用CCD测试系统验证马吕斯定律实验

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" 硅光电池#电流计装置与 $$% 测试系统 的比较
硅光电池0电流计装置主要是依据硅光电池受 光照射后，在其电极上产生电势差，通过微安电流表
显示电流值来验证马吕斯定律，因此它所测量的物
理量是电流表中显示的电流值，而不是光强!"这种 采用间接 测 量 电 流 值 的 大 小 来 反 映 光 强 变 化 的 方
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图*
表"
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变!个偏振片的夹角! 来改变光强!，从而观测主 极大峰值的变化，得出各夹角! 与不同的主极大峰 值! 的一一对应关系，从而得到起偏器与检偏器的 夹角! 与相对光强! 的关系，以验证!4!*563!!"
!"& 实验方法 #）操作方法 ! 调准直"光线与光具座的准直，标志物在光
具座上平移时，激光应打在标志物的同一点上，视偏
的光强分布曲线，可将其应用于微小量测量，从而获 得很高的测量精度［#］,本文利用计算机系统代替硅 光电池，在计算机系统中采用 ../及相关软件直接 测量光强，通过电脑显示出相对光强，既直观准确，
又可以大大提高实验的精度,
硅光电池是用半导体材料硅制成的光电探测 器，受光照以后，在半导体材料的收光面与背光面之 间的电极上产生电势差，若将灵敏电流计与硅光电 池连接，则在回路中产生光电流，从灵敏电流计上可 显示光电流值的大小，根据马吕斯定律［%］
法，其测量精确度将受到两方面的影响：&）硅光电 池的漏电流和背景杂散光等干扰；!）入射到硅光电 池上的光强稍有变化，就会造成电流计指针左右摆
动，难以读数，从而影响测量精确度"而用 112 测试 系统，它测量的物理量是直接接收到的光强! 值， 不存在漏电流问题，另外背景杂散光及入射光强的
微小变化对 112接收光强也无影响，因为从图+中 可以看到，112 接收的 光 强 是 衍 射 条 纹 的 主 极 大 光 强! 值，不受上述干扰"
第!#卷第%"期 !""&年%"月
大学物理 .044G)G 6HIJK.J
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用 !!" 测试系统验证马吕斯定律实验
尹真
（赣南师范学院 物理与电子信息科学系，江西 赣州 -#%"""）
引证文献(8条)
1.尹真.陈丽萍.廖志伟.陈皓滢.郑倩瑛 用CCD测量布儒斯特角实验的研究[期刊论文]-赣南师范学院学报 2009(3) 2.尹真.谢良星.黄明亮.朱尚炎.罗婷 用CCD测量凸透镜焦距实验的研究[期刊论文]-宜春学院学报 2008(4) 3.尹真.易烈玉.吴文婷.王燕针 用分光计测定双棱镜楔角和折射率[期刊论文]-赣南师范学院学报 2008(3) 4.张飞刚.蔡建乐.胡树基 用光强分布测试仪验证马吕斯定律实验研究[期刊论文]-实验室研究与探索 2008(1) 5.田宁军.吴君毅.于国萍 偏振光强自动检测系统软硬件的设计和研究[期刊论文]-测控技术 2007(11) 6.王形华.申洪.谢本亮.尹真.刘孟连 高等师范院校光学课程现代化建设的几点设想[期刊论文]-上饶师范学院学报
!8!"79:!! !"是激光器 4发出的光强，! 是起偏器 5%与检偏器 5!之间的夹角,实验时改变 5%与 5!之间的夹角，从 灵敏电流计上读出相对应的值来，就可验证马吕斯 定律,在上述实验中，硅光电池测光强法验证马吕斯 定律是采用间接测量电流值的大小来反映光强的变 化，由于受到电流表灵敏度及光电转换过程的影响， 这种方法的精确度往往较低，加之电流计指针左右 摆动，难以读数，更加大了其误差,目前，计算机等现 代化教学手段已广泛应用于教学、实验中，许多传统 的实验装置被改造［!］，尤其是随着光电子技术的发 展，涌现出很多特 种 光 电 器 件,../（7;<=>?79@AB? C?DE7?:）电荷耦合器即为一种新型光电器件，由于它
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大学物理
第!*卷
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两者吻合得较好，见表!"
表!
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要的，因为这存在一个异交点，即为各夹角! 与不 同的主极大峰值! 一一对应的点，调到这一点就可 消去因衍射产生的次极大和散光产生的“光刺”的影
响，从而得到只是这个交点上的主极大的光强!,当 改变偏振片夹角! 时，屏幕上显示的相对光强的峰 值也随之上下变化，如果没有可调单缝，次极大所产
生的“光刺”光强有时也较大，计算机从 ../表面接
度"而 112测试系统对偏转角度发生(/，甚至小于 (/的变化的测定都是准确的"
根据文献［*］可知 112 系统具有线性好、光谱 响应范围宽、几何结构稳定、工作可靠等优点，因此
用 112 系统测 量，可 使 实 验 测 试 手 段 有 较 大 改 善， 测量精确度有较大提高"
参考文献：
［&］ 杨述武"普通物理实验［3］"北京：高等教育出版社， !)))"&!*"&+)"
移情况调整激光器；感光器件（$$%）面应与激光束 垂直，调整感光器件（$$%）使激光经 $$% 面的反射 光与原光束重合"
" 调整好光路后，使起偏器与检偏器平行，即 透过的光强不削弱，调节中性灰使计算机上显示的
光强主极大恰好不失真" # 从显示的曲线图上可以看到，除主峰外还有
较多的“光刺”，而在验证!4!*563!! 关系时，只需 知道主极大的相对光强! 随偏振片夹角! 的变化关 系，于是我们在实验中把单缝的缝面调整到与 $$% 接收器的接收面垂直"它们有一个交点，这样便得到 该交点的相对光强!，而消去了“光刺”的影响"当改 变偏振片夹角! 时，这个相对光强的峰值! 也随之 上下变化"
［!］ 傅绍银，王明东"大学物理实验［3］"北京：军谊出版 社，!)))".,"-&"
［+］ 庞长富等"112摄像机用于测量中存在的问题及解决 方法［4］"光学技术，&’’.（!）：(","
［*］ 王庆有"112 应用技术［3］"天津：天津大学出版社， !)))"&!-"&!’"
&’()**+,-).,/0/1$$%,0.’(2)+34’+)5(6*(7,8(0.
图)
在测量界面上每隔#3，计算机在“衍射条纹相 对光强分布图”及“衍射条纹”图上，报告 $$% 表面 接收到的光信号情况"按屏幕上的提示调节光路，并 观察屏幕上的波形图，直到屏幕上显示的衍射花样 对称、清晰"在调节过程中，往往会因光强过大而使 观测到的波形出现严重失真，因此要求实验者仔细 调节偏振万片方组数或据中性灰，使光强适中"实验时通过改
摘要：指出通过硅光电池测电流验证马吕斯定律这一传统实验手段的不足之处，提出使用 ../测试系统进行光强度的测
量，给出用 ../测试系统验证马吕斯定律的方法,
关键词：马吕斯定律；硅光电池；../测试系统
中图分类号：0#--
文献标识码，1
文章编号%"""2"3%!（!""&）%"2""-!2"-
光学实验中，对光的偏振现象的观测是重要的 内容，因而马吕斯定律实验是必做实验之一,在已往 验证马吕斯定律实验中是利用硅光电池进行实验， 实验仪器装置如图%所示,
# 实验部分
#$# 实验仪器 实验仪器装置由 ../驱动器、采集卡、计算机、
激光器、偏振片!片、中性灰%片、扩束器%个、凸透 镜%面、可调单缝%个组成，如图!所示,
图!中可调单缝起着准确接收主极大光强! 的 作用,根据马 吕 斯 定 律，一 束 强 度 为 !" 的 线 偏 振 光 通过检偏器后的强度为!，这束光再通过扩束器、凸 透镜，经过可调单缝进入 ../ 接收器,把可调单缝 的透光方向调整到与接收器的感光线隙垂直是较重
收稿日期：!""#$%!$"%；修回日期：!""&$"#$!’
基金项目：万江方西省数教据育厅教学改革研究基金资助项目（"#()"*"+）
作者简介：尹真（ %*&’—），男，江西赣州人，赣南师范学院物理与电子信息科学系副教授，主要从事物理教学研究,
第#*期
尹 真：用 $$%测试系统验证马吕斯定律实验
4：激光器；5%：起偏器；5!：检偏器； 67：硅光电池；)：灵敏电流计
图%
具有尺寸小，重量轻，功耗小，噪声低，动态范围大，
线性好，光谱响应范围宽，几何结构稳定，工作可靠
等优点，因而在物体外形测量、表面检测、图像传感 等方面得到了广泛的应用［-］,近些年来，../ 器件 正越来越多地被应用于光学测量,为了加深对光的 波动性的理解，得到由光的反射或衍射产生的直观
另一方面，当用硅光电池0电流计装置做实验 时，当起偏器与检偏器透光方向相互垂直时，为消光
状态，这时微安电流表中的指针指向零，当起偏器与
检偏器透光方向角度变化时，将有光照射在硅光电
池上，角度增大时，光照射在硅光电池上的强度也增
大，这时微安电流表中的指针指向也增大，即电流值
增大，由于硅光电池0电流计测试系统存在上述Leabharlann Baidu 缺陷，当偏转角度小于&)/时，实验产生的电流值有 时会反而 减 小，这 与 理 论 相 矛 盾，也 影 响 测 量 精 确
))
图!
收到的光信号就会有次极大“光刺”光强产生的不准 确的数据，从而影响实验结果" !"# $$%系统的使用方法
#）硬件连接 ! 将插卡（$$% 数据采集卡）插入计算机中的 &’( 总线插槽（本插卡占用地址为)**+）" " 同轴电缆线两端,-$插头分别连接到插卡 和 $$%驱动器上，插卡上共有.个 ,-$插头，本实 验用第一个（即离 /0.1插座最远的一个）" # 将 /0.1电缆的一端插头插入插卡的 /0.1 插座中，另一端为外接端子台（有2个端子），其#、! 两脚分别与一个带有航空插头（该航空插头与 $$% 相连）的信号线的红线与黑线相接" $ 在光具座上的合适位置固 定 好 $$% 驱 动 器，使其能接收到透射单缝的激光束" !）软件使用 该实验软件系统包括：主界面、数据输入界面、 测量界面、测量结果界面和实验报告界面五部分，图 )为测量界面"
用CCD测试系统验证马吕斯定律实验
作者： 作者单位： 刊名：
英文刊名： 年，卷(期)： 被引用次数：
尹真， YIN Zhen 赣南师范学院,物理与电子信息科学系,江西,赣州,341000
大学物理 COLLEGE PHYSICS 2005,24(10) 8次
参考文献(4条) 1.杨述武 普通物理实验 2000 2.傅绍银.王明东 大学物理实验 2000 3.庞长富 CCD摄像机用于测量中存在的问题及解决方法 1996(02) 4.王庆有 CCD应用技术 2000
$ 在!4*时开始测量，从坐标网格上读出相 对光强! 的峰值!*，然后测出!417，#*7，…，8*7时 对应的! 值"
!）用 $$%验证马吕斯定律的数据记录及处理 表#中的! 值分 别 为!417，#*7，…，8*7时 从 $$%采集的光强峰值，对应的563!! 值也列在表# 中"把563!! 值作为横坐标，从 $$% 采集的光强峰 值! 作为纵坐标，描点作出图.，即为实验所得的结 果"根据马吕斯定律!4!*563!!，式中!*应为!4* 时从坐标网格上读出的相对光强值，从表#中可知 !*48"1"将!* 值代入马吕斯定律中，可算出!417， #*7，…，8*7时! 的理论值，与实验值对比可以看出，