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实验八用拉脱发测定液体的表面张力系数1. 对公式，是要在水面与金属表面的接触角趋于0时满足的，即在金属框恰好脱离液体前。
公式中的重力是金属框和它所粘附的液体的总重量，但在公式中我们忽略了水对框架的浮力和水膜的重量。
2. “三线对齐”是因为朱利秤的下端是固定的，上端为自由端，因而我们在用朱利秤测量弹簧的伸长时也要固定弹簧的下端，这样才能在朱利秤上读到弹簧的伸长量。
“三线对齐”中的三线是指小镜子上的水平线和玻璃罐上的水平线以及玻璃罐上的水平线在小镜子里成的像。
实验十牛顿环干涉现象的研究和测量思考题1. 牛顿环实验中，假如平玻璃板上有微小的凸起，则凸起处空气薄膜厚度变小，这时的牛顿环是局部外凸的，因为在平玻璃板上的突起位置的空气薄膜厚度变小，此点的光程差也就变小，那么此级暗条纹的光程差都要比该点的大，因而该级暗条纹就会饶向外面一级的位置，这时表现出此暗条纹就要外凸。
2. 用白光照射时，我们是可以看到牛顿环干涉条纹的，而且是以赤橙黄绿蓝靛紫这样的顺序依次排列，只是在偏离中心位置越远，条纹级数之间会重叠越厉害。
实验十二迈克耳逊干涉仪数据处理参见P19的内容。
思考题1．图形见书P115。
2．所以条纹变密。
实验十三超声波在空气中传播速度的测定数据处理中相对误差的有效位数参见P19的内容。
思考题1. 因为在测量过程中，我们要想在两个换能器之间形成驻波，就一定要求S1发出的波和经S2发射的波是同频率，同振幅，而且是传播方向相反并在一条直线上，这就要求两个换能器的发射面要保持相互平行。
2. 略。
3. 用“逐差法”处理数据是为了更充分地，最大限度地利用所测得的数据，保持多次测量的优点，减少测量误差。
实验十四密立根油滴实验数据处理表格1中最后要求的量是表格中的量求了平均以后的值，比如量中的应该是对表格中的求5次测量的平均值。
而这其中的相对误差的表示参见P19。
思考题1. 选择平衡点压在250V左右，新仪器在12s-24s时间内匀速下降1.6mm的油滴（旧仪器在15s-30s时间内匀速下降2mm的油滴）的原因是在这个范围内的油滴体积不大，带的电量也不是很多，因而在下降时的速度不是很快，下降的时间就比较容易测准确，而且这样的油滴也不是很小，不会因为太小而作布朗运动。
关于光导纤维及光导纤维中光速测定的研究摘要：本文对光导纤维的传光原理进行了适度的剖析，同时对传光中遇到的一些问题，如特性参量，传光衰减做出了合理的解释与说明。
最后提出了一种采用方波调制信号，应用具有异或逻辑功能的门电路对光纤中的传光速度进行位移测量。
由这种电路组成的相位检测结构简单，工作可靠，相移电压特性稳定，固在光纤折射率n已知的情况下，利用这种方法还可以进行光纤长度的测定。
1关键词：光导纤维；传光；位移测量目录1引言 (1)2光导纤维传光基本原理 (1)2.1光导纤维及其特性参量 (1)2.2传光中的光强衰减 (2)3光导纤维传光原理及速度表达 (3)4光导纤维中光速的测定 (5)4.1测量原理 (5)4.2实验结果 (7)5小结 (7)致谢 (7)参考文献 (8)1引言1870年的一天，英国物理学家丁达尔尔到皇家学会的演讲厅讲光的全反射射原理，他做了一个简单的实验：在装满水的木桶上钻个孔，然后用灯从桶上边把水照亮。
结果使观众们大吃一惊。
人们看到，放光的水从水桶的小孔里流了出来，水流弯曲，光线也跟着弯曲，光居然被弯弯曲曲的水俘获了，人们还发现光可以沿着着弯曲的玻璃棒前进。
难道光线不再直线前进了吗？这些现象引起了丁达尔的注意，经过他的研究，发现这是全反射的作用，即光从水中射向空气，当入射角大于某一角度时，折射光线消失，全部光线都反射回水中。
表面上看，光好像在水流中弯曲前进。
后来人们造出一种透明度很高、粗细像蜘蛛丝一样的玻璃丝——玻璃纤维，当光线以合适的角度射入玻璃纤维时，光就沿着弯弯曲曲的玻璃纤维前进。
由于这种纤维能够用来传输光线，所以称它为光导纤维。
2光导纤维传光基本原理2.1光导纤维及其特性参量光导纤维俗称光纤，它主要利用光传播的全反射原理来达到光可以在某种介质中从一端传播到另一端的目的。
从图1可以直观的对光导纤维有一个了解，它是由两层构成，外层为低折射率材料（塑料或者玻璃），内层为高折射率材料（玻璃纤维）这样就在光导纤维中形成了良好的光学界面，当入射光线角度0i 合适，在光导纤维的内部就会发生连续多次的全反射，最终从光导纤维的另一端射出，并且射出光导纤维的角度和射入光导纤维的角度相同。
高中物理光导纤维实验一、课程目标知识目标：1. 理解光导纤维的基本原理，掌握光纤通信的要点；2. 学会使用实验仪器进行光导纤维的传导性能测试；3. 掌握光纤在传输过程中信号衰减的相关知识。
技能目标：1. 能够独立操作实验仪器，进行光导纤维的传导性能实验；2. 能够通过实验数据分析光纤传输的特性，提高实验报告撰写能力；3. 能够运用所学知识解决实际生活中的光纤通信问题。
情感态度价值观目标：1. 培养学生对物理学科的兴趣，激发他们探索未知领域的热情；2. 培养学生的团队合作意识，提高他们在实验过程中的沟通协作能力；3. 增强学生的环保意识，让他们认识到光纤通信技术在节能减排方面的优势。
本课程针对高中物理光导纤维实验，结合学生年级特点，注重理论与实践相结合，培养学生实验操作和问题解决能力。
通过本课程的学习，期望学生能够达到以上课程目标，为后续物理课程的学习打下坚实基础。
二、教学内容本课程教学内容主要包括以下三个方面：1. 光导纤维基本原理：- 光的全反射原理；- 光纤的结构与分类；- 光纤的传导性能特点。
2. 光导纤维实验操作：- 实验仪器的认识与使用；- 光导纤维传导性能测试；- 光纤传输信号衰减的测量。
3. 光纤通信应用与前景：- 光纤通信系统的基本组成；- 光纤通信在生活中的应用；- 光纤通信技术的未来发展前景。
教学内容依据课程目标，结合教材相关章节进行组织。
教学大纲安排如下：第一课时：光导纤维基本原理及实验仪器的认识与使用；第二课时：光导纤维传导性能测试及数据分析；第三课时：光纤传输信号衰减的测量及光纤通信应用与前景。
教学内容具有科学性和系统性，旨在帮助学生掌握光导纤维的基本知识，提高实验操作能力，并了解光纤通信在现代社会中的重要性。
三、教学方法针对高中物理光导纤维实验的课程特点，本章节采用以下多样化的教学方法，以激发学生的学习兴趣和主动性：1. 讲授法：教师通过生动的语言和形象的表达，讲解光导纤维的基本原理、光纤通信的要点以及实验操作注意事项。
基于双光导纤维延时法测量光速吴小娟;杨繁荣【摘要】介绍了利用光波在已知长度差的两段不同长度的光导纤维中传输时间延时差测量光速的基本原理。
时钟方波信号通过LED调制电路转变为光信号在一段光导纤维中传输,后经SPD再生电路重新转变为方波再生信号,将原始方波信号与再生方波信号同时输入示波器中测量延时τ1,采用相同的方法测量另一端光导纤维传输延时τ2,通过已知的长度差和延时计算出光导纤维中的光速VZ ,最终计算出光速c。
%It introduces the basic principles of measuring the velocity of light in two different lengths optical fi-bers. The square wave clock signal was transformed into light signal by LED circuit of modulation. SPD regen-erated circuit transformed the light signal to the regenerated signal after light signal transmission in optical fi-ber. The delay time τ1 was measured by the oscilloscope when putting both of the source and regenerated sig-nals in it. Using the same method could measure the other optical fiber’ s delay time τ2 . The light of velocit y could be calculated by formula.【期刊名称】《大学物理实验》【年(卷),期】2014(000)005【总页数】3页(P6-8)【关键词】光导纤维;光速测定;延时【作者】吴小娟;杨繁荣【作者单位】中国民用航空飞行学院，四川广汉618307;中国民用航空飞行学院，四川广汉 618307【正文语种】中文【中图分类】O431光速是自然界的基本常数，准确测定光在不同介质中的传播速度，特别是在真空中的传播速度，是光学乃至整个物理学的重要课题。
实验30 光速测定从16世纪伽利略第一次尝试测量光速以来,各个时期人们都采用最先进的技术来测量光速.现在,光在一定时间中走过的距离已经成为一切长度测量的单位标准,即“米的长度等于真空中光在1/299792458秒的时间间隔中所传播的距离.”光速也已直接用于距离测量,在国民经济建设和国防事业上大显身手,光的速度又与天文学密切相关,光速还是物理学中一个重要的基本常数,许多其它常数都与它相关,例如光谱学中的里德堡常数,电子学中真空磁导率与真空电导率之间的关系,普朗克黑体辐射公式中的第一辐射常数,第二辐射常数,质子、中子、电子、μ子等基本粒子的质量等常数都与光速C 相关。
正因为如此，巨大的魅力把科学工作者牢牢地吸引到这个课题上来，几十年如一日，兢兢业业地埋头于提高光速测量精度的事业。
【实验目的】1．了解调制光法测量光速的原理。
2．学习使用示波器测量同频正弦信号位相差的方法。
3．测量光在空气中的速度。
【实验原理】1、利用波长和频率测速度物理学告诉我们，任何波的波长是一个周期内波传播的距离。
波的频率是1秒种内发生了多少次周期振动，用波长乘频率得1秒钟内波传播的距离，即波速f c ⋅=λ (1)图6.14中，第1列波在1秒内经历3个周期，第2列波在1秒内经历1个周期，在1秒内二列传播相同距离，所以波速相同，仅仅第2列波的波长是第1列的3倍。
利用这种方法，很容易测得声波的传播速度。
但直接用来测量光波的传播速度，还存在很多技术上的困难，主要是光的频率高达HZ 1410，目前的光电接收器中无法响应频率如此高的光强变化，迄今仅能响应频率在HZ 810左右的光强变化并产生相应的光电流。
2、利用调制波波长和频率测速度如果直接测量河中水流的速度有困难，可以采用一种方法，周期性地向河中投放小木块)(f ，再设法测量出相邻两小木块间的距离)(λ，侧依据公式（1）即可算出水流的速度来。
周期性地向河中投放小木块，为的是在水流上作一特殊标记。
光导纤维中光速的测定【目的要求】1.学习光纤中光速测定的基本原理2.了解数字信号电光/光电变换及再生原理3.熟悉数字相位检测器原理、特性测试方法4.掌握光纤光速测定系统的调试技术【仪器设备】1．OFE—A型光纤传输及光电技术综合实验仪一套2．双迹示波器一台【实验原理】光纤中光速的测定是一个十分有趣的实验，通过这一实验能使学生亲身感受到光在介质中传播的真实物理过程和深刻了解介质折射率的物理意义。
在通常的光纤光速测量系统中，对被测光波均采用正弦信号对光强进行调制。
在此情况下，为了测出调制光信号通过一定长度光纤后引起的相位差，必须采用较为复杂的由模拟乘法电路及低通滤波器组成的相位检测器，这种相位检测电路的输出电压不仅与两路输入信号的相位差有关，而且也与两路输入信号幅值有关。
这里提出一种采用方波调制信号，应用具有异或逻辑功能的门电路进行相差测量的巧妙方法。
由这种电路所组成的相位检测器结构简单、工作可靠、相位——电压特性稳定。
在光纤折射率n1已知（或近似为1.5）的情况下，利用这种方法还可测定光纤长度。
一、光纤传光原理及光在光纤中的速度光导纤维的结构如图1示，它由纤芯和包层两部分组成，纤芯半径为α，折射率为n1（p），包层的外半径为b，折射率为n2，且n1(p)> n2。
从物理光学的角度考虑，光波实际上是一种振荡频率很高的电磁波，当光波在光导纤维中传播时，光导纤维就起着一种光波导的作用。
应用电磁场理论中Ｅ矢量和H矢量应遵从的麦克士威尔方程及它们在芯纤和包层面处应满足的边界条件可知：在光导纤维中主要存在着两大类电磁场形态。
一类是沿光纤横载面呈驻波状，而沿光导纤维轴线方向为行波的电磁场形态，这种形态的电磁场其能量沿横向不会辐射，只沿轴线方向传播，故称这类电磁场形态为传导模式；另一类电磁场形态其能量在轴线方向传播的同时沿横向方向也有辐射，这类电磁场形态称为辐射模。
利用光导纤维来传输光信息时就是依靠光纤中的传导模式。
随着光导纤维芯径α的增加，光导纤维中允许存在的传导模式的数量也会增多，纤芯中存在多个传导模式的光纤称为多模光纤；当光纤芯径小到某一程度后，纤芯中只允许称为基模的一种电磁场形态存在，这种光纤就称为单模光纤。
目前光纤通讯系统上使用的多模光纤纤芯直径为50μm ，包层外径为125μm 。
单模光纤的芯径为5～10μm 围，包层外径也为125μm 。
在纤芯围折射率不随径向坐标ρ变化，即n 1（p ）= n 1=常数的光纤，称为阶跃型光纤，否则称渐变型光纤。
对于上述各种光纤的传光原理及传光性能的详尽理论分析见文献[1]。
当一束由光导纤维的入射端耦合到光导纤维部之后，会在光纤同时激励起传导模式和辐射模式，但经过一段传输距离，辐射模的电磁场能量沿横向方向辐射尽后，只剩下传导模式沿光纤轴线方向继续传播，在传播过程中只会因光导纤维纤芯材料的杂质和密度不均引起的吸收损耗和散射损耗外，不会有辐射损耗。
目前的制造工艺能使光导纤维的吸收和散射损耗做到很小的程度，所以传导模式的电磁场能在光纤中传输很远的距离。
根据理论分析，光导纤维中光速的表达式可近似为：1n c V z其中C 是光波在自由空间中的传播速度.二、光导纤维中光速的实验测定1、测试原理 图2是测定光导纤维中光速的实验装置的方框结构图，图中各部分的功能分别是：时钟信号源：由高电平“1”和低电平“0”构成的周期信号；LED ：发光二极管，把电信号转换为光信号；光纤：只能传输光信号；SPD ：光电二极管，把光信号转换为电信号，可制作成光功率计；再生电路：把光电二极管转换出的电信号还原为与时钟信号源同周期的时钟信号，本实验通过调节“再生调节”旋钮实现；检测仪器包括示波器和相位检测器，示波器：观察再生信号的波形，与“再生调节”旋钮配合，使再生信号与时钟信号源的时钟信号同周期；测量这两种信号的延时；相位检测器：配合示波器使用，当由示波器观察到再生信号与时钟信号源的时钟信号同周期时，测量两信号的相位差，用以更精确计算延时；图2 测定光导纤维中光速实验装置的方框图在该图中由调制信号源提供的周期为 T ，占空比为50%的方波时钟信号对半导体发光二极管LED 的发光光强进行调制，调制后的光信号经光导纤维、光电检测器件和信号再生电路再次变换成一个周期为T 、占空比为50%的方波序列，但这一方波序列相对于调制信号源输出的原始方波序列有一定的延时，这一延时包括了LED 驱动与调制电路和光电转换及信号再生电路引起的延时，也含有我们要测定的调制光信号在给定长度光纤中所经历的时间在。
实验中采用“双光纤比较法”。
即：保持电路状态不变，分别测出信号通过1λ、2λ的延时1τ、2τ，则有：2121ττ--=λλz V2、相差测量方法 如果把再生信号和作为参考信号的原始调制信号接到一个具有异或逻辑功能的逻辑电路的两个输入端，则在0～π的相移所对应的延时围（即0～T/2），该电路的输出波形就是一个周期为T/2，但脉宽与以上两路信号的相对延时成正比的方脉冲序列（如图3示），这一脉冲序列的直流分量的电平值就与以上两路输入信号的相对延时成正变关系。
用示波器可观察到异或门输出的占空比随延时变化的方脉冲序列，用直流电压表可以测出这一方脉冲的直流分量的电平值。
图3 相位检测器原理图利用异或逻辑电路所组成的相位检测电路的相移——电压特性曲线如图4V L 是两输入信号相差为2n π、延时为nT （n=0，1，2……）时相位检测器输出的低电平值，V H 是两输入信号相差为（2n+1）π、延时为（2n+1）T/2（n=0，1，2……）时相位检测器输出的高电平值，在0～π的相移围由异或门组成的相位检测电路输出的方脉冲序列的直流分量的电平值 与两输入信号之间的关系为：πϕL H L V V V V --=∆对应的延时关系)2(T V V V V L h L --=∆τ 其中△t 为两路信号的相对延时，T 为调制信号的周期，可用示波器测得。
利用（4）式我们就可根据由以上测量系统所获得的实验数据计算出调制光信号在光导纤维中传输时所经历的时间。
在具体测量时，先用一长度为L 1的长光纤接入测量系统，测得相位检测器输出的直流分量 的电平值为V 1 ，然后用长度L 2的短光纤代替长光纤，并在保持测量系统电路参数不变（也即保证两种测量状态下，由于电路方面因素引起的延时一样）的状态下，测得相位检测电路输出的直流分量的电平值为V 2 ，则调制信号在（L 1—L 2）长度的光纤中传播时所经历的时间就等于：221T V V V V t L h •--=对应的传播速度为： )()()(2212121V V T V V L L t L L V L h z ---=-=3、调制信号的光电转换及再生 由传输光纤输出的数字式光信号在接收端经过硅光电二极管SPD 和再生电路（如图5示）把光信号变换成数字式电信号。
图5示电路的工作原理如下：当数字传输系统处於空闲状态时，传输光纤中无光，硅光电二极管无光电流流过，这时只要R C 和R b2的阻值适当，晶体管BG2就有足够大的基极电流I b 注入，使BG2处于深度饱和状态，因此它的集电极和发射极之间的电压极低，既使经过后面的放大电路高倍放大后也会使反相器IC2的输出电压维持在高电平状态，满足了集成芯片8251A 数据接收端RxD 在空闭状态时图5调制信号的光电转换及再生应为高电平的要求。
当系统进行数据传输时，对于8251芯片为异步传输工作方式情形，所传数据流的结构是由起始位（S）、被传数据（D0～D7）、偶校验位（C）和终止位（E）等共11位码元组成，第一位是起始位，为低电平、偶校验位C的电平状态与被传数据D0～D7中的“1”电平个数的奇偶数有关，奇数时，该位为高电平，偶数时为低电平、终止位E为高电平。
当传输“0”码元时，发送端的LED发光，光电二极管有光电流I3产生，它是从SPD的负极流向正极，对BG2的基极电流具拉电流作用，使BG2的基极电流减小。
由于SPD结电容、其出脚联接线的线间电容以及BG2基——射极间杂散电容的存在（在图5中用C a表示以上三种电容的总效应），使得BG2基极电流的这一减小过程不是突变的，而是按某一时间常数的指数规律变化。
随着BG2基极电流的减小，BG2逐渐脱离深度饱和状态，向浅饱和状态和放大区过渡，其集电极——发射极间的电压V ce也开始按指数规律逐渐上升，由于后面的放大器放大倍数很高，故还未等到V ce上升到其渐近值，放大器输出电压就达到使反相器IC2状态翻转的电压值，这时IC2输出端（即8251A的数据接收端）为低电平。
在下一个“1”码元到来时，接收端的SPD无光电流，BG2的基极电流I b又按指数规律逐渐增加，因而使BG2原本按指数规律上升的V ce在达到某一值时就停止上升，并在以后按指数规律下降，V ce下降到某一值后，IC2由低电平翻转成高电平。
适当调节发送端LED的工作电流（即改变LED发光时的光强）和接收端SPD无光照射时BG2饱和深度间的配匹状况，既使在被传数据流中“1”码和“0”码随机组合的情况下，也能使光电检测和再生电路输出的数字信号的码元宽度（即持续时间）与发送端所发送的数字信号的码元宽度相等或相差在无误码判决所允许的围。
有关数字信号光电检测和再生电路更为详尽的理论分析见参考文献[5]。
【实验步骤】1、用“示波器法”测定光速（1）光功率/电压指示开关向上，小数点置十位；（2）短接“时钟信号”和“调制输入D”；（3）光纤信道输入端的LED“接入光源器件的数字信号调制及驱动电路”中LED的插孔；（4）光纤信道输出端的SPD接入“数字信号的光电转换与再生调节电路”中的SPD插孔；（5）双迹示波器的CH1通道接“调制输入D”；CH2通道接“再生输出”插孔；同步触发源选择CH1；（6）把“光电转换与再生电路”中的SPD切换开关向左；（7）分别接入长为L1、L2的长、短光纤，比较P1、P2的大小；（8）接入光功率小的光纤（假如为L1），调W2使P=25uw（如P的最大值小于25，则调到最大）；（9）调SPD切换向右，观察并比较CH1 CH2两通道波形，CH1的波形为占空比为50%，周期为16us的方波；（10）调“再生调节”旋钮，使CH2的波形也是一个占空比50%，具有同一周期的方波，读出并记录CH2相对CH1的延迟时间在示波器上的长度1D ；（11） 保持W2和“再生调节”不变，接入光功率大的光纤（L2），调节L2与SPD 的耦合光功率使CH2的波形达到占空比为50%，测CH2相对CH1的延迟时间在示波器上的长度2D ；（12）计算光纤中光速：62121212110)(2-⨯--=--=D D L L L L V Zττ ， 写出不确定度标准式。
