陳妮園，李天楊，田欣鑫，竺江峰

(浙江海洋大學，浙江 舟山 316000)

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關于CG-V型光速測定儀調(diào)節(jié)規(guī)律的研究

陳妮園，李天楊，田欣鑫，竺江峰*

(浙江海洋大學，浙江 舟山 316000)

通過多次調(diào)節(jié)實驗裝置CG-V型光速測定儀并從中找出規(guī)律，即觀察倒推法。經(jīng)過多次觀察實驗過程中在下一零件中所顯示的圖像的變化情況以及在示波器中顯示圖像的清晰度來反推出上一零件的調(diào)節(jié)方向，從而能迅速調(diào)節(jié)出理想的圖像，并且在示波器上顯示更清晰的實驗圖像，使實驗操作效率和準確率明顯提高，增加光速測量的精確度。

CG-V型光速測定儀、調(diào)節(jié)規(guī)律、示波器、觀察倒推法

在大學物理實驗的學習過程中，光速測量的實驗中對于剛接觸儀器的學生們來說實驗儀器的調(diào)節(jié)是一大難點，并且在實驗過程中同學們調(diào)節(jié)實驗儀器通常會耗費很長的時間并且不能很準確的調(diào)試出來，需要老師的幫助。在我們的了解中發(fā)現(xiàn)得到老師的具體指導通常調(diào)節(jié)時耗也要半小時至一小時不等，而一個班學生數(shù)量大，這無疑對于老師來說是一項大工程。因此，我們經(jīng)過多次實驗，反復操作得到觀察倒推法。利用該方法不僅能讓學生在接觸儀器之初能迅速掌握、精確調(diào)節(jié)，并且也能使老師的指導負擔減輕。

1 光拍的形成及測量原理

根據(jù)振動疊加原理，頻差較小，速度相同的兩列同向傳播的簡諧波疊加即形成拍[1]。若有振幅相同為E0、圓頻率分別為ω1和ω2的二光束，則

E1=E0cos(ω1t-k1x+φ1)

E2=E0cos(ω2t-k2x+φ2)

式中，k1=2π/λ1,k2=2π/λ2為波數(shù)；φ1和φ2為初位相。

若這兩列光波的偏振方向相同，則疊加后的總場為

上式是沿x軸方向的前進波，其圓頻率為(ω1+ω2)/2，振幅為

因為振幅以頻率為Δf=Δω/4π周期性的變化，所以E被稱為拍頻波，Δf稱為拍頻，Λ=Δλ=c/Δf為拍頻波的波長。最終實驗裝置獲得兩束光拍信號，在示波器上對兩光拍信號的相位進行比較，測出兩光拍信號的光程差及相應光拍信號的頻率，從而間接得出光速值。當兩光拍信號的相位差為2π時，即光程差為光拍波的波長Δλ時，示波器熒光屏上的兩束光的波形就會完全重合。

光拍法實際上是一種光外差技術，即激光束通過聲光器件產(chǎn)生頻移，或通過磁場硬塞曼效應產(chǎn)生頻移，獲得兩個頻率略有差異的光波，從而進行光速測定的方法。本實驗利用激光束通過聲光頻移器，獲得具有較小頻差的兩束光，它們疊加則得到光拍；利用半透鏡將這束光拍分成兩路，測量這兩路光拍到達同一空間位置的光程差和光拍的頻率，從而比較簡單精確的測得光速。

2 實驗主要儀器及用具

CG-V型光速測定儀、數(shù)字頻率計、示波器

3 實驗調(diào)節(jié)方法[3][6]

1.CG-V型光速測定儀光斑校正片使用方法

圖1 校正片

(1)如圖1所示，該校正片呈透光狀。在光路校正時，用于檢測光行走路徑。根據(jù)激光束行走路徑的偏差，從而調(diào)整相應的儀器零件，使其以較準確路徑行走，提高光速測定的準確度以及調(diào)節(jié)儀器的速度。

(2)校正片透光處有刻度顯示，在調(diào)整光路的過程中根據(jù)刻度的偏差形象地展現(xiàn)出光路的偏差大小以及方向。再通過其偏差范圍來根據(jù)觀察倒推法來調(diào)節(jié)上一零件。

2.調(diào)節(jié)各元件，使其與儀器底座水平度垂直，如圖2所示。

圖2 CG-V型光速測定儀

3.儀器接線

(1)將電源線接入插口。

(2)用Q9頭高頻電纜，將高頻信號源的輸出接到頻率計的輸入插口。

(3)用Q9頭高頻電纜，分別將Y信號和觸發(fā)信號的輸出，與示波器的Y軸輸入信號和X軸輸入觸發(fā)信號插座相連接。

4.儀器的調(diào)試

圖3 面板各旋鈕示意圖

(1)如圖3所示，接通電源開關。

(2)激光器應射出光束。

(3)按示波器使用說明書，將示波器的各有關開關和旋鈕置于適當位置上。Y軸衰減和掃描速度按輸入信號強度和頻率適當選擇。注意：必須將示波器設置成外觸發(fā)工作狀態(tài)，否則不能準確比較光拍信號的相位差。

(4)接通穩(wěn)壓電源開關，兩個指示燈亮。表示±15V電源正常供電。

(5)使激光器的光束無阻礙地通過聲光頻移器通過光孔的中心，與聲光介質(zhì)中聲場相互作用，在光欄上應看到一排水平衍射光斑點，如圖4所示。

圖4 水平衍射光斑點

(6)圖5所示，調(diào)節(jié)反射鏡1。首先調(diào)節(jié)光點水平位置，使其目測在反射鏡1垂直平面的中心位置或利用校正片確定其在中心位置處。若不在，則微調(diào)反射鏡1及其后方的旋鈕。

圖5 近光程調(diào)節(jié)

3.1 調(diào)節(jié)近光程

(1)轉(zhuǎn)動半反鏡2，使半反鏡2與棱鏡軌道大致成45度。轉(zhuǎn)動斬光器，微調(diào)反射鏡1，使從反射鏡1反射的光點通過斬光器空隙，并透射過半反鏡1至半反鏡2垂直平面的中心處，如圖5所示。若水平方向不在反射鏡2垂直平面的中心處，則微調(diào)反射鏡1 ；若垂直方向不在半反鏡2垂直平面的中心處，則轉(zhuǎn)動半反鏡1后的旋鈕。

(2)觀察光電接收盒內(nèi)的接收器，使接收器內(nèi)呈現(xiàn)出最亮光點，如圖6所示。未觀察到最亮光點時，若光點垂直方向上不處于接收器中心處，則調(diào)節(jié)半反鏡2后的旋鈕；若水平方向上不處于接收器中心處，則再微調(diào)半反鏡2，直至示波器上出現(xiàn)最清晰圖像，如圖7所示。

圖6 接收器內(nèi)亮光點

圖7 光程圖像

3.2 調(diào)節(jié)遠光程

(1)如圖8所示，調(diào)節(jié)反射鏡3與反射鏡2，使其與棱鏡軌道大致呈45°。

圖8 遠光程調(diào)節(jié)

(2)轉(zhuǎn)動斬光器，微調(diào)半反鏡1，使從半反鏡1反射出的光點通過斬光器空隙落在反射鏡2垂直平面的中心處，再反射至反射鏡3的垂直平面的中心處。若不在反射鏡3垂直平面中心，則再微調(diào)反射鏡2以及后方的旋鈕，直至落在反射鏡3的中心處。

(3)如圖9所示，微調(diào)節(jié)反射鏡3，使棱鏡A上出現(xiàn)如圖10所示的兩個光點。如未出現(xiàn)，若是光點較高或較低，則旋轉(zhuǎn)反射鏡3后的旋鈕；若非高度問題，則再微調(diào)反射鏡3。

圖9 遠光程調(diào)節(jié)

(4)若棱鏡B上無兩個光點，則用校正片找從棱鏡C到棱鏡B的光路，如圖9和11所示。若是高度原因，調(diào)節(jié)棱鏡A后的旋鈕，若不是高度原因，再微調(diào)反射鏡3，直至棱鏡B上出現(xiàn)兩個光點，如圖10所示。

圖10 棱鏡A、B上的光點

(5)觀察光電接收盒內(nèi)的接收器上是否有光點，若在上下位置上偏移，調(diào)節(jié)棱鏡B后的旋鈕，使光點與接收器在同一水平上，直至接收器上出現(xiàn)最亮光點。

圖11 校正片的使用

得到如7所示的示波器顯示圖像。

5.所得最終調(diào)節(jié)圖像

(1)經(jīng)過調(diào)節(jié)后，開啟斬光開關，得到如圖12的清晰圖像，此時近光程與遠光程相位差不為2π，兩光程圖像不重合。

圖12 調(diào)節(jié)圖像

(2)將棱鏡A移至棱鏡軌道底部，再移動棱鏡B，當光程差為2π時，得到如圖13的兩光程重合的清晰圖像。從而得到計算光速公式c=2Δλ·F，并利用此公式計算得到光速。

圖13 調(diào)節(jié)圖像

6.該光速測量實驗中，在CG-V型光速測定儀中的光路圖

圖14 CG-V型光速測定儀

4 實驗數(shù)據(jù)[4,5,7]

根據(jù)上述所得調(diào)節(jié)方法，快速調(diào)節(jié)后實驗數(shù)據(jù)記錄如表1，并將實驗所得數(shù)據(jù)帶入公式c=2Δλ·F=2F(a+b+c+d+e+f+g1+g2+g3-h)得到測量出的光速。

注：(1)c、d、e所指距離均與f指示一致，即均指到棱鏡外側(cè)。(2)g1、g2、g3所指示距離為棱鏡側(cè)邊長度，即指在棱鏡內(nèi)的光路距離[2]，見表2。

表1 實驗記錄表

表2 光速記錄表

實驗注意事項：

1.在實驗中，每一步調(diào)節(jié)儀器時，轉(zhuǎn)動幅度不宜過大，否則光點易消失，不易再調(diào)出，因此各儀器都只能微調(diào)。

2.當近光程已調(diào)節(jié)好，在調(diào)節(jié)遠光時，前一步已調(diào)節(jié)好的與近光程有關的部件都不可再動。否則，遠光程調(diào)好后，近光程光點則會消失，會增加儀器調(diào)節(jié)耗時。

5 結(jié) 論

1.該操作方法易于掌握，簡單方便，降低學生對于陌生儀器的生疏感，使學生能在較短時間內(nèi)掌握儀器的調(diào)節(jié)方法，縮短實驗時間，并且能增加實驗精度，同時提高實驗效率。

2.該方法同時也能幫助老師把被學生調(diào)亂的光速測量儀在較短時間內(nèi)調(diào)節(jié)至正常狀態(tài)，為老師節(jié)省精力。

3.在得出實驗規(guī)律后，在以后的多次實驗過程中發(fā)現(xiàn)，調(diào)節(jié)儀器的耗時通常在十分鐘左右，并且通過以上數(shù)據(jù)可看出，上述觀察倒推法測量出來的數(shù)據(jù)百分差較小，較精準，誤差小。

[1] 竺江峰，魯曉東，夏雪琴.大學物理實驗教程[M].中國水利水電出版社，2011(9)：236-243.

[2] 胡超，竺江峰.光速測量儀中的遠程光光程測量方法的改進[J].大學物理實驗，2013,26(2)：22-24.

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Study on the Regulation Law of CG-V of Light Velocity Apparatus

CHEN Ni-yuan,LI Tian-yang,TIAN Xin-xin,ZHU Jiang-feng

(Zhejiang Ocean University,Zhejiang Zhoushan 316000)

We found the rule by adjusting the CG-V of light velocity apparatus for many times.It named the observation of backward method.Which can get the adjust mode of the last part by observing the changes of the image on the next part and the clarity of the image on the oscilloscope for many times during the experiment,that will adjust the ideal image quickly besides getting a more clear image on the oscilloscope,so that the operate efficiency accuracy of the experiment improved significantly.It increased the accuracy of the speed of light measurement.

CG-V of light velocity apparatus；rule of regulation；oscilloscope；the observation of backward method

2016-05-31

1007-2934(2016)05-0068-06

O 4-34

A DOI：10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.005.018

*通訊聯(lián)系人