细丝直径测量的设计性实验

第22卷第l期 钧∞年∞月寤舨 大学物理实验 Pl{YslCALEj(至琶致黼E§强O箩C。]已薹玉GE Vol。22№．1 瓣篮。2∞9 文鞭编号：1007—2934f2009)Ol—0064—05 细丝直径测量的性实验 殷鹏飞1孙嚣丽2韩向宇1史玲娜1周 乎1 胡成华1 (1．重庆交通大学，麓庆，姗4；2．第三军阪大学，重庆，400038)、‘ 攮要设计性实验是高校裳验教学豹饕簧穴容，其巾最关键的琊节是实验的设 计。本文列举了缨丝直径涎囊设计往实骏髂咒种测嚣方案。 关键谰设计性实验；细丝直疑；测量 审盈分类号：04—33 文激标识码：A l 引言 传统实验教学中学生只是简单槐械重复，没有积极思维．稀创新，也没有探索目标翻方 向，学生学习主动性不高。这种实验教学模式缺乏对学生独立思考问题的能力、独立动手 能力翻创薪意识的培养。要使学生变被动学习隽主动学习，使教学内容贴遥时代，物理实 验课必须打破以前按都就班的教学模式，代之以分阶段分层次，以设计性实验为中心的教 学体系。设计性实验是由教师提出实验目的和要求，学生自己选择仪器，设计实验方案。 拟定实验步骤进行分析秘觋察，童至最后褥恕结果。它能激发学生懿兴趣，使学生尝到捺 究的成果，体会问题解决后的成就感，引发求知欲望ll】。设计性实验是弓l导学生进行探究 性学习的一种很好的方式，在培养学生刨造能力方面有很好的效果【2J。文章列举了细丝 塞径嚣量设计性实验的几种方寨。 ‘ 2测量方案的选择 在工监生产和秘学实验孛，经常磁蓟尺寸较小麓缨丝直径的测量阂题。缨丝壹授溅董 的有许多，传统测量方法通常有两种：一种是细缝称重法，即称出一定长度的细丝的 重攫后，把绷丝看成为均匀细长的圆柱体，然后根据材料的密度计算出纲煞的直径；另一 种方法是用游标卡足袭螺旋浏微器手工涎爨。设计缝实验的选题应俸现实验内容的设计 性和实验方法的多元饿。结合重庆交通大学物理实验室实验条件介绍以下几种方法： 2．1驻波测量导电金属细丝直径【3】 图l所承的实验装置中，接线柱l纛2上的导线每金属缨丝连接，构成遵电霞路。金 属细丝一端固定，另一端接在破码盘上用以产生张力。中间由A、口两个凝尖支柱，金属 牧疆蠢絮：20。s一鹦一27 —64～ 万方数据 细丝下方放置磁钢，通有电流的金属弦线在磁场中会受到安培力的作用，弦线上接通正弦 交变电流时，它在磁场中所受与磁场方向和电流方向均为垂直的安培力，也随之发生正弦 变化，移动劈尖改变弦长，当弦长是半波长的整倍数时，弦线上便会形成驻波。此时，金属 细丝A、口两端之间的距离L等于半波长的整数倍：即L=等，式中n为金属细丝上驻波 的波段数。即半波数。 接线柱 磁场方向 砝码 田l驻波羽■导电金■细丝直径实验装置 由波动理论可知，金属细丝中横波的传播速度为：￡，=／Z历，式中r为金属细丝的 张力，JD是金属细丝的线密度。 莩速、频率与波长的关系：u=且，得：P=考丢 由金属细丝线密度lD和体密度』D。的关系可以求出金属细丝的直径为：d=2~／lD／即’ 2．2衍射法测量细丝直径【4】 平行光束照射细丝时，其衍射效应和狭缝一样，在接收屏上得到同样的明暗相间的条 纹。 圈2细丝的衍射圈 图2为细丝的衍射图，当L>>芋时为夫琅和费衍射，观察屏上光强分布为： 一65～ 万方数据 r r sin2(，rd8in声／A)忙b了五面丽 当dsin“=±舨，后=l，2⋯时出现暗纹，设第jI级暗纹离光轴的距离为菇x由z工<< L，则有： 细丝的直径d：丝；譬 再X o 式中：S为衍射暗条纹间距，d为细丝直径，￡为细丝距观察屏的距离。 已知工和光波长A，测出S或茗K，可得到钢丝的直径d。 2．3利用劈尖干涉测定细丝直径[蹦】 干涉和衍射是光的波动性的具体表现。等厚干涉又是光的干涉中的重要物理实验。 将两块光学条形平板玻璃片叠在一起，在其一端平行于棱边方向夹入持测的细丝．则在两 玻璃片间便形成了一空气劈尖。 ．入射 l、 ～ l· ＼勿二多P乙 ￡ “ f：涉条纹。删 (-)光路结构 (bJ干涉条纹示意 田3劈尖干涉潮细丝直径 · 如图3a所示，单色光垂直入射到玻面上。从空气薄膜上、下表面反射的光就在膜的上 表面附近相遇而发生干涉。因此观察介质表面就会看到干涉条纹，以e表示入射点空气 膜的厚度，则两束相干的反射光在相遇时的光程差为： 艿：2e+害 由于各处的膜的厚度e不同，所以光程差也不同，当光程差满足： 2e+鲁=从，后，屉=I，2，3⋯⋯时，玻璃片对应位置出现明条纹 二 2e+鲁=(2七+1)舍。后=o，1，2⋯⋯时，出现暗条纹 以上两式表明，每级明或暗条纹都与一定的膜厚e相对应，因此在薄膜上表面形成一 簇与两玻璃板交接线(劈棱)平行且等间距的明暗相问的条纹，如图36所示。与||}级(从 劈棱处算起)暗条纹相对应的薄膜厚度e为e=等，|：I为人射光波长。 若细丝距离劈尖桂边的距离为L，细丝所在处薄膜的厚度(即细丝直径)为d，沿￡方 向上单位长度内的条纹数目为玮，则_|}d=屺，将上式中的e替换为d，艮替换为艮d，便得到 d；以鲁很明显，如果已知A，测出珏和三，即可求出细丝直径d。 一66-二 万方数据 2．4双光束干涉法测量细丝直径[7] 测量装置如图4所示，待测金属丝的轴垂直于纸面，激光束由分束器Ps分束，经过全 反镜Ml，||lf2和肘3相向入射到细丝上．光束在细丝表面上反射后的光波产生平直的干涉 条纹，在两入射光束垂直方向上放置的CCD相机摄取条纹图进入微机处理。 K H ● ▲1r皇11r二，衫‘P‘／厂一 、 y．7＼／ I＼ ＼力／ 口 ／ ＼ ● L ● 1 ． ^- B， J D - 蛋4双光束干涉法羽■纲丝互径装置圈 圈5两反射光线干涉光路 图5表示两反射光线产生干涉的光路，实验中观测距离D一般比细丝直径d以及观 测区域Y大很多，因此上下测两光线的入射角大都在45。角附近。由几何光学，在450角入 射点，附近的细光束反射产生虚线源，他们的位置，，=±拒R／2，z=压R“。观察屏OP 上的条纹类似于杨氏双缝的干涉条纹，可知道条纹光强度ⅢA3【·+cos揣】 条纹间距为： ． A(D一√2R／4)√2J：ID 凸，2一√芝R 。”。a 由CcD摄取条纹图片进入计算机处理。如果得到条纹间距，细丝到相机的距离D， 已知入射激光束的波长A．便，可得到细丝的直径d。 ‘ 3小结 文章介绍了几种测量细丝直径的方法。梗量时，可以根据被测对象的不同性质和测 量要求，选择不同的测量方法和相应测量仪器，而测量对象有多种。设计性实验 为扩展学生思维，发挥个人才能提供了空间，从而使学生得到较好的锻炼，有利于培养学 生的实验设计能力和动手能力。 参考文献 [1]宗保春．物理设计性实验研究[J]．中国电力教育，2006 [2]王秋芬．设计性、研究性实验对学生创新能力的培养[J]．大学物理实验．2∞6 [3]姜华．一种测量金属细丝直径的新方法[J]．青海大学学报(自然科学版)，20嘶 [4]孙定源、周桂贤、郑德锋．衍射法测量细丝直径的研究[J]．辽宁大学学报(自然科学版)．200B 一67— 万方数据 【5】冯颖、寒璜覆、王述媚。利用劈炎于涉测定缫丝直径的实验研究【J】+东北电力学院学擐，2003 【6】局乎、稍成华．基确物理实验【弑】．20∞ [7】高伟、罴卫民、孙晓红等．细丝擞径的双光束干涉法[J]．量子电子学报，19鲫 DESIGNINGE：娜RIM臣NToFTHE F玩AM匮》灌D秘&匝罚巳RM嚣ASUREM姗 ‰PengkilS岫UH2‰)(i明gylllShi“Ilgl耐办鲫PiIl91fkCh∞gll岫l (1．chongqingjiao协IlgUnjv啪毋，Chon卿ng，绚0074) (2。强e霸li砖醚ili诅碍醚e_dic毫差U矗iv蛹i箨，ekm醉ng，霸9∞38) Ab瓣岍：A8thejmpof啪tc雠龇oflhec龇ge唧l豇i眦nt吣，piv柚tache0f她de8i班嘴糕per主ment躺tbe酗弛of＆唧㈣幽黼·氐翻豳融辩嘲煳磷蚓《赫酗酒堍“卿赫l&融硝撼 dialn岫皿屺8羽lrelnent． 蔓时W岫：de冉i删ngexpe酊ment；6l锄entdi脚et盱；me聃u坤ment 一68— 万方数据 细丝直径测量的设计性实验 作者： 殷鹏飞， 孙丽丽， 韩向宇， 史玲娜， 周平， 胡成华， Yin Pengfei， Sun Lili， Han Xiangyu， Shi Lingna， Zhou Ping， Hu Chenghua 作者单位： 殷鹏飞,韩向宇,史玲娜,周平,胡成华,Yin Pengfei,Han Xiangyu,Shi Lingna,Zhou Ping,Hu Chenghua(重庆交通大学,重庆,400074)， 孙丽丽,Sun Lili(第三军医大学,重庆,400038) 刊名： 大学物理实验 英文刊名： PHYSICAL EXPERIMENT OF COLLEGE 年，卷(期)： 2009，22(1) 被引用次数： 0次 参考文献(7条) 1.宗保春 物理设计性实验研究 2006 2.王秋芬 设计性、研究性实验对学生创新能力的培养[期刊]-大学物理实验 2006 3.姜华 一种测量金属细丝直径的新方法[期刊论文]-青海大学学报（自然科学版） 2006 4.孙定源.周桂贤.郑德锋 衍射法测量细丝直径的研究[期刊论文]-辽宁大学学报（自然科学版） 2003 5.冯颖.宋瑞丽.王连加 利用劈尖干涉测定细丝直径的实验研究[期刊论文]-东北电力学院学报 2003 6.周平.胡成华 基础物理实验 2007 7.高伟.吴卫民.孙晓红 细丝直径的双光束干涉法[期刊论文]-量子电子学报 1999 相似文献(2条) 1.期刊论文 郭小爱.李湘宁.陈家璧 用数码相机实现夫琅禾费衍射测量细丝直径 -大学物理2002,21(1) 介绍利用激光获得细丝夫琅禾费衍射图样,并采用数码相机实现计算机辅助非接触自动测量细丝直径的方法,以及将其用于设计性实验的尝试. 2.期刊论文 姜国新.JIANG Guo-xin 关于衍射原理应用的设计性实验 -山东大学学报（工学版）2008,38(1) 利用常见器具进行激光波长和细丝直径等的测量,要求学生自己设计实验方法和实验步骤,并分析测试中为提高测试效果应采取的措施和注意事项,实 际实验中的测量结果具有较高的测量精度. 通过实验使学生充分理解衍射原理及其实际应用,在实验教学中取得比传统的利用分光计和衍射光栅进行波长 测量实验更好的效果. 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_dxwlsy200901015.aspx 授权使用：西安工业大学(xagydx)，授权号：9a911260-8c91-4d3b-878f-9e2200bb1055 下载时间：2010年11月2日