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      LabVIEW在光速測(cè)定實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用*

      2020-06-10 08:29:26冉俊霞葛大勇
      物理通報(bào) 2020年6期
      關(guān)鍵詞:光程光波光速

      冉俊霞 葛大勇

      (河北大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 河北 保定 071002)

      張少朋

      (河北大學(xué)體育教學(xué)部 河北 保定 071002)

      1 引言

      光的傳播速度是一個(gè)極其重要的物理量,因此光速的測(cè)定也是物理學(xué)中一個(gè)十分重要的課題.最初的測(cè)量光速都是采用天文學(xué)的方法的,比如1676年科學(xué)家利用木星衛(wèi)星的木食現(xiàn)象來計(jì)算光速;在實(shí)驗(yàn)室中,由于受場(chǎng)地和空間的限制,測(cè)量光速的實(shí)驗(yàn)室方法主要有旋轉(zhuǎn)齒輪法、旋轉(zhuǎn)棱鏡法、微波諧振腔法等[1].隨著激光的問世,目前實(shí)驗(yàn)室中一般采用的測(cè)量光速的方法是光拍頻法[2,3].但是實(shí)驗(yàn)誤差主要產(chǎn)生在遠(yuǎn)光程的測(cè)量過程和利用示波器觀察相位時(shí)人眼判斷的過程[4,5],一般認(rèn)為示波器觀察相位時(shí)人眼判斷產(chǎn)生的誤差一般在1%~3%.根據(jù)我們實(shí)驗(yàn)室學(xué)生的測(cè)量結(jié)果,示波器觀察相位時(shí)人眼判斷產(chǎn)生的誤差一般在4%以上,甚至更高. 本文針對(duì)這一問題,在數(shù)據(jù)讀取和處理上進(jìn)行了創(chuàng)新研究.

      2 實(shí)驗(yàn)原理

      本實(shí)驗(yàn)中采用的儀器為南京浪博科教儀器廠生產(chǎn)的LM2000C,如圖1所示.

      圖1 LM2000C光速測(cè)量儀

      光拍頻法測(cè)量光速的基本原理是利用施加在聲光晶體上頻率為F的超聲波,形成一個(gè)超聲位相光柵.激光束通過時(shí)發(fā)生衍射,從而產(chǎn)生頻差較小的不同頻率的光波,選取其中兩種頻率的光波,根據(jù)振動(dòng)疊加原理,即兩列頻差較小,速度相同、同向傳播的簡(jiǎn)諧波疊加即可形成拍.通過光探測(cè)器接收光的拍頻波,收到的光電流乃是一個(gè)平均值,即

      (1)

      式中g(shù)為探測(cè)器的光電轉(zhuǎn)換常數(shù),Δω是與拍頻Δf=2F相應(yīng)的圓頻率,(Δφ1-Δφ2)為初位相.由式(1)可知,光拍信號(hào)的位相與空間位置x有關(guān),利用此關(guān)系,可以測(cè)量空間某兩點(diǎn)之間的光程差為ΔL,及兩點(diǎn)的光拍信號(hào)的位相差Δφ,根據(jù)式(2)即可測(cè)量出光速c

      (2)

      當(dāng)Δφ=2π時(shí),ΔL=Λ,即光程差恰為光拍波長,此時(shí)式(2)簡(jiǎn)化為

      c=ΔfΛ

      (3)

      使用LM2000C進(jìn)行測(cè)量時(shí),可以通過觀測(cè)李薩茹圖形或光波波形的變化來判斷,這就需要兩光波位相相差2π.實(shí)際測(cè)量中很難調(diào)節(jié)棱鏡小車使示波器上兩光波完全重合,這使最終測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)較大的誤差.

      實(shí)際測(cè)量時(shí),遠(yuǎn)程光和近程光的波形通常如圖2所示,即其位相差小于2π,此時(shí)二波形光程差小于Λ,光速可由式(4)計(jì)算.

      圖2 二光拍信號(hào)波形的比較

      (4)

      3 利用LabVIEW進(jìn)行數(shù)據(jù)處理

      LabVIEW軟件中提供了多種波形處理函數(shù),可以利用這些函數(shù)編程進(jìn)行自動(dòng)處理數(shù)據(jù)[4].如圖3所示,是我們編制的處理光速測(cè)定數(shù)據(jù)的前面板界面,圖4是后面板的程序.利用該程序,不管遠(yuǎn)程光和近程光的位相差是否是整周期都可以進(jìn)行處理.實(shí)驗(yàn)時(shí),改變棱鏡小車位置時(shí),只需要將兩次的波形和小車移動(dòng)的距離記錄下來就可以.將數(shù)據(jù)輸入前面板,將兩光波的波形數(shù)據(jù)存放到相應(yīng)目錄,程序會(huì)自動(dòng)讀取數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理.如圖3測(cè)量得到的光速為2.993 56×108m/s,其相對(duì)誤差為0.15%,而學(xué)生通過肉眼觀察位相差一次測(cè)量得到光速低時(shí)可達(dá)(2.61~2.94)×108m/s ,高時(shí)可達(dá)(3.05~3.20)×108m/s,其相對(duì)誤差一般在5%以上,甚至達(dá)到10%.因此,利用LabVIEW編程處理數(shù)據(jù),大大降低了誤差.

      圖3 數(shù)據(jù)處理前面板

      圖4 后面板程序設(shè)計(jì)圖

      程序中主要用到了濾波器、波峰檢測(cè)、單頻測(cè)量函數(shù).如圖5、圖6所示.

      圖5 波峰檢測(cè)函數(shù)

      圖6 濾波器函數(shù)和單頻測(cè)量函數(shù)

      濾波器可以將輸入的波形數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑濾波處理,提高信噪比;波峰檢測(cè)可以檢測(cè)波形數(shù)據(jù)的波峰及位置,單頻測(cè)量函數(shù)可以將波形數(shù)據(jù)的頻率計(jì)算出來,這樣就可以根據(jù)波峰和頻率直接計(jì)算出兩波形的位相差.

      4 結(jié)束語

      利用LabVIEW編制的光速測(cè)量數(shù)據(jù)處理程序,不僅減少了人為因素引起的誤差,使測(cè)量結(jié)果的精度大大提高,還鍛煉了學(xué)生計(jì)算機(jī)編程能力和利用計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)的科學(xué)素養(yǎng).利用該方法還可以進(jìn)一步改良光速測(cè)量儀,使其光程長度大大縮減,縮小儀器尺寸,使其更適宜在實(shí)驗(yàn)室中運(yùn)行.

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