试论光学放大方法 毕业论文(设计).doc

毕业论文（设计） 论文题目：试论光学放大方法 学生姓名： 学 号： 100601022 所在院系：物理与电子信息系 专业名称：物理学 届 别：2014 届 指导教师： 目目 录录 前言 1 1 光放大方法的一般原理 2 1.1 仪器设备.2 1.2 实验原理图 3 2 卡文迪许万有引力实验有名的光放大方法的实验 4 2.1 实验仪器 4 2.2 实验的内容 4 2.3 实验的结果与分析 4 3 现代最新的使用光放大方法的仪器 .5 3.1 仪器介绍 .5 3.2 实验原理.6 4 其他运用到光放大方法的实验 .7 4.1 光杠杆放大 .7 4.2 光学装置放大 .7 4.3 利用光的直线传播的放大方法 .8 参考文献： .10 淮南师范学院 2014 届本科毕业论文 1 光的放大方法 摘 要: 物理实验中有许多物理量不容易观察到。有一物理些实验，由于测量工具、反 应时间等原因，有许多物理量不容易观察到或无法准确判定或测量。对此应想方设法 将实验所产生的现象、效果放大，以促进研究者深入探究、揭示规律。这就应在物理 实验中引入物理量的放大方法。本文介绍了光的放大方法的原理，以及试验中需要注意 的地方，介绍了光放大原理在卡文迪许的扭秤实验和扫描探针显微镜中的使用。 关键词: 实验；物理量；放大方法；光放大；扫描探针显微镜；万有引力实验 optical amplification method student: lujun(faculty adviser：lihuii) (department of college physical electronic information ,huainan normal university) abstract: there are many physical physics experiments are not easily observed. some have a physical experiment, the measurement tool, and the reaction time and other reasons, there are many physical not easily observed or measured or can not be accurately determined. this phenomenon should find ways to be generated by the experiment, the effect of amplification in order to promote the researchers delve into, reveal the law. this amplification method of physical quantities should be introduced in physics experiments. this paper introduces the principle of light amplification methods, as well as test areas that need attention, and introduced the principle of the use of optical amplification in cavendishs torsion balance experiment and scanning probe microscopes in. keywords: experiment; physical; amplification method; optical zoom; scanning probe microscopy; gravitational experiments 前言 物理学是一门以实验为基础的科学.物理学的规律和方法是许多自然科学部门和生 试论光学放大方法 2 产技术的基础。每一个物理实验都会有自身的一套方法来测定相关的物理量，研究物 理现象,离不开物理量的测量,而一些微小量的测量,则往往比较困难,这就需要我们采取 各种巧妙的设计,对微小量进行放大.教学仪器的灵敏度和演示实验的可见度,也对放大手 段提出要求。因此,剖析放大方法中的巧妙构思,揭示其内在规律性.。此课题对各种物理 量的放大法的分类、应用进行探讨，使物理量的放大法有利于物理工作者对科学方法 的应用，有利于学生对科学方法的掌握。在各种实验中研究物理现象，都离不开物理 量的测量，然而我们想测得一些微小量，则往往比较困难，这就需要我们采取各种巧 妙的设计，对微小量进行放大。为了提高教学仪器的灵敏度和演示实验的可见度，也 要对放大的手段提出要求。所以放大方法在物理实验中得到了广泛的应用。本文则主 要讲述了光的放大方法的原理和使用的仪器以及著名的实验卡文迪许万有引力实 验 1 光的放大方法的一般原理 在历史和现代的测量仪器中，光放大方法作为测量微小位移的方法得到了广泛的应用， 就比如物理学史上非常著名的卡文迪许测量万有引力常数的实验,以及在现代其中由扫 描隧道显微镜为代表的扫描探针显微技术.在现在的大学物理实验中,光放大方法是学 生需要掌握的基本测微方法之一,很多实验中都必须用到这些方法，如在拉伸法测杨氏 弹性模量实验、光点式灵敏电流计以及固体线膨胀系数等测量实验中多处用到.然而作 为一种基本测微技术,很多学生却没有对其充分重视.本文则通过介绍对这一测微技术 的原理和具体应用方法,让大家可以对光放大方法这个传统的实验思想是为什么能在历 史和当代最先进的显微仪器中都能得到重要应用的原因,可以有一个比较完整的认识. 1.1 仪器设备 光放大测量微小位移的方法其实就是利用位移前后造成与形变物体相连的平面镜对光 线的反射角度的变化来放大位移信号实现测量的。物理学史上非常有名的卡文迪许验 证万有引力的实验，现代以扫描隧道显微镜为代表的扫描探针显微技术都巧妙的运用 了光放大方法的原理制成的仪器。 1.21.2 实验原理图实验原理图 淮南师范学院 2014 届本科毕业论文 3 图一 微小线位移测量 图二 微小角位移测量 注释：1图 1 是利用光杠杆法测杨氏弹性模量实验(微小线位移测量)的光放大实验原 理图 , 2图 2 为光点式灵敏电流计用光放大(微小角位移测量)的实验原理图. 试论光学放大方法 4 2 物理学事上著名的使用光放大的实验卡文迪许万有引力实验 2.1 实验仪器 在 1750 年，卡文迪许就开始进行对两物体之间的万有引力作用的实验室测定实验. 他因为受到约翰米歇尔研究磁力所采用方法的启示,所以在试验中，他将 1 根细长杆 的两端各安 1 个小铅球,做成哑铃形状的物体,然后再用 1 根石英丝把“哑铃”由中间 横吊起来,同时用 2 个想对大一些的铅球分别移近 2 个小铅球.根据万有引力的规律,在 万有引力的作用下“哑铃”一定会发生移动,与此同时连接着“哑铃”的石英丝就会随 之扭动.然后根据实验测出石英丝扭转的角度,用数学公式即可算出引力的大小，从而 进一步得到万有引力常数（g）. 2.22.2 实验内容实验内容 不过,石英丝的扭动角度非常小,不可能由直接观测得到数据.在 1798 年他终于发明了 一种放大扭动的方法他将 1 面小镜子固定在石英丝上,然后用 1 束光照射,光线被小 镜子反射在 1 根刻度尺上,即使石英丝的微小的扭动,反射光在刻度尺上都会明显地将数 据显现出来.卡文迪许将这套实验装置命名为“扭秤”实验装置，卡文迪许利用这一套 实验装置首次在实验室中验证了万有引力定律并且求出万有引力常数（g）.在实验中， 他所使用的放大方法就是微小角位移测量的光放大方法. 2.3 实验的结果和分析 该实验的重点以及难处就是在于在实验中可以读出实验中的石英丝的微小扭动的角 度，所以“扭秤实验”使用了光放大方法，入射光线，反射光线，与光屏上成像两点 连线，一起构成了一个等腰三角形，反射点到光屏的距离可以测出来，光屏上反射光 线与入射光线两点之间的距离也可以测出来，再利用初中就学过的几何知识就可以计 算出反射光线与法线的夹角，这也就是扭秤的偏转角度。 3 现代物理实验中最新的使用光方大方法的实验仪器 3.1 仪器介绍 扫描探针显微镜是指 80 年代后期出现的用于从原子尺度到微米尺度研究材料表面 性质的一类仪器.扫描探针显微技术家族中含有至少不下 20 种的各类显微仪器.扫描探 针显微镜如图 3 所示 淮南师范学院 2014 届本科毕业论文 5 图三 扫描探针显微镜的一般原理图 3.2 实验原理 在扫描探针显微技术中,样品和探针的表面非常接近的时候(nm 量级),因为探针针尖 与样品表面间具有力的相互作用从而导致微悬臂发生弯曲形变,其中形变的大小实际上 就已经包含了待测样品表面测试点的信息.如果在保持探针横高的条件之下,让探针在 样品的表面扫描,同时记录下在不同测试点上微悬臂的形变大小的数据,根据这个提取 出样品的表面性质的信息.在这个过程中间最重要是要从微悬臂探针和样品表面的相互 作用过程中提取出有关样品表面的形貌和一些例如表面弹性、粘性、微摩擦等性能的 信息.对大多数测力型的扫描探针显微镜来讲(比如原子力显微镜、摩檫力显微镜等), 用于监测微悬臂探针和样品表面相互作用的方法称为光放大方法,即光杠杆原理,如图 4 所示. 试论光学放大方法 6 图 4 光束反射法探测位移原理图 在图 4 中,光束由激光器打出然后打在微悬臂的前端的背面上,并经过前端背面的反 射到达位敏光学探测器上.当悬臂弯曲的时候,反射激光束打在位敏光学探测器上的位置 会发生移动,位敏光学探测器本身能够分辨出最小为 1nm 的光斑位移.由于悬臂和探测器 间路程与悬臂本身的长度(100200lm)之比产生光学放大作用(光杠杆).所以,此系统能 够测量到悬臂探针在垂直方向上的 10-20nm 量级的位置变化.通过这种方式可以在扫描 状态下对在样品表面上各扫描点处得到的信号进行处理,提取出有关样品表面形貌和其 它各种微观信息. 其中 f 仅为秤臂的弹性回复力,所以要必须保证 f 中无重力(重力的分力).所以必须将 惯性秤水平放置(x,y 在水平面上),且秤臂在 z 方向没有发生形变.惯性秤平面竖直放置 (x,y 在竖直平面上,且 y 轴水平),如图 5(a)所示, 淮南师范学院 2014 届本科毕业论文 7 图 5 惯性秤竖直放置 考查所测的周期是否有什么变化时.此时惯性秤在竖直方向上振动,回复力应为弹力 与重力的合力,如图 6 所示. 图 6 受力情况 这个时候重力影响在竖直方向上的可等效为 1 个劲度系数为 k 的弹簧,其附加位移为 xg,所以受力情况 f=-k(xk-xg)即惯性秤上的物体仍然在作简谐振动,其回复力系数仍是 弹簧的劲度系数,故周期不变化，惯性秤平面竖直放置(x,y 在竖直平面上,且 y 轴竖直), 如图 5(b)所示,考查其周期是否有变化.不考虑重力的影响时,回复力为 f0=-kx 此时重力的影响可近似的看成单摆.当物体位移为 x 时,摆角为 h,由于摆角 h 很小,所以 fg=-mgsinh-mgh=-kgx 总的回复力为 f=f0+fg-(k+kg)x 试论光学放大方法 8 因为回复力的系数大于秤臂的回复力系数,所以周期变小. 4 其他运用到光放大方法的实验 4.14.1 光杠杆放大 测量微小长度和微小角度变化的光杠杆镜尺法，是一种使用光学装置将待测微小 物理量进行间接放大的方法，它是一种物理实验中常用的光学放大法。光杠杆测量原 理如图 7 所示。它是由一面装在一个金属三脚架上的平面镜构成的，配合望远镜尺组 来测量变化极其微小的长度。 图 7 使用的时候，将光杠杆的两个前脚放在一个固定的位置，后脚放在被测量的那个 点上，使镜面垂直于地面，望远镜尺组放在镜面的正前方，当物体为原长的时候，由 望远镜中就可以看清楚标尺 zo 点在小镜中的反射的像，当后脚向下降落一个位移面 l 的时候，镜面 m 便转动一个角度，这个时候在望远镜中所观察到的像就会由 l0点变 为 l1点，设若镜面 m 与标尺间的距离为 d，则根据反射定律可知： （4.11） d l tg l tg 2, 在式子中间，可由标尺上读出，因为材料的形变量很小，相应 角就 01 lll 会也很小，所以有 tg22，tg，因此，所以有： （4.12） d l l 2 当式子满足时，就可以很容易的看出来，小位移 l 被放大成dll， 能观测的大位移z，其作用像杠杆的作用一样，所以光杠杆的方法是一种放大的方法。 由此可见，放大方法在光学中得到了大量的应用，一定要值得注意的是,放大法只 是改变了微弱信号产生的效应,而并非是微弱信号本身的大小。 4.2 光学装置放大 淮南师范学院 2014 届本科毕业论文 9 一种是使被测物通过光学装置放大视角而形成放大的像，从而便于观察判别，然 后可以提高测量精度。常见到的例如放大镜、显微镜、望远镜等。 4.3 利用光的直线传播的放大方法 我们都知道，光在均匀的介质中是沿着直线传播的,人们根据光的这一特点,可将 它与一些机械结合起来然后设计出光杠杆。如图 8 甲所示,将两只普通的激光笔 j1、j2 固定在一铁支架 p 上,铁支架上装有一个开关 s,底部有三个尖脚 c1、c2、c3。其原理 如图 8 乙所示,当光杠杆的后尖脚 c1在竖直方向上降低一个微小高度 时,它将以两个 前尖脚 c2、c3的连线为轴转动 角,因此角较小,故有: （4.31） d x d 其放大倍数为: （4.32） d dx m 图 8 这里采用的是两个光点而不是用一个光点去测量,是因为普通的激光笔所发射的激 光并不是十分严格的平行光,它仍然会有一定程度的发散,且距离光屏越远,在屏上形成 的光斑就越大,相距 10 m 的时候光斑直径就可以达到 1 cm,这样,人们就难以确定光斑 的中心,实验的精确性也很差,所以采用了两个光点。如图 8 所示,过这两个光点的连接 线均会通过标尺上的一点,因此可大大地提高实验的精确度。若适当增大光点与屏间距 离 d、增大两个光点之间的距离都可以进一步提高实验的精确度。例如，应用光杠杆 观察物体产生的微小形变。 用夹子夹住激光笔按图 9 所示的方式放置在桌面上,激光笔发出的光会照射在竖直 墙壁 p 上形成一个光斑 a,当用力压桌面时,桌子发生微小形变,由于夹子的杠杆作用, 光线偏转在墙壁上的光斑上就会移至 b 处,中间会出现较大的移动距离 ab,且夹子离 竖直墙壁越远实验效果越明显。这一演示装置与教材中的装置相比,具有简单方便、原 理简洁的优点,体现了演示实验宜简不宜繁的原则。 试论光学放大方法 10 图 8 图 9 正是由于光学放大法具有稳定性好,受环境的干扰小的特点,它被广泛地应用到各 个科技领域。而且正是因为这个方法的出现，使得原本一些微小的物理量和一些难以 测的量都能测的出来，大大的推进的物理学的进步，更是推动了现代科学文明的进步！ 参考文献： 1普通物理实验（一二三） ；杨述武；高等教育出版社；1997 2安东、刘炳升.中学物理实验教学研究.北京:高教出版社.2000：62-63 3扬述武.普通物理实验,第 3 版,高等教育出版社,2000：55-57 4周克省,赵新闻,胡照文.大学物理实验教程.长沙:中南大学出版社, 2001 5贾玉润,王公治.大学物理实验.上海.复旦大学出版社，1987 6张兆奎等大学物理实验.高等教育出版社,1995：4-6 7李寿松.物理实验教程m.北京:高等教育出版社,2000：7-8 8王廷兴,郭山河,文立军.大学物理实验(上册) m.北京:高等教育出版社, 2003：26- 28 9杨述武.普通物理实验m.北京:高等教育出版社,2004. 10远景仪器.杨氏模量的测量实验指导书m.湖南:株洲远景新技术研究所, 1989：6-10 11王瑞旦，宋善炎.物理方法论m，中南大学出版社，2002.11：5-6. 12张宪魁.物理科学方法教育m，青岛海洋大学出版社，2000.25：235-240 13张宪魁.物理科学方法教育m，青岛海洋大学出版社, 2000.32：125-127 14孟昭辉，费金有.物理学的科学方法教育探讨z.课程教材教法，2004，254(12)： 25-29 15梁昆森著.力学的教与学参考m南京大学出版社: 1994， （01）：128-129 16 a. emeline, g. v. kataeva, a. s. litke et al, langmuir 14 (1998) 5011. 17 e. d. r. cruz, l. a. d. torres, p. salas et al, optic. mater. 19 (2002) 195 淮南师范学院 2014 届本科毕业论文 11 18 a. j. cohen, phys. rev. 105 (1957) 1151 19 v. garino-canina, comptes rendus 242 (1956) 1982 附录 物理学是一门以实验为基础的科学.物理学的规律和方法是许多自然科学部门和生 产技术的基础。每一个物理实验都会有自身的一套方法来测定相关的物理量，研究物 理现象,离不开物理量的测量,而一些微小量的测量,则往往比较困难,这就需要我们采取 各种巧妙的设计,对微小量进行放大.教学仪器的灵敏度和演示实验的可见度,也对放大手 段提出要求。因此,剖析放大方法中的巧妙构思,揭示其内在规律性.。 此课题注重对光放大法的分类、应用进行探讨，使光的放