光强调制法测光速.docx

光强调制法测光速实验者：学号：班级:实验原理可见光的频率为 H的数量级，超出了所有仪器的响应在本实验中光源是发 光二极管用50兆赫兹的高频正弦电压信号将光的强度进行调制，对强度调制光检波 后就得到周期大大扩展了的电子学信号发光二极管所发红光在仪器内调制后，分为两 路，一束输入到双踪示波器的X通道；另一束从出射孔射出，见图出射光经过直角反 射镜改变传播方向，从接收孔又进入到仪器内，输入到示波器的Y通道这二个频率相 同的强度调制波信号在示波器内相干，屏幕上得到李萨如图形一般而言，这种图形是 椭圆如果两种信号之间的相位差为0或一，李萨如图形为直线对应于相位差为0和 为—的这两条直线应有不同方向，一个在一、三象限，另一个在二、四象限这两束调 制信号之间的相位差与出射光在空气中传播的距离有关如果直角反射镜靠近出射孔 时，两束信号之间的相位差相等（可通过调节仪器上的相位旋钮做到），示波器上得到 一条直线将反射镜移远的过程中，李萨如图形变化为椭圆椭圆的方位和椭圆度也随 距离而改变当示波器上再度出现直线时，说明示波器中Y分量相位改变了二 即这束 调制光程变化了半个波长考虑到光经过两次平面镜的反射，半个波长等于直角反射镜 移动距离••的两倍，或写成="。

已知调制频率「，即可得到光在空气中传播速度：c = Af = 4lf(1)光速测量装置原理图1. 示波器 2.光速测定仪 3.相位调节旋钮 4.频率显示5.透镜 6.直角反射镜 7.地板 8.发射孔A 9.接收孔B 求出这种光强调制信号在空气中的传播速度，这就是光在空气中的速度利用这种仪器还可以测量透明介质的折射率以及光在这些介质中的速度让光透过 光路中一定长度-的某种透明介质，譬如水，先将示波器上图形调节为直线然后移去 液体，这时，示波器上图形为一椭圆移动直角反射镜一段距离-=，直至示波器上又 得到直线这说明强度调制波在空气中通过二「产生的相位变化（空气的折射率为1）， 相当于波在待测介质中通过L产生的变化介质的折射率匚根据公式：二二： （2）可以求介质的折射率光在这种介质的速度为：v =—（3）实验内容1. 测量光在空气中速度（1） 开启光速测定仪，将其两个输出端分别连接到双踪示波器X通道接口和Y通 道接口2） 调节光路共轴：仪器上光的发射孔A和接收孔B外各有一个凸透镜，调节透 镜位置，使发射孔处于其焦点附近这样，光通过透镜后就大体上成为平行光了在底 板上前后移动直角反射镜，使得它反射的光经过另一个透镜会聚到接收孔B。

为此，首 先调节两个反射镜片背后的螺钉，使镜片垂直于底板且彼此成直角其次，调节透镜的 位置，使光线会聚到仪器的接收孔B这样，在1.5米长的底板上前后移动直角反射镜， 示波器上的李萨如图形都会发生变化，如果在底板远端移动反射镜时，图形无变化，说 明光线尚未充分聚焦到接收孔，仍需继续调节光轴3） 完成了步骤2,反射镜在远端附近移动时李萨如图形呈椭圆，其大小与方位 与的镜位置有关这时可调节仪器上相位旋钮，令李萨如成为一直线记录这时直角反 射镜的坐标上（4） 将反射镜向着仪器方向移动，注意观察示波器上的图形，椭圆会越来越大（为 什么？），方向也逐渐改变如果图形太大，可调节波器的电压灵敏度旋钮，使图形大 小适当当反射镜靠近接收孔时，波器的上的李萨如图形有成为一条直线，它的斜率应 与开始时直线在不同象限记录反射镜坐标:二当然，也可将反射镜从靠近仪器的 位置逐渐移远，方向同上5） 计算出反射镜移动的距离，根据调制波的频率L按（1）式计算出光在空气 中的速度2. 测量光在水中的速度将专用的1米左右的圆管内装满水，密封两端透明的盖子后，放在光路中测量管 长-光经过管内的水照到放置在其后的直角反射镜这时示波器上应有椭圆状李萨如 图形。

调节相位旋钮，使李萨如图成为一条直线记录反射镜的坐标匚然后去掉 水管，移动反射镜的位置，直至示波器上的图形又成为一条直线记录此时反射镜的坐 标:二这说明光强调制信号在空气中经过2倍二-：二 的距离与该信号经过水中■距离产生的相位变化相等根据（2）式计算水的折射率，根据（3）式计算光在水中的 传播速度实验仪器光强调制法测光速实验装置包括：光速测定仪、示波器、信号发生器、透镜2个、 直角反光镜、1米长的水管光速测定仪：测量仪器原理图由晶体振荡器将频率约为50MHZ的高频正弦电压信号，该信号被分为两路：一束输 入到双踪示波器的X通道；另一束加在发光二极管上，使它所发射的光被调制成频率约 为50.0MHZ的光强调制波出射光信号经由外光路后，最终反射到光速测定仪接收孔的 光电二极管上，由光电二极管接收到的光调制信号进行光电转换，输出与发光二极管同 频的信号送入混频器2,与加在该混频器上的晶体振荡器G1所产生的50.50MHz的晶振 信号进行混频，最后得到50KHz的差频信号，该信号经过移相器送至示波器的Y轴与 此同时，由G2产生的50.10MHz的晶振信号送入混频器1，与加在该混频器上的由G1 所产生的50.05MHz的晶振信号进行混顿，产生50KHz的差频信号送入示波器的X轴， 这一路信号是没有经过移相的，可作为参考信号.这样，加在示波器X轴和Y轴的两路 具有相同频率不同幅度的信号，实验中就可以通过比较李萨如图形来判断它们所产生的 相位差。

图1真实仪器图 图2实验场景图使用方法：电源开关：鼠标点击开关按钮，可以打开或关闭电源开关；相位调节旋钮：鼠标左击或右击相位调节旋钮，可以改变通 道X与通道Y输出信号的相位差示波器：双击实验桌上示波器小图标弹出示波器的调节窗体，在示波器调节窗口上可以对示 波器进行调节、操作真实仪器和程序中仪器如图：图3示波器真实仪器 图4场景中的示波器图5实验中示波器调节界面功能及其用法介绍：1. 主机电源(9)电源开关(POWER)将电源开关按键弹出即为“关”位置，将电源接入，按电源开关，以接通电源仿真实验中使用方法：点击进行打开和关闭进行切换8)电源图标(2)辉度旋钮(INTENSITY)顺时针方向旋转旋钮，亮度增强接通电源之前将该旋钮逆时针方向旋转到底仿真实验中使用方法：单击左键或右键进行调节4)聚焦旋钮(FOCUS)用亮度控制钮将亮度调节至合适的标准，然后调节聚集控制钮直至轨迹达到最清晰 的程度，虽然调节亮度时聚集可自动调节，但聚集有时也会轻微变化如果出现这种情 况，需重新调节聚集仿真实验中使用方法：单击左键或右键进行调节5）光迹旋转旋钮（TRACE ROTATION）由于磁场的作用，当光迹在水平方向轻微倾斜时，该旋钮用于调节光迹与水平刻度 线平行。

45）显示屏仪器的测量显示终端数据（1）校准信号输出端子（CAL）提供1kHz±2%，4 VP-P + 2%方波作本机Y轴、X轴校准用2. 垂直方向部分（13） 通道 1输入端［CH1 INPUT （X）］该输入端用于垂直方向的输入在X-Y方式时输入端的信号成为X轴信号17）通道 2输入端［CH2 INPUT （Y）］和通道1 一样，但在X-Y方式时输入端的信号仍为Y轴信号11）、（12）、（16）、（18）交流一直流一接地耦合选择开关（AC—DC—GND）选择输入信号与垂直放大器的耦合方式交流（AC）:垂直输入端由电容器来耦合接地（GND）:放大器的输入端接地直流（DC）:垂直放大器的输入端与信号直接耦合仿真实验中使用方法：单击AC-DC按钮进行AC和DC方式切换，接地按钮按下为接 地，弹出为非接地10）、（15）衰减器开关（VOLTS/DIV）用于选择垂直偏转灵敏度的调节如果使用的是10： 1的探头，计算时将幅度X10仿真实验中使用方法：右键单击进行顺时针旋转，左键打击进行逆时针旋转14） 、（19）垂直微调旋钮（VARIBLE）垂直微调用于连续改变电压偏转灵敏度，此旋钮在正常情况下应位于顺时针方向旋 转到底的位置。

将旋钮逆时针方向旋转到底，垂直方向的灵敏度下降到2.5倍以下仿真实验中使用方法：右键单击进行顺时针旋转，左键打击进行逆时针旋转43）、（40）垂直移位（POSITION）调节光迹在屏幕中的垂直位置仿真实验中使用方法：右键单击进行顺时针旋转，左键打击进行逆时针旋转42）垂直方式工作开关选择垂直方向的工作方式通道1选择（CH1 ）：屏幕上仅显示CH1的信号通道2选择（CH2）:屏幕上仅显示CH2的信号双踪选择（DUAL）:同时按下CH1和CH2按钮，屏幕上会出现双踪并自动以断续或 交替方式同时显示CH1和CH2上的信号叠加（ADD）:显示CH1和如2输入电压的代数和仿真实验中使用方法：右键单击进行向上调节，左键单击进行向下调节39)CH2极性开关(INVERT):按此开关时CH2显示反相电压值仿真实验中使用方法：左键单击进行按下和弹出间切换3. 水平方向部分(20) 主扫描时间因数选择开关(A TIME/DIV)共20档，在0.1us/div〜0.5s/div范围选择扫描速率仿真实验中使用方法：右键单击进行顺时针旋转，左键打击进行逆时针旋转30) X-Y控制键如X-Y工作方式时，垂直偏转信号接入CH2输入端，水平偏转信号接入CH1输入端。

仿真实验中使用方法：左键单击进行按下和弹出间切换21) 扫描非校准状态开关键按入此键，扫描时基进入非校准调节状态，此时调节扫描微调有效24)扫描微调控制键(VARIBLE)此旋钮以顺时针方向旋转到底时处于校准位置，扫描由Time/Div开关指示该旋 钮逆时针方向旋转到底，扫描减慢2.5倍以上正常工作时，(21)键弹出，该旋钮无 效，即为校准状态仿真实验中使用方法：右键单击进行顺时针旋转，左键打击进行逆时针旋转35) 水平位移(POSITION)用于调节轨迹在水平方向移动顺时针方向旋转该旋钮向右移动光迹，逆时针方向 旋转向左移动光迹仿真实验中使用方法：右键单击进行顺时针旋转，左键打击进行逆时针旋转36) 扩展控制键(MAGX5)按下去时，扫描因数X5扩展，扫描时间是Time/Div开关指示数值的1/537) 延时扫描B时间系数选择开关(B TIME/DIV)共12档，在0.1us/div〜0.5ms/div范围选择B扫描速率41)水平工作方式选择(HORIZ DISPLAY)主扫描(A):按入此键主扫描单独工作，用于一般波形观察A加亮(A INT):选择A扫描的某区段扩展为延时扫描可用此扫描方式。

与A 扫描相对应的B扫描区段(被延时扫描)以高亮度显示被延时扫描(B):单独显示被延时扫描BB触发(B TRIG’ D)：选择连续延时扫描和触发延时扫描4. 触发系统(TRIGGER)(29)触发源选择开关(SOURCE):选择触发信号源通道1触发(CH1，X-Y)： CH1通道信号是触发信号，当工作方式在X-Y时，波动 开关应设置于此挡通道2触发(CH2)： CH2 上的输入信号是触发信号电源触发(LINE):电源频率成为触发信号外触发（EXT）:触发输入上的触发信号是外部信号，用于特殊信号的触发仿真实验中使用方法：右键单击进行向上调节，左键单击进行向下调节27） 交替触发（ALT TRIG）在双踪交替显示时，触发信号交替来自于两个Y通道，此方式可用于同时观察两路 不相关信号。