近代物理实验简介

光镊实验姓名：xxx 班级：21级xxxxxx实验班学号：xxxxxxxxxx 一、实验目的：（1）了解光的力学效应；（2）了解共焦实验光路的原理和搭建要求；（3）掌握微颗粒的光学捕获技巧，准备含2μｍ或５μｍ的SiO2 微粒的微纳样品腔，并通过显微镜及显示器成像，观测其中SiO2微粒的布朗运动。

（4）掌握光镊力的计算。

二、实验原理：1.光镊基础原理：（1）光具有波粒二象性，因此其既具有能量也具有（内禀）角动量与线动量，以此其可以与粒子碰撞，发生散射，由此通过光束可以对粒子进行力的相互作用，这也是光镊的基础之一。

（2）光阱力的构成：梯度力：来自介质当中，具有电偶极矩的小球在非均匀电磁场当中由于电磁场两点间存在梯度差，因此粒子会受到梯度力作用，这将使粒子朝向光功率密度最大，即场强最大的点运动。

散射力：光在与介质中的粒子发生散射时，粒子与光子碰撞获得动量，这会产生冲量具有力的相互作用使粒子朝向光传播的方向运动。

图1.几何光学机制下光阱力的受力分析原理图（微粒远大于波长）几何光学机制：对于直径远大于激光波长的米氏散射粒子来说，光镊的势阱原理可以用几何光学理论来解释，如图1.所示，（a）中微粒使得光发生散射，同时反冲力使微粒向焦点运动，其他两个同理，由此可以通过控制光束焦点位置来控制微粒的前后左右移动以实现对粒子的操控。

若颗粒在横向方向（垂直于光轴方向）偏离中心位置，也会受到一个指向光束中心的作用力，使微粒趋向激光光束焦点处。

该作用力与光阱效率、激光功率成正比。

如图2.所示，当一束强高斯激光汇聚到一个透明微粒处，若周围介质的折射率效应微粒的折射率，微粒都会被激光束所产生的梯度力推向具有最强光场强度，即焦点处；同时微粒与光相互作用时，微粒还会受到散射力的作用，当散射力与梯度力平衡时，微粒即可被稳定捕获。

图2.单光阱光镊原理图2．光镊系统的组成光镊实验系统通常由激光光源、激光扩束滤波光路、光镊移动控制环节、位移检测部分和传统的光学显微镜等组成。

近代物理实验教学大纲课程名称：近物实验英文名称： modern physical experiment面向专业：物理学（分类号）实验学时：4学时（单次）实验指导书：自编讲义一、实验的地位、作用和目的：近代物理实验是继普通物理实验和电子技术类实验之后为物理学专业高年级学生开设的一门综合性较强的独立实验课程，它所涉及的物理知识面广，具有较强的技术性和综合性。

它在培养学生的物理思想，独立工作能力，以及如何用实验方法研究物理现象与规律，掌握近代物理学发展领域中出现的新现象，新概念等方面起重要作用。

结合我系现有的实际条件与学生实际水平，配合与量子力学发展密切关系的原子物理学课程选择了几个物理实验，在近代物理发展的一些重要领域如光学、半导体物理、电子学及新的实验技术等方面也选择了几个实验，通过对该门课程的学习，意在提高学生的工作能力和扩大学生的视野，培养学生科学严谨的工作素质和作风，以及利用实验手段研究物理现象与规律的能力。

二、实验方式：近物实验目前现有的仪器设备按项目分最多为6套，大多数实验项目仅有2套仪器设备或3套仪器设备，依据我系现有的仪器设备实际情况和该门课程特点，加上有些实验本身需要分工协作，考虑培养学生团队意识，制定以下实验方式。

1、2人一组，协作配合进行实验，为使学生能有充足的时间进行实验，并深刻体验实验的原理及过程，完成实验项目规定内容，每次至少不低于4学时。

2、按教学大纲内容依据循序渐近原则，实验项目由易到难，由简到繁。

3、大纲列出的十六个实验项目，其中必做实验项目10个，选做3个，演示项目2个，研究项目1个。

4、教学过程中依据具体实验内容及特点，可适当介绍讲解历史上物理学家感人的事迹史料，激励学生学习近物实验的兴趣以及培养学生不畏艰难困苦的精神。

5、教师讲解实验难点和注意事项，通过提问方式引导学生深入思考与实验现象相关的问题，培养学生观察问题、分析问题、解决问题的能力。

三、实验基本要求：1、教师必须认真备课并准备好实验所需的各类实验仪器设备及低值易耗材料，讲授实验必要的理论原理、仪器特性、操作规程，安全注意事项等，并在整个实验过程中耐心对学生进行辅导、答疑，使学生能按时、按质、按量正常完成实验。

一、实验名称：光纤通讯实验二、实验目的：1. 了解光纤的基本原理和特性；2. 掌握光纤耦合效率的测量方法；3. 探究光纤数值孔径对通信系统性能的影响；4. 分析光纤通信在实际应用中的优势。

三、实验原理：光纤是一种利用光的全反射原理传输光信号的介质。

本实验通过测量光纤耦合效率、数值孔径等参数，分析光纤通信系统的性能。

四、实验仪器：1. 光纤耦合器；2. 光功率计；3. 光纤测试平台；4. 光纤光源；5. 光纤跳线。

五、实验步骤：1. 将光纤光源连接到光纤耦合器的一端，将光纤跳线连接到另一端；2. 将光纤耦合器连接到光纤测试平台上；3. 使用光功率计测量光源输出光功率；4. 将光纤跳线连接到光纤测试平台上的光纤耦合器另一端，测量输入光功率；5. 计算光纤耦合效率；6. 改变光纤跳线的长度，重复步骤4和5，分析数值孔径对通信系统性能的影响。

六、实验结果与分析：1. 光纤耦合效率：根据实验数据，计算得到光纤耦合效率为95.3%。

说明本实验所使用的光纤耦合器性能良好，能够有效地将光信号传输到另一端。

2. 数值孔径：通过改变光纤跳线长度，观察光纤耦合效率的变化。

当光纤跳线长度较短时，耦合效率较高；当光纤跳线长度较长时，耦合效率逐渐降低。

这表明光纤数值孔径对通信系统性能有较大影响。

3. 光纤通信优势：与传统的铜缆通信相比，光纤通信具有以下优势：a. 抗干扰能力强：光纤通信不受电磁干扰，信号传输稳定可靠；b. 传输速度快：光纤通信的传输速度可以达到数十Gbps，满足高速数据传输需求；c. 通信容量大：光纤通信具有较大的通信容量，可满足大量用户同时通信的需求；d. 通信距离远：光纤通信可以实现长距离传输，满足远距离通信需求。

七、实验总结：通过本次光纤通讯实验，我们了解了光纤的基本原理和特性，掌握了光纤耦合效率的测量方法，分析了数值孔径对通信系统性能的影响。

同时，我们也认识到光纤通信在实际应用中的优势，为今后从事相关领域的研究和工作奠定了基础。

密立根油滴实验（大学近代物理实验）课件密立根油滴实验是一项著名的实验，它为量子力学基本理论——波粒二象性提供了直接的实验证据。

本文将详细介绍密立根油滴实验。

1. 实验原理密立根油滴实验是利用静电力的平衡，测量微小电荷量的一种方法。

实验的原理基于卡文迪什双缝实验和万斯–司夫散射理论。

在实验中，一束光通过狭缝后，照射在滴在空气中自由下落的油滴上。

光电效应使得油滴带负电荷，它将静电场中受到的力平衡与其重力，保持静止。

通过测量电场的大小和重力，可以计算出电荷量。

2. 实验过程实验要求低噪声、低振动、恒温和高真空度。

实验中需要用到以下工具：（1）密立根油滴仪：一种特殊的装置，用于在高真空中让油滴自由下落，并在油滴上加一定电荷。

（2）高压电源：提供高压电场以使油滴带电。

（3）显微镜：测量油滴的直径和下落速度。

（4）电荷量和大小测量仪：用于测量油滴带的电荷大小和重力大小，以便计算电荷量。

在实验中，油滴首先会被加上电荷，由于电荷的大小是难以测量的，所以首先需要通过观察油滴带电的行为来推断电荷的大小。

在实验中，当油滴在高压电场中带电时，它会上下运动，因为静电力和重力平衡，而且同时呈现出电性的特征。

通过测量油滴不同高度的下落速度，可以确定静电力和重力的大小。

这是推算出油滴电荷量的关键步骤。

3. 实验结果密立根油滴实验的结果表明，电荷的量子化实际上是一种相当精确的现象，从而揭示了电荷本质上是离散的。

实验还表明，电荷具有一个单元，该单元称为元电荷（e），其值约为1.602 × 10^-19 coulombs。

这个结果对当前的物理理论有很大的影响，它支持了量子力学的基本假设——光子具有波粒二象性并存在能量量子化的现象。

4. 实验应用密立根油滴实验的研究成果对现代电子学、电路设计、材料科学和生物医学等领域也有着广泛的应用。

通过它们可以研究物质、电子和其他粒子的行为，为制造更小、更快的电子器件和发展更高效的材料提供基础。

近代物理实验在原子物理教学中的贡献
近代物理实验是原子物理教学的重要组成部分，通过实验可以加深学生对原子结构和
性质的理解，培养学生的动手能力和科学精神。

本文将介绍几个近代物理实验在原子物理
教学中的贡献，包括光电效应实验、康普顿散射实验和薛定谔方程实验，希望能够突出实
验在原子物理教学中的重要作用。

光电效应实验是近代物理实验中的经典实验之一，它对原子物理教学有着重要的贡献。

光电效应实验的基本原理是当一束光照射到金属表面时，金属表面上的电子会被光子击出
金属表面，形成电子流。

通过这个实验可以很好地说明光子的波粒二象性，加深学生对光
的波动性和微粒性的理解。

通过观察不同颜色和强度的光对电子的击出情况，还可以验证
光子能量与光子颜色和强度的关系，探讨原子的能级结构和激发态的存在。

这些内容都是
原子物理教学的重要部分，而光电效应实验可以生动形象地进行展示，让学生更好地理解
原子物理的基本概念。

薛定谔方程实验是近代物理实验中的又一重要实验，它对原子物理教学也有着重要的
贡献。

薛定谔方程是描述微观粒子波函数演化的方程，通过薛定谔方程实验可以直观地展
示粒子的波动性和粒子的位置动量不确定性原理。

通过这个实验，学生可以更加清晰地理
解粒子的波动行为和波函数的物理意义，也可以更好地理解量子力学的基本原理。

薛定谔
方程实验还可以帮助学生理解原子中电子的波函数和能级结构，以及证明波函数模方的物
理意义和概率解释。

通过薛定谔方程实验，学生可以更深入地了解原子的微观世界，并且
培养量子力学的基本思维方式，为进一步学习量子力学和原子物理打下坚实基础。

近代物理实验——空间滤波专业：应用物理学学号：3110831023班级：应物111学生：李婉珍指导教师：屈光辉空间滤波摘要：空间滤波（spatial filtering）是基于阿贝成象原理的一种光学信息处理方法，它采用滤波处理来增强影像。

这样做的目的是改善影像质量，包括去除高频噪声与干扰，及影像边缘增强、线性增强以及去模糊等。

本文我先介绍一下空间滤波的发展，然后介绍下空间滤波实验最后写些自己认为可以的应用情况。

关键词：空间滤波图像处理实验技术应用1、综述自六十年代激光出现以来，光学的重要发展之一是将数学中的傅里叶变换和通讯中的线性系统理论引入光学，形成了一个新的光学分支——傅里叶光学。

傅里叶光学的数学基础是傅里叶变换，它的物理基础是光的衍射理论。

现代光学的一个主要部分为光信号处理，阿贝成像原理和阿贝波特开创了光信号处理的先河，在历史上有着重要的地位。

由于光的衍射，图像夫琅禾费衍射分布，即图像的空间频率分布与图像的空间分布规律不同，这使得在频谱面上对其进行处理可获得一些特殊的图像处理效果。

光学信号处理的历史可以一直追溯到125年前阿贝所做的研究工作。

Zernike在1935年发明了相衬显微镜，它对光学信息处理做出了举足轻重的贡献。

1960年，Proter用一系列实验阐明了阿贝的理论。

同年，Cutrona等明确提出用透镜进行傅里叶变化的方案，从而傅里叶变换就可以用透镜简单地实现这一技术的特点，除了构成傅里叶谱以外，还在与系统中可以串联使用。

2、空间滤波实验简介2.1阿贝成像理论阿贝研究显微镜成像时，提出了一种不同于几何光学的新观点，即将物像看成是不同空间频率的集会，在相干光照明下，显微镜物镜的成像过程分两步完成，第一步是入射光经物平面发生夫琅禾费衍射，衍射光在物镜后焦面上形成一系列的衍射斑(初级衍射图或称频谱图)；第二步是各种衍射斑作为新的次波源向前发出球面次波，在像面上干涉叠加，形成目镜焦面上的像。

近代物理实验（2）
课程代码：83030120
课程名称：近代物理实验(2)
英文名称：Modern Physics Experiment (2)
学分：1.5 开课学期：第10学期
授课对象：应用物理学本科学生
课程主任：孙大鹏，助教，理学硕士。

课程简介：
近代物理实验是一门具有多种学科、多种技术交叉的特点的现代综合性实验课，主要包括的知识范围为：微电子、材料物理、现代光学等，这些知识在当今科学中占有重要的地位，具有很强的应用性。

通过实验，使学生掌握近代物理主要的实验技术、方法与以及现代高新技术，了解物理在现代科技中应用的广泛性，验证理论知识并与实践相结合，拓宽其知识范围。

课程考核：
课程最终成绩=实验课堂表现*30％+实验报告成绩*70％。

实验课堂表现成绩由实验操作情况和分析探索情况决定。

实验报告成绩取决于数据处理和误差分析。

指定教材：
吕英波，杨田林、丛伟艳、李延辉．《近代物理实验讲义(2)》．威海：山东大学威海分校校内印刷，2004.
参考书目：
蔡履中, 王成彦, 周玉芳. 《光学》. 济南：山东大学出版社2002. 夏海瑞等.《近代物理实验讲义》.济南：山东大学校内印刷，2004. 国克喜.《实验光学》.济南：山东大学出版社.2003.。

法拉第效应一、引言1845年英国物理学家法拉第发现原本没有旋光性的铅玻璃在磁场中出现了旋光性，这种磁致旋光现象即法拉第效应。

随后费尔德的研究发现法拉第效应普遍存在于固体、液体、和气体中，只是大部分物质的法拉第效应很弱。

法拉第效应只是磁光效应中的一种。

磁光效应是描述在磁场的作用下，具有固有磁矩的介质中传播的光气无力性质发生变化的现象，比如光的频率，偏振面，相位等性质发生了变化。

法拉第效应的应用领域极其广泛，可用于物质结构的研究、光谱学和电工测量等领域。

此外利用法拉第效应原理制成的各种可快速控制激光参数的元器件也已广泛地应用于激光雷达、激光测距、激光陀螺、光纤通信中。

本实验的目的是通过实验理解法拉第效应的本质，掌握测量旋光角的基本方法，学会计算费尔德常数。

二、实验原理法拉第效应就是，当线偏振光穿过介质时，若在介质中加一平行于光的传播方向的磁场，则光的振动面将发生旋转，振动面转过的角度称为法拉第效应旋光角。

实验发现θ＝VBL （1）其中θ为法拉第效应旋光角，L 为介质的厚度,B 为平行与光传播方向的磁感强度分量,V 称为费尔德常数，它由材料本身的性质和工作波长决定的，表征物质的磁光特性。

一般约定，当光的旋转方向与产生磁场的电流的方向一致时，称法拉第旋转是左旋，V>0;反之则叫右旋,V<0。

法拉第效应与自然旋光不同在于：法拉第效应对于给定的物质，偏振面的旋转方向只由磁场的方向决定而与光的传播方向无关，光线往返一周，旋光角将倍增，这叫做法拉第效应的“旋光非互易性”。

而自然旋光过程是可逆的。

1、法拉第效应原理的菲涅尔唯象理论一束平面偏振光可以分解为两个不同频率等振幅的左旋和右旋圆偏振光。

在没有外加磁场时，介质对它们具有相同的折射率和传播速度，他们通过距离为 的介质后，他们产生的相位移相同，不发生偏转。

当有外磁场时，由于磁场使物质的光学性质改变，两束光具有不同的折射率和传播速度，产生不同的相位移：2L L n l πϕλ=（2）2R R n l πϕλ=（3）其中，L ϕ、R ϕ分别为左旋、右旋圆偏振光的相位，L n 、R n 分别为其折射率，λ为真空中的波长。

《近代物理实验》教学大纲课程名称：近代物理实验英文名称：Modern Physics Experiments课程编号：33111306学时/学分：72/2.5适用专业：应用物理专业本科生编写人：樊志琴审核人：焦万堂实验指导书：《近代物理实验》，河南工业大学内部教材，樊志琴主编。

一、课程的性质、目的及任务近代物理实验是继普通物理实验之后的一门综合性实验课程，它覆盖了原子物理、核探测技术、激光、光电子学与光信息处理、X射线和电子衍射、光谱学、微波技术、电子技术、真空物理、低温物理等整个物理学科，除此之外，它还包括近代的实验方法及应用广泛的实验技术。

因此，近代物理实验是培养学生“动手能力、适应新技术能力、创造性思维能力”的一门重要的综合基础课程。

近代物理实验大部分是物理学史中非常著名的实验，它们对于人类深入认识自然界起过至关重要的作用。

通过实验能培养学生认真求实的工作作风，使他们对客观世界理解更趋深化，帮助学生对微观世界建立一个全新的物理概念。

提高他们的物理思维和动手能力。

加深对近代物理理论的了解，为学生以后的工作打下坚实基础。

二、主要设备及器材配置WPZ_ⅡB型塞曼效应试验仪；MOD-5BC型密立根油滴仪；GD-5型普朗克常数实验仪；脉冲核磁共振实验仪；夫兰克--赫兹实验仪；WF-3型金属逸出功测定仪；X射线装置；组合式多功能光栅光谱仪；光纤信息及光通信实验仪等。

三、实验基本要求1）培养学生在实验过程中发现问题、分析问题和解决问题的能力。

2）学习近代物理主要领域中的一些基本实验思想、观察实验现象、正确测量、处理实验数据以及分析和总结实验结果等方面的能力。

3）培养实事求是、踏实细致、严肃认真的科学态度、良好的实验素质和习惯。

4）培养学生的创新意识、创造精神和坚韧不拔的工作作风。

5) 课前熟读讲义。

四、实验项目与内容提要实验项目分必做和选做，必做部分为52学时，为每次必做内容，剩下20学时在34学时的选做实验中选择，共计72学时。

近代物理实验讲义南阳师范学院物理与电子工程学院物理教研组编写目录实验一 密立根油滴实验……………………………………………………………2 实验二 夫兰克—赫兹实验…………………………………………………………10 实验三 塞曼效应……………………………………………………………………15 实验四 普朗克常数的测定…………………………………………………………24 实验五 核磁共振……………………………………………………………………31 实验六 验证快速电子的动量与动能的相对论关系………………………………37 实验七 单能电子物质阻止本领⎪⎭⎫ ⎝⎛dx dE ρ1和半吸收厚度的测定.....................46 实验八 γ射线的吸收与物质吸收系数μ的测定.......................................50 实验九 电子自旋共振实验 (53)实验一 密立根油滴实验美国物理学家密立根历时七年之久，通过测量微小油滴所带的电荷，不仅证明了电荷的不连续性，即所有的电荷都是基本电荷e 的整数倍，而且测得了基本电荷的准确值。

电荷e 是一个基本物理量，它的测定还为从实验上测定电子质量、普朗克常数等其他物理量提供了可能性，密立根因此获得了1923年的诺贝尔物理学奖。

实验目的验证电荷的不连续性，测定电子的电荷值e 。

实验原理用油滴法测量电子的电荷有两种方法，即平衡测量法和动态测量法，分述如下：图1：油滴在两平行极板之间静止1. 平衡测量法用喷雾器将油滴喷入两块相距为d 的水平放置的平行极板之间。

油滴在喷射时由于摩擦，一般都是带电的。

设油滴的质量为m ，所带电量为q ，两极板之间的电压为V ，则油滴在平行极板之间同时受两个力的作用，一个是重力mg ，另一个是静电力。

如果调节两极板之间的电压V ，可使两力相互抵消而达到平衡，如图1所示。

这时有dv q mg （1） 为了测出油滴所带的电量q ，除了需测定V 和d 外，还需测量油滴的质量m 。

近代物理实验【实验名称】法拉第效应【实验目的】1.了解磁光效应现象和法拉第效应的机理。

2.测量磁致旋光角，验证法拉第—费尔德定律θ=VBL 。

3.法拉第效应与自然旋光的区别。

4.了解磁光调制原理。

【实验仪器】1、光源系统：白炽灯光源，单色仪，聚光灯筒，起偏镜；2、磁场系统：电磁铁，激磁电源，高斯计；3、样品介质系统：样品介质，样品盒；4、旋光角监测系统：检偏测角仪，光电倍增管，直流复射式检流计，高压电源；【实验原理】介质因外加磁场而改变其光学性质的现象称之为磁光效应。

其中，光通过处于磁场中的物质时偏振面发生旋转的效应较为重要，我们称这种偏振面的磁致旋转效应为法拉第效应。

它与克尔效应一起揭示了光的电磁本质，是光的电磁理论的实验基础。

法拉第在寻找磁与光现象的联系时首先发现了线偏振光在通过处于磁场当中的各向同性介质时其偏振面发生旋转的现象。

在磁场不是非常强时，偏振面的旋转角度 与介质的长度及磁感应强度在光的传播方向上的分量B 成正比BlV =θ （1）比例系数V 成为维尔德（Verdet ）常数，它取决于光的波长和色散关系，一般物质的维尔德常数比较小，表1给出了几种材料的维尔德常数V 。

法拉第效应与自然旋光不同。

在法拉第效应中对于给定的物质，光矢量的旋转方向只由磁场的方向决定，而与光的传播方向无关，即当光线经样品物质往返一周时，旋光角将倍增。

线偏振光可看作两个相反偏振量σ+和σ –的圆偏振光的相干叠加，从原子物理知识可知，磁场将使原子中的振荡电荷产生旋进运动，旋进的频率等于拉莫尔频率，即ωL =B me ⋅,这里e 和m 分别为振荡粒子的电荷和质量，B为磁场强度。

线偏振光的σ+和σ –分量有不同的旋进频率，分别为L ωω- 和L ωω+，相应的折射率n+和n-，相速度v+和v- 都不同，而在光学行为中是等效的，偏振面旋转角由下述等式得到，旋转角由光通过的材料长度l 决定,即l cn n ⋅-=-+2)(ωθ （2）上式中，c 为光速，ω为入射光的频率，上式的推导较为简单，是建立在经典电磁理论的基础之上。