大学物理课程设计

设计性物理实验

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一、实验目的

1.测量纱线直径的大小。

2.掌握劈尖干涉测定纱线直径（或薄片厚度）的方法。

3.通过实验加深对等厚干涉原理的理解。

4.掌握牛顿环的使用原理。

二、实验原理

①将两块平板玻璃叠放在一起，一端用纱线将其隔开，则形成一辟尖形空气薄层见图（1-1），若用单色平行光垂直入射，在空气劈尖的上下表面发射的两束光将发生干涉，其光程差△=2l+λ/2 （l为空气薄膜厚度）。因为空气劈尖厚度相等之处是一系列平行于两玻璃板接触处（即棱边）的平行直线，所以其干涉图样是与棱边平行的一组明暗相间的等间距的直条纹，当Δ=（2k+1）λ/2，（k=0，1，2，3……）时，

为干涉暗条纹，与k级暗条纹对应的薄膜厚度为：

d=k×λ/2

由于k值一般较大，为了避免数错，在实验中可先测出某长度l内的干涉暗条纹的间隔数n，则单位长度的干涉条纹数X=n/l，若棱边与纱线丝的距离为L，则纱线丝出现的暗条纹的级数为k=X×L，可得纱线丝的直径为：

D=X×L×λ/2= n/l×L×λ/2

②也可用三角形相似原理如图（3-17-3）

D／d=L／l

D=（L／l）×d

d=n×λ/2

取n=10（即间隔10个暗条纹）d=10×λ/2=5λ所以D=（L／l）×5λ

三、实验器材

电子显微镜，劈尖，纱线丝,牛顿环

四、实验步骤

1.打开电源和钠灯光源并将电子显微镜的插头插上

2.调节显微镜的视野至明亮清晰处

3.取一根纱线丝，将纱线丝夹入劈见内（注意纱线丝要拉直不可弯曲），固定好。

4.将固定好纱线丝的劈见放入显微镜的平台内，调节显微镜直到看见清楚的干涉条纹

5.测量L的长度，找到两条最黑的暗条纹，记入数据L’、L’’；（L= L’—L’’）

6. 取n=10（间隔10个暗条纹）即l的长度，记入数据l’、l’’; ( l=l’—l’’)

7.重复上述过程，得到不同的几组数据

8.实验结束后，整理好实验器材

六、实验数据记录

D=（L／l）×5λ

钠灯波长λ=589.3nm

纱线直径数据

现有测量纱线直径的方法如下：

●螺旋测微器法

螺旋测微器（又叫千分尺）是比游标卡尺更精密的测量长度的工具，用它测长度可以准确到0.01mm，测量范围为几个厘米。

原理：螺旋测微器是依据螺旋放大的原理制成的，即螺杆在螺母中旋转一周，螺杆便沿着旋转轴线方向前进或后退一个螺距的距离。因此，沿轴线方向移动的微小距离，就能用圆周上的读数表示出来。螺旋测微器的精密螺纹的螺距是

0.5mm，可动刻度有50个等分刻度，可动刻度旋转一周，测微螺杆可前进或后退0.5mm，因此旋转每个小分度，相当于测微螺杆前进或后退这

0.5/50=0.01mm。可见，可动刻度每一小分度表示0.01mm，所以以螺旋测微器可准确到0.01mm。由于还能再估读一位，可读到毫米的千分位，故又名千分尺。

测量时：当小砧和测微螺杆并拢时，可动刻度的零点若恰好与固定刻度的零点重合，旋出测微螺杆，并使小丰和测微螺杆的面正好接触待测长度的两端，那么测微螺杆向右移动的距离就是所测的长度。这个距离的整毫米数由固定刻度上读出，小数部分则由可动刻度读出。

测量不足之处：由于纱线直径太细，当小砧和测微螺杆并拢时，螺旋的距离基本上没有动，这样用肉眼观察误差很大。

●光的衍射法

若两个可以衍射的圆孔距离十分接近时，则会产生双圆孔衍射现象，干涉条纹包含在衍射的内部，而形成强度不均匀的干涉条纹，若包含的中央极大有n条亮纹，则n=d1/d0

设计实验：以镭射光束穿过有针孔的铝箔，使其产生圆孔衍射的条纹，测量第一条暗纹所在的位置D值，求得针孔的大小d值，得d1=n/n+2d0遮住一个孔，让镭射由另一个孔通过，再令其产生圆孔衍射同心圆，测量d值，得d2=1.22λR/D

测量不足之处：D的测量特别困难，若D的误差为1mm就会对实验造成很大小的偏差。

●细线缠绕发

把待测的纱线均匀（线与线之间不重叠，不留间隔）的缠绕在直径为D的圆柱体上，测量纱线的长度为S，数一下缠绕的圈数为n，若纱线的直径为d,则有nd×πD=S,d=S/nπD.

测量的不足之处：此方法适合粗略的测量纱线的直径，由于纱线直径很小，我们把缠绕后圆柱体的直径近似等于圆柱体的直径D，造成较大的误差。还有人为很难做到纱线的均匀缠绕。

上述设计的劈尖干涉测定纱线直径法的优点与创新：

该方案巧妙的把直接测量进行转换，利用劈尖干涉条件的形成，把纱线直径D（较小、难测量的量）转换成易观察的量进行测量，从而减小了实验误差。

实验用电子显微镜观察干涉条纹比直接用肉眼观察要精确。