复旦大学：《设计性研究性物理实验》教师论文_用激光显示李萨如图形

物理实验第23卷第8期 用激光显示李萨如图形 童培雄赵在忠刘贵兴 (复旦大学物理系上海20043) 摘要介绍用电磁打点计时器通过激光显示李萨如图形的简单方法 关键词李萨如图形激光电磁打点计时器 中图分类号O321文献标识码A 文章编号:1005-4642(2003)08-0038-02 Dem on stra ting L issa jou f igure by la ser TONG Perx ing ZHAO Zaizhong L U Guixin ( epartm ent of Phy sics, Fudan U niversity, Shanghai, 200433 Abstract U sing electrom agnetic shooting po int tm ers, a smp le m ethod of demonstrating L issa jou figure by laser is in troduced Key words L issa pu figure; laser; elect rom agnetic shoo ting po int tmer 1引言 断变化.振动片一端不断被上、下磁极片吸引、 排斥,形成振动振动频率与线圈中的低频信号 李萨如图形通常用电振荡信号合成,而不的频率相同.当低频信号频率与振动片的固有 是用机械振动合成·用机械振动合成仪演示李频率相接近时,振动片的振幅最大 萨如图形的屏幕较小,并且都采用电动机驱动 的方法改用锯条振动,并利用光杠杆放大作用 线图 通过激光照射在屏上的方法演示李萨如图形 振动片 可供很多人观看,演示效果好·但锯条振动要 接线柱 用手拨动,锯条振动为阻尼振动,衰减较快.笔 者用低频信号发生器或自制振荡器驱动电磁打 固定板 打点针 点计时器(以下简称打点器)的振动片振动,驱 动的低频信号频率在小范围内可调.李萨如图 电磁打点计时器示意图 形通过激光照射在远处屏上,屏上的李萨如图 把2个电磁打点计时器的振动片相互垂直 形(2个振动)的相位差与振幅都很稳定 放置,拿去振动片上的打点针,在原位置贴上小 镜片,当2个振动片振动频率成整数比时,激光 2实验装置 分别经2个振动上镜片反射后在远处屏上形成 电磁打计点器如图1所示·振动片处在永李萨如图形.实验装置如图2所示 久磁钢的上、下磁极片中间,当线圈接通低频信 打点器B上的振动片的振动表示李萨如 号源后,穿过线圈的振动片被磁化,且极性不图形的Y方向振动,线圈接入自制相移振荡器 c1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co, LId. All rights reserved

用激光显示李萨如图形 童培雄 赵在忠 刘贵兴 (复旦大学物理系 上海 200433) 摘 要: 介绍用电磁打点计时器通过激光显示李萨如图形的简单方法Λ 关键词: 李萨如图形; 激光; 电磁打点计时器 中图分类号: O 321 文献标识码: A 文章编号: 100524642 (2003) 0820038202 D em on strating L issajou f igure by laser TON G Pei2x iong ZHAO Zai2zhong L IU Gu i2x ing (D epartm en t of Physics, Fudan U n iversity, Shanghai, 200433) Abstract: U sing electrom agnetic shoo ting po in t tim ers, a sim p le m ethod of dem on strating L issajou figu re by laser is in troduced. Key words: L issajou figu re; laser; electrom agnetic shoo ting po in t tim er 1 引 言 李萨如图形通常用电振荡信号合成, 而不 是用机械振动合成Λ 用机械振动合成仪演示李 萨如图形的屏幕较小, 并且都采用电动机驱动 的方法Λ改用锯条振动, 并利用光杠杆放大作用 通过激光照射在屏上的方法演示李萨如图形, 可供很多人观看, 演示效果好Λ 但锯条振动要 用手拨动, 锯条振动为阻尼振动, 衰减较快Λ 笔 者用低频信号发生器或自制振荡器驱动电磁打 点计时器(以下简称打点器) 的振动片振动, 驱 动的低频信号频率在小范围内可调Λ 李萨如图 形通过激光照射在远处屏上, 屏上的李萨如图 形(2 个振动) 的相位差与振幅都很稳定Λ 2 实验装置 电磁打计点器如图 1 所示Λ 振动片处在永 久磁钢的上、下磁极片中间, 当线圈接通低频信 号源后, 穿过线圈的振动片被磁化, 且极性不 断变化Λ 振动片一端不断被上、下磁极片吸引、 排斥, 形成振动Λ振动频率与线圈中的低频信号 的频率相同Λ 当低频信号频率与振动片的固有 频率相接近时, 振动片的振幅最大Λ 图 1 电磁打点计时器示意图 把 2 个电磁打点计时器的振动片相互垂直 放置, 拿去振动片上的打点针, 在原位置贴上小 镜片, 当 2 个振动片振动频率成整数比时, 激光 分别经 2 个振动上镜片反射后在远处屏上形成 李萨如图形Λ 实验装置如图 2 所示Λ 打点器B 上的振动片的振动表示李萨如 图形的 Y 方向振动, 线圈接入自制相移振荡器 83 物理实验 第 23 卷 第 8 期 © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved

物理实验第23卷第8期 打点计接插件电容频率调相移 节旋钮振荡器 打开电源开关与激光器,光经振动条上镜片反 射后照射到远处屏上,观察李萨如图形如果使 反射镜 图形稳定,可调节相移振荡器中的电位器 配 2)演示1:2,1:3李萨如图形:更换X方 向的打点器,更换后的振动片的固有频率将是 Y方向的打点器的振动片的振动固有频率12 打点计时器B 反射镜B配重振动片 或1/3,在远处的屏上观察李萨如图形 图2激光显示李萨如图形实验装置图 (或低频信号源)中,输出频率固定,并与振动片 1)反射镜应选用高反射率表面、正面镀膜 的固有频率相近打点器A上的振动片振动表的平面镜 示李萨如图形ⅹ方向振动,线圈接入自制相移 2)氦氖激光器发光亮度较强,但体积较大 振荡器(或低频信号源)中输出频率可以在振所以最好选用半导体激光器 动片的固有频率附近微调.通过增加振动片长 3)振动片不宜过长,配重不宜过重,以免振 度或在振动片一端加上配重,可以改变振动片动片振动不稳 的固有频率,使打点器A上振动片与打点器B 4)当驱动的低频信号的频率与振动片固有 上振动片的固有频率相等或相近,得到1:1的频率相近时,低频信号源输出功率较小振动 相互垂直方向振动的合成图.为了得到1 片振幅较大,正弦波形较纯 1:3的李萨如图形,可以更换与打点器A相连 5)该实验也可以作为学生设计性实验 接的插件来实现在更换同时,相移振荡器中的 电容也被更换(电容在打点器上并通过接插件参考文献 与振荡器相连接),所以相移振荡器输出频率与[赵凯华,罗蔚茵,新概念物理·力学M].北京 更换后的打点器上的振动片固有频率相近 等教育出版社,1995.279~283 [2]王连元·用扬声器演示李萨如图形[]·物理实 3演示过程 验,1993,13(2):58 1)演示1:1相互垂直方向振动的合成图 (2002-10-16收稿) (上接37页)253477m(对应图3中的谱线生的实验能力和科研能力都是有益的.有些基 3)谱线的强度更强,与实际检测到的结果一致.础科学数据是世界共享的,我们可以通过国际 光谱图中出现的其他的谱线可能与FH管中信息检索,引用最新的权威部门发布的数据,培 灯丝等金属的蒸发及在生产中可能混入的杂质养学生的文献检索能力 有关,有待进一步分析 参考文献 4结束语 [1]褚圣麟·原子物理学M]·北京:人民教育出版 通过FH实验仪和光谱仪的连用,实时观 社,1979 测了汞原子从6s6sS0态激发到6s6sP1态,退2]吴思诚,王祖铨近代物理实验M]·北京北京 激时,辐射出能量为49eV的光量子,其波长 大学出版社,1995 为2537m·这不仅验证了理论的正确性,而5http://physicsnistgov/egrbin/aDAta/pt 且向学生展示了现代物理实验的复杂性即集 ptinslist= XXTI[EB OL (2002-10-23收稿,2003-01-06收修改稿) 机、电、光和计算机技术为一体,这对于培养学 2 o1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co, LId. All rights reserved

图 2 激光显示李萨如图形实验装置图 (或低频信号源) 中, 输出频率固定, 并与振动片 的固有频率相近Λ打点器A 上的振动片振动表 示李萨如图形 X 方向振动, 线圈接入自制相移 振荡器(或低频信号源) 中, 输出频率可以在振 动片的固有频率附近微调Λ 通过增加振动片长 度或在振动片一端加上配重, 可以改变振动片 的固有频率, 使打点器A 上振动片与打点器B 上振动片的固有频率相等或相近, 得到 1∶1 的 相互垂直方向振动的合成图Λ 为了得到 1∶2, 1∶3的李萨如图形, 可以更换与打点器A 相连 接的插件来实现Λ在更换同时, 相移振荡器中的 电容也被更换(电容在打点器上, 并通过接插件 与振荡器相连接) , 所以相移振荡器输出频率与 更换后的打点器上的振动片固有频率相近Λ 3 演示过程 1) 演示 1∶1 相互垂直方向振动的合成图Λ 打开电源开关与激光器, 光经振动条上镜片反 射后照射到远处屏上, 观察李萨如图形Λ如果使 图形稳定, 可调节相移振荡器中的电位器Λ 2) 演示 1∶2, 1∶3 李萨如图形: 更换 X 方 向的打点器, 更换后的振动片的固有频率将是 Y 方向的打点器的振动片的振动固有频率 1ö2 或 1ö3, 在远处的屏上观察李萨如图形Λ 4 说 明 1) 反射镜应选用高反射率表面、正面镀膜 的平面镜Λ 2) 氦氖激光器发光亮度较强, 但体积较大, 所以最好选用半导体激光器Λ 3) 振动片不宜过长, 配重不宜过重, 以免振 动片振动不稳Λ 4) 当驱动的低频信号的频率与振动片固有 频率相近时, 低频信号源输出功率较小, 振动 片振幅较大, 正弦波形较纯Λ 5) 该实验也可以作为学生设计性实验Λ 参考文献: [1 ] 赵凯华, 罗蔚茵Λ 新概念物理·力学[M ]Λ 北京: 高等教育出版社, 1995Λ 279～ 283Λ [ 2 ] 王连元Λ 用扬声器演示李萨如图形[J ]Λ 物理实 验, 1993, 13 (2): 58Λ (2002210216 收稿) ( 上接 37 页) 253. 477nm (对应图 3 中的谱线 3) 谱线的强度更强, 与实际检测到的结果一致Λ 光谱图中出现的其他的谱线可能与 F2H 管中 灯丝等金属的蒸发及在生产中可能混入的杂质 有关, 有待进一步分析Λ 4 结束语 通过 F2H 实验仪和光谱仪的连用, 实时观 测了汞原子从 6s6s 1 S0 态激发到 6s6s 3 P1 态, 退 激时, 辐射出能量为 4. 9eV 的光量子, 其波长 为 253. 7nm Λ 这不仅验证了理论的正确性, 而 且向学生展示了现代物理实验的复杂性: 即集 机、电、光和计算机技术为一体, 这对于培养学 生的实验能力和科研能力都是有益的Λ 有些基 础科学数据是世界共享的, 我们可以通过国际 信息检索, 引用最新的权威部门发布的数据, 培 养学生的文献检索能力Λ 参考文献: [ 1 ] 褚圣麟Λ 原子物理学[M ]Λ 北京: 人民教育出版 社, 1979Λ [2 ] 吴思诚, 王祖铨Λ 近代物理实验[M ]Λ 北京: 北京 大学出版社, 1995Λ [3 ] h ttp: ööphysics. nist. govöcgi2binöA tD ataöp t? op tionslist= XXT1[EBöOL ]. (2002210223 收稿, 2003201206 收修改稿) 物理实验 第 23 卷 第 8 期 93 © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved