相对误差为0.5%

为了证明电荷的不连续性和所有电荷都是基本电荷e的整数倍，并得到基本电荷e值，我们就

应对实验测得的各个电荷值用差值法求出它们的最大公约数，此最大公约数就是基本电荷e值。但

由于实验所带来的误差，求最大公约数比较困难，因此我们常用“倒过来验证”的办法进行数据处理,

即用实验测得的每个电荷值q除以公认的电子电荷值/=L6021773xl()T9c,得到一个接近于某

一个整数的数值，对这个数值四舍五入取整，这个整数就是油滴所带的基本电荷的数目〃，再用实

验测得的电荷值q除以相应的〃，即得到电子的电荷值e。

(2)自动操作

实验室用HLD-M0D-IX型油滴仪附有一套快速数据处理软件(平衡法),同学们可在计算机上操作，

实验数据和结果可一并打印出来，详见软件介绍。

【注意事项】

1、实验前必须调节仪器底座上的三只调平手轮，使底座上的水准仪指示水平。

2、喷雾时喷雾器应竖拿，喷雾器对准油雾室的喷雾口，轻轻喷入少许油即可，切勿将喷雾器插

入油雾室，甚至将油倒出来，更不应该将油雾室拿掉后对准上电极板落油小孔喷油。否则会把油滴

盒周围搞脏，甚至堵塞落油孔。

3、油滴盒上下电极间有高压产生，请不要将油雾杯取下来，以防触电。

实验三迈克耳逊干涉仪的调整与使用

干涉仪是根据光的干涉原理制成的一种进行精密测量的仪器，在科学技术上有着广泛的应用。

干涉仪的形式很多，迈克耳逊干涉仪就是其中的一种。

【实验目的】

1.了解迈克耳逊干涉仪的结构，学习调节方法。

2.利用点光源产生的同心圆干涉条纹测量单色光的波长。

【实验原理】

1.迈克耳逊干涉仪的结构与光路

⑴、迈克耳逊干涉仪的结构

迈克耳逊干涉仪的结构如图4-16-1所示，和A/2是两面经精细磨光的平面反射镜，是固

1.观察屏；2.粗动手轮；3.分光板；4.补偿片；5.固定反射镜；6.活动反射镜；7.导轨标尺；

8.水平微调；9.垂直微调；10.微动手轮；11.刻度鼓轮；12.钺紧嫌钉；13.粗调手柄

图4-16-1迈克耳逊干涉仪实物图

定的，是活动的一一松开锁紧螺钉，转动粗手动轮，能在精密导轨上前后移动，加2的镜面

垂直于移动方向，当粗动手轮对准某一刻线，微动手轮⑩对准零时，将粗动手轮用螺钉锁紧，这

时转动微动手轮，AZ?在精密导轨上作微小移动。在两种情况下，移过的距离可由导轨标尺，以及

粗动手轮和微动手轮上的刻度读出。

。和G?是两块材料、厚度一样的平行平面玻璃。在的一个表面上镀有半透明的铭（或铝）

层，使射到它上面的光一半反射，另一半透射，。称之为分光板。G，G2相互平行，且与Al2成

45",调节Mi可使它与Al2互相垂直或成某一角度。调节时，粗调用“I背后三个（4，%,小）螺丝

进行，细调用下面的两个互相垂直、有弹簧的微动螺丝“8”和“9”进行。

⑵、迈克耳逊干涉仪的光路图如图4-16-2所示。光源上一点发出的光线射到半透明层K上被分

为两部分：光线“1”和“2”。光线“2”射到上被反射回来后，透过G到达E处。光线“1”

透过G?射到被反射回来后再透过G?

射到K上，再被K反射而到达E处。这两条

光线是由一条光线分出来的，所以它们是相干光。

激光器

如果没有G2,光线“2”到达E时通过玻璃片

。三次，光线“1”通过G|仅一次，这样两束

光到达E时会存在较大的光程差。放上G2后，

图4-16-2迈克耳逊干涉仪的光路图

使光线“1”又通过玻璃片G?两次，这样就补偿了

光线“1”到达E时光路中所缺少的光程。所以，通常将G?称

为补偿片。

光线“1”也可看作是从在半透明铭层中的虚像反

射来的。在研究干涉时，M\与是等效的。

2.干涉条纹的图样

在迈克耳逊干涉仪中，由反射出来的光是两束相

干光，和可看作是两个相干光光源，因此在迈克耳逊干

涉仪中可观察到：

图4-16-3相干光束

⑴、点光源产生的非定域干涉条纹。

⑵、点、面光源等顷干涉条纹。

⑶、面光源等厚干涉条纹。

本实验主要观察第⑴种干涉条纹，并利用这种条纹进行氢强激光波长的测量。观察第⑵、⑶种干涉

条纹可作为选做内容.

点光源产生的非定域干涉图样是这样形成的：凸透镜汇聚后的激光束，是一个线度小、强度足

够大的点光源。点光源经M一知2反射后，相当于由两个虚光源S；,邑发出的相干光束（如图4-16-3

所示），但&和S2间的距离为Mi和M2间距的两倍，即S；§2等于2d。虚光源S；,邑发出的球面

波在它们相遇的空间处处相干，因此这种干涉现象是非定域的干涉图样。

若用平面屏观察干涉图样，不同的地点可以观察到圆、椭圆、双曲线、直线状的条纹（在迈克

耳逊干涉仪的实际情况下，放置屏的空间是有限的，只有圆和椭圆容易出现）。通常，把屏E放在

垂直与RS连线的处，对应的干涉图样是一组同心圆，圆心在55延长线和屏的交点。上。

由S52到屏上任一点A,两光线的光程差△为

A=S2A-S'tA

=J(L+2dy+&+R2

4Zz/+4J2

1+-14-16-1

L2+/?2

通常L»d,利用展开式jm=i+，x—'x2+

取前两项，可将式4-16-1改写

24

成

△="2+收14Ld+4d211613d2

-x—-----------------------X---------------------

2

2I3+R8(Z?+R2)2

2LddR2

1+

7FTFLL(L2+7?2)

由图4-16-3的三角关系，上式可改写成

△=2d(cosb)1+%in2b

4-16-2

略去二级无穷小项，可得

A=2dcosS4-16-3

A=2t/cos^=kA（明纹）4-16-4

△=2dcosS=（2Z+l）-（暗纹）

2

这种由点光源产生的圆环状干涉条纹，无论将观察屏E沿S；S2方向移动到什么位置都可以看

到。

由式（4-16-4）可知:

①当3=0时的△最大，即圆心所对应的干涉级别最高。摇动手轮而移动加？，当△增加时,

相当于减小了和k相应的b角（或圆锥角），可以看到圆环一个个从中心“涌出”而后往外扩张；

若d减小时，圆环逐渐缩小，最后“淹没”在中心处。每“涌出”或“淹没”一个圆环，相当于SB?

的光程差改变了一个波长；I。设移动了M距离，相应地“涌出”或“淹没”的圆环数为N,

则

△=2zW=AU

\d=-N^4-16-5

2

从仪器上读出及数出相应的N,就可以测出光波的波长2。

②d增大时，光程差△每改变一个波长所需的b的变化值减小，即两亮环（或两暗环）之间的

间隔变小，看上去条纹变细变密。反之，d减小时，条纹变粗变疏。

③若将4作为标准值，测出“涌出”（或"淹没”）N个圆环时的实（M2移动的距离）与由

式（4-16-5）算出的理论值Ad理比较，可以校准仪器传动系统的误差。

④若以传动系统作为基准，则由N和Ad实可测定单色光源的波长;I,实验时，光源都有一定体

积，要获得一个比较理想的点光源，实验中往往用光阑和透镜将光束改变成较为理想的发散光束。

【实验仪器】

迈克耳逊干涉仪、氢筑激光器、扩束镜。

【实验内容】

1、仪器和非定域干涉条纹的调节：

（1）、使氮颊激光束大致垂直于即调节氢

筑激光器高低左右位置，使反射回来的光束按原

路返回（如图4-16-2所示）。

⑵、装上观察屏E,可看到分别由和M2

反射到屏的两排光点，每排4个光点，中间两个

图4-16-4微调螺旋测微装置

1,粗调手轮；2,锁紧螺钉；3,粗调手柄；4,微调手轮

较亮，旁边两个较暗。调节团1和知2背面的3个螺钉，使两排光点一一重合，这时与知2大致

互相垂直。

（3）、在氨颊激光器实际光路中加进扩束器（短焦距透镜），扩束光照在q上，此时在屏上就会

出现干涉条纹，再调节细调拉簧微调螺钉（图4-16-1中的8,9）,直到能看到位置适中、清晰的圆

环状非定域干涉条纹。

⑷、观察条纹变化。旋松刻度轮端面上锁紧螺钉“2”（如图4-16-4所示），转动手柄“3”，可

看到条纹上“涌出”或“淹没”。判别加；,加2之间的距离d是变大还是变小，观察条纹粗细、疏

密和d的关系。

2.测量氢颊激光波长

⑴、读数刻度基准线的调整。旋松锁紧螺钉，转动手柄，使读数基准线与刻度鼓轮上某一刻度

线对准（例如与70线对准），转动微调读数鼓轮⑷，使零刻度线对准基准线。

⑵、微微旋紧螺钉后，慢慢转动鼓轮，可以清晰地看到条纹一个一个地“涌出”或“淹没”。待

操作熟练后开始测量，记下刻度轮和微调轮上的初读数每当“涌出”或“淹没”N=50个条纹

时，记下d,连续测量10次，将这10个d值分成两组填入表4-16-1中（注意；前5个填入4栏，

后5个填入4+5栏）。

（3）、用逐差法处理实验数据，计算波长。

【数据记录与数据处理】