周菊林,梅孝安,李 蓓

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院,長沙410128;2.湖南理工學(xué)院 物理與電子學(xué)院,湖南 岳陽 414006)

PASCO系統(tǒng)是一個物理實驗的綜合平臺,它通過力熱電光方面的傳感器采集測量數(shù)據(jù),再通過計算機(jī)軟件進(jìn)行過程監(jiān)控和數(shù)據(jù)處理,形成實時測量的圖表或曲線,尤其是可以實時測量一些瞬態(tài)變化的物理量,以便實時監(jiān)控[1].PASCO系統(tǒng)主要由傳感器、數(shù)據(jù)采集接口、數(shù)據(jù)采集軟件三部分組成.光傳感器用來測量白天光的相對強(qiáng)度,轉(zhuǎn)動傳感器測出光所在位置,系統(tǒng)能測出干涉光、衍射光及偏振光的光強(qiáng)與位置之間的關(guān)系曲線圖[2,3].

1 實驗裝置和測量結(jié)果

1.1 雙縫干涉

通過單縫的一束光線,經(jīng)雙縫形成一對相干光,互相疊加產(chǎn)生干涉現(xiàn)象.根據(jù)公式

其中d是雙縫間距,λ是單色光波長,k為條紋級數(shù).L為零級明條紋到k級明條紋間的距離,D是狹縫到屏的距離,則dL=kλ D.實驗裝置圖如圖1，原理圖見圖2，實驗光源為激光. D = 1 10mm ,d = 0 .04mm 時測量曲線見圖3，計算結(jié)果見表1.

圖1 雙縫干涉實驗裝置圖

圖2 雙縫干涉實驗原理圖

圖3 雙縫干涉實驗位置與光強(qiáng)曲線圖(實驗光源為激光)

表1 雙縫干涉實驗波長的計算

1.2 光柵衍射實驗

光柵是由等寬度、等間距和排列平行的多個狹縫組成,如下圖所示,G為光柵,其光柵常量為d,S為光源,位于透鏡L1的物方焦平面上,從L1射出的平行光垂直入射到光柵G上,這樣與光柵法線成θ角的平行光線經(jīng)透鏡L2后將會聚于像方焦平面上的Pθ點.產(chǎn)生衍射亮條紋條件即光柵方程為

其中θ為衍射角,λ為待測光波的波長,k為光譜級數(shù).實驗裝置見圖4、原理圖見圖5，測量曲線見圖6.

圖4 光柵衍射實驗裝置圖

圖5 光柵衍射實驗原理圖

圖6 光柵衍射實驗角位置與光強(qiáng)曲線圖(實驗光源為汞燈)

表2 光柵衍射實驗計算表(光源為汞燈)

1.3 光的偏振實驗(光源為激光)

光的偏振實驗結(jié)果見圖7.

圖7 光的偏振實驗角位置與光強(qiáng)曲線圖

2 結(jié)果分析及應(yīng)用研究

在雙縫干涉實驗中由于光傳感器感受到的1、2級干涉光強(qiáng)太弱,導(dǎo)致取點不是很精準(zhǔn),所以根據(jù)1、2級光強(qiáng)位置算出的激光波長相差較大,但平均值偏離真值較小.在光柵衍射實驗中調(diào)出的衍射光譜線雖有一定的寬度,但測出的衍射角較精準(zhǔn),計算出的相對誤差較小.在光的偏振實驗中可以清楚看出相鄰兩次光強(qiáng)最大和最小相差181°,與理論值的180°相比,誤差很小,吻合良好.

在實際生活中,光傳感器的應(yīng)用非常普遍,從樓道里的聲光感應(yīng)開關(guān)、家用的光控自動開閉的小夜燈,到數(shù)碼產(chǎn)品上的廣泛應(yīng)用.這些應(yīng)用有的是利用檢測到的反射光強(qiáng)來進(jìn)行感應(yīng),例如條形碼的掃描、自動聚焦顯微鏡以及辦公用的激光打印機(jī).另一些便攜式電子產(chǎn)品如日常用的數(shù)碼相機(jī)、手提電腦和手機(jī)等則是利用光傳感器來測量環(huán)境光量[5],如利用手提電腦中光傳感器感應(yīng)到的環(huán)境光強(qiáng)來自動調(diào)整電腦屏幕的背光,使用戶能達(dá)到看著舒適的目的,而背光的舒適范圍則取決于室內(nèi)的光線強(qiáng)度,室內(nèi)光強(qiáng)越強(qiáng)則屏幕的亮度要隨之增加,而在室內(nèi)光線較暗的條件下,屏幕的亮度則也要隨之減小,這樣才能達(dá)到看著舒服的目的.另一個普遍應(yīng)用則是手機(jī)中的環(huán)境光強(qiáng)感應(yīng),在手機(jī)應(yīng)用中電量顯得非常重要,每節(jié)約一毫安,電池的壽命和客戶的滿意度都會隨之增加,隨著手機(jī)的日益普及,電池節(jié)能也越來越受到關(guān)注,利用光傳感器來適當(dāng)調(diào)節(jié)手機(jī)屏幕的背光強(qiáng)度能大大提高手機(jī)的使用時間,統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明電池的壽命延長至少 6倍以上.隨著生活質(zhì)量的不斷提高,越來越多的照明系統(tǒng)也采用了光傳感器,利用智能照明控制系統(tǒng)實現(xiàn)對多個照明設(shè)備進(jìn)行分區(qū)域控制以便營造更舒適的照明環(huán)境[6],同時還能達(dá)到節(jié)電節(jié)能、提高光源的使用壽命、保護(hù)環(huán)境等目的.隨著數(shù)字電路的普遍應(yīng)用,光傳感器將越來越廣泛地用來改善人們的生活.

[1] 劉 艷.基于于PASCO平臺的聲光衍射法測定液體中的聲速[J].科技資訊,2010,23:38～40

[2] 金 立,史建君,張曉波,等.基于PASCO系統(tǒng)的分光計實驗[J].實驗室研究與探索,2010,11:267～269

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[4] 楊述武.普通物理實驗(三、光學(xué)部分)[M].北京:高等教育出版社,2005:214～222

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