有趣的空间滤波 空间滤波是光学信息处理的一种方 法。其基本光路如图1所示。 这种光路常称为4系统。一对焦距为4f-f-f--f L1 F f的透镜L,L放在相距2f的位置。L1的前焦 图1 面∑0为物面,L的后焦面∑为像面。L1,L2的中间是频谱面ΣF。在物面∑上放一透 明图像,用单色平面波照射,透射光的复振幅为0(X,y),,对0(X,y)作付里叶变换, 在滤波平面ΣF上形成0X,y)的频谱经过L再作一次付里叶变换,在像平面∑F上形成 像I(x',y"),如果∑F上没有东西,则I(X,y)原则上是0(X,y)的倒像。 但如果在ΣF上加一些滤波器,则频谱F将变化,经L2再次付里叶变换形成的图 像亦将不同于0(X,y)。 下列实验是一个有趣的 例子; 把带有尘土的栅格作为 物0(X,y),其频谱如图2(A)所 示。粗看是一个点阵,反映了栅格频谱,实际上在每个光点附近都还有一些反映尘 土的频谱。如果在ΣF上没有滤波器,则在像面上可以清楚地看到栅格和尘土,如图 2(B)。 在ΣF上放一光栏只让∑F上的各个光点的中心部分通过而尘土的信息通不过如 图3(A)所示,像面上只有栅格,尘土完全看不见了,见图3(B) 如光栏是一个较大的孔,既栅格0级衍射及其周边信息都能通过,如图4(A 则像面上只见尘土,而看不见栅格。如图4(B)所示 缩小光栏如图5(A),则尘土的高频成分减少,由此得到的图像如图5(B)和图 5(C)所示。此时大块的尘土形象还能看到,但已失去高频信息。当滤波圆孔小到 定程度时,像面上看不到任何图像只有一片均匀的光图50)册和尘 土的信息都被滤干净了 如果在∑上用一挡板除去级行射,通过牙面的信息如图6(A)所示则要光 强被挡住。出现在像面上的是栅格和尘土的高频信息如图6(B
高温超导材料特性测试 前言:高温超导电性是物理学的前沿课 题,具有重大的应用前景。低温物理实 验技术越来越广泛地应用到了各个学科 领域。本实验正是以高温超导为题为理 工科低年级学生所开设的低温物理实 验。 ne toh on 图1超导磁悬浮火车及结构 零电阻现象:1911年,卡麦林·昂纳斯(H. Kamer ling 0.125 ones)用液氦冷却水银线并通以几毫安的电流,在测量 0.100 其端电压时发现,当温度稍低于液氦的正常沸点时,水银 线的电阻突然跌落到零,这就是所谓的零电阻现象或超导 050 电现象。通常把具有这种超导电性的物体,称为超导体, 0.025 而把电阻突然跌落到零的温度称为临界温度TC。现代超导 4.04.14.24.34.4 图2卡麦林·昂纳斯 重力仪的观测表明,超导态即使有电阻,其电阻率也必定 所测汞转换曲线小于109·m 完全抗磁性:1933年,迈斯纳(W.F. Meissner)和奥克森菲尔德 0 ochsenfeld)把锡和铅样品放在外磁场中冷却并测量其外部磁场分布时发 现,不论超导转变前还是转变mm is along for the rire 后加外磁场,只要T<Tc超 导体内部的磁感应强度B总是 等于零,被称为迈斯纳效应或 完全抗磁性。迈斯纳效应可以 用磁悬浮实验来验证。 高临界温度超导体:超导电现象发现以后,人们一直在为提高超导临界温度 而努力,然而在数十年中进展却分爱慢重大的突破出现在1986年4,缪
高温超导材料特性测试 勒(K.A. Mu ller)和贝德罗兹(J.G. Bednorz)宣布,一种钡镧铜氧化物 的超导转变温度可能高于30,从此掀起世界范围内时间超导材料 T 1911 的超导热,在短短的两年时间里就把超导临界温度 提高到了110K,1993年3月现任北京大学物理学院 17.1 Nb3Sn 18.1 党委书记的郭建栋教授,在瑞士联邦高等工业大学 Nb3 Alo 7s Geo.25 20.5 NbaA 固体物理研究所首次制备成功了汞钡钙铜氧|00 1988 Bi2Sr2 Ca2 Cu3 O10 110 (HgBa2Ca2Cu20),其零电阻温度达到134K。这一最 Tl2Ba2Ca Cu3 O10 125 1993 Hg Ba2 Ca2 Cu3Os 高记录至今仍未被突破。 低温物理实验的特点:低温的获得和低温液体的使用、温度的测量及低温温度 计、液面计和材料的低温特性、电阻的四引线测量法、乱真电动势的判定和消 除等,都是低温物理实验的重要特点。 高温超导材料特性测试装置:该装置充分体现了低温物理实验的上述特点 图目 图4低温测试系统图5低温恒温器 图6电测量装置 低温测试系统结构图 测试曲线的实验结果 图8钇钡铜氧 超导样品超导传变曲线
偏振光实验 光的横波性:光的偏振现象揭示了光的 横波性。在光与物质相互作用时,主要 起作用的是横向振动着的电矢量。作为 特定波段的电磁波-光波是一种横波, 其振动方向与传播方向垂直 图1光的横波性 光的偏振态:振动方向对传播方向的不对 极大 称性构成光的偏振态。通常可按其偏振度 极小 分为自然光、部分偏振光、线偏振光、圆 偏振光和椭圆偏振光五种。 图2光的五种偏振态 偏振光的宏观描述:线偏振光、圆偏振光和椭 圆偏振光均可用两列同频率,沿同一方向(Z 不NN 轴)传播,振动方向互相垂直且具有固定相位 差δ的线偏振光来加以描述。 E=A coS(ot-kz) 图3各种相位差对应的偏振态 E=A, coS(ot -kz+8) 右旋圆偏振光的物理图象:任意时刻电矢量沿 察,整个右手螺旋随时间顺时针旋转着问我们(D z轴逆时针旋转,形成一右手螺旋。迎着光观 而来。 图觉振光的物理图象 布儒斯特定律:若光从折射率为的介质射向折射率为的介质,当入射角等 于某一定值6(094时反射光成为其动方向垂直于入射面的续偏 振光,θ称为布儒斯特角或起偏角
偏振光实验 偏振片:利用某些晶体对不同方向的电磁振动具有选择光轴 光轴 吸收的性质,可以做成偏振片。电矢量能够较多通过的 , 方向称为透振方向。与透振方向垂直的方向为消光方 向。偏振片在实验中常用来作为起偏器和检偏器。 (b) 图5偏振片 晶体双折射:一束光在 偏振片 各向异性的晶体中被分 成偏振态不同的两束, e光 003 它们的折射程度不同, 光 称为双折射现象。符合 IESE PHYSICAL SOCIETY 普通折射定律的折射光 图6方解石晶体的双折射 线叫做寻常光(o光);违背普通折射定律的折射光线叫做非常光(e光)。晶 体中不发生双折射的传播方向称为晶体的光轴。 ,, 波晶片:波晶片表面与晶体的光轴平行。平行光正入射时,波片中的0光和e光 的传播方向不变,它们的传播速度u和U不同,即波片折射率n。=c/u和 nec/u不同。通过厚度为d的波晶片时会附加8=2m1入(nne)d的相位差 最常用的是λ/4波片和λ/2波片 偏振光实验装置及测量曲线 图7偏振光镜小光的偏现象Q
光纤干涉式温度传感器 利用Nach- Zehnder干涉仪光路把在空气中传播的光放到 光纤中传播。当干涉仪其中一臂上的温度或所受应力等物理 量发生变化时,就改变了这一臂光纤的长度和折射率,则导 致了光程的变化,从而使干涉条纹发生移动。通过对干涉条 纹移动数目的测量达到精密测量物理量的目的。 02级程熹等本科学生利用上述原理 研制成实验室条件下的光纤干涉型温度 传感器 此项研究的主一 要做法和特点是: 1,改变激光注入光纤的方式,使激光直接注入,不用透 镜。避免了通过透镜注入时,由于光点很小,稍有偏离对 出射光强和光程差产生很大影响。 2,采用补偿法,克服外界因素的干扰。将光纤两个臂的传输部分并在一 起,固定在一个导热性能良好的金属条上,放在待测环境中。测量臂和参考 臂的光纤长度不等,但是处于同一温度环境中,利用两臂的长度差进行测 量。使整个系统的稳定性有了很大提高。 3,接收端用CCD图像传感器接收,用计算机 探 自编程序制成条纹计数器。 4,测量结果表示,自制的温度传感器在一定温度范围内线性较好。其测 量精度约达7×103℃
力学实验 气垫导轨上的力学实验 弹簧振子的简谐振动 速度和加速度 碰撞 刚体转动实验 扭摆实验 扭摆的受迫推动
核磁共振成像 核磁共振成像就是将核磁共振信号所反映的核密度以及驰豫时间T1、T2的 空间分布显示成图像从独立的核磁共振信号到成像,关键是必须对信号进 行空间编码。在均匀的外加磁坜B内所有同类核的共振频率都相同,无法区分 它们的空间位置,为此必须在均匀外磁场上叠加一个空间线性梯度场B(X,y, 2,其方向与均匀场B的方向一致,大小数值是空间坐标的线性函数,这样就 可以实现不同位置共振信号的空间编码 1973年,美国化学家P.C. Lauterbur与英国物理学家P. Mansfie1d分别 独立提出在核磁共振中加梯度磁场进行空间编码成像以及用回波平面成像等 方法的原理,直接导致了核磁共振成像仪的发明.为此,这两位科学家共获 2003年度诺贝尔生理学/医学奖 超小型核磁共振成像仪是由北大物理学院、北京泰杰磁电研究所和华东 师范大学合作新研制的教学用超小型核磁共振成像仪系统,仪器由磁体系统 包括主磁体、梯度线圈和探头)、模拟部件(包括发射单元和接收单元组 成的谱仪和梯度放大控制单元)和数字部件(包括个人电脑及其配套的采集 卡、模/数转换单元以及软件)三部分组成。通过本实验,目的是让学生了解 脉冲核磁共振及其成像的基本原理和技术实现过程,对一些样品的核磁弛豫 时间特性以及仪器的成像性能等问题进行研究。 中世 图1 图2 冬3 图1硬脉冲自由感应衰减信号(「ID)。图中:硬脉冲序 列(上左图),FID信号(士右图频域的核磁共振信号 (下图) 图2自旋回波序列测定横向弛豫时间T2。图中:自旋回波 CPMG士左图),E1信号(士右图,拟合测定横向地豫时 可T 图 图维(2)自旋回波成象序列核磁共振成象一图 中2自旋回波成象序列(上左图)D工维时域图象下 图4 图)经压重建得到的二维剖面图(右图) 图4超小型核碱共振成象仪
X射线衍射 1895年伦琴在他的研究通讯《一种新射线—初步研究》中把发现的新射 线称为X射线。因为他当时无法确定这一新射线的本质。 1912年德国物理学家劳厄发现了X射线通过晶体时产 判 生衍射现象。 1912年布拉格清楚地解释 了X射线品体衍射的形成,并 提出了著名的布拉格公式 多晶X射线衍射仪或称X射 图1具有历史意义的 照片一一伦琴夫人的手线粉末衍射仪是一种最常见、 图3BDX自动X射线粉未衍射仪 应用面最广的X射线衍射分析仪器。 运用它可以获得分析对象的粉末X射线衍射图谱 X射线衍射仪主要应用于样品的物相定性或定量分析, 持征光语 体结构分析,材料的结构分析,宏观应力或微观应力的; 测定,晶粒大小测定,结晶度测定等等,因此,在材料 科学、物理学、化学、化工、冶金、矿物、药物、塑 连续禿谱 料、建材、陶瓷……以至考古、刑侦、商检等众多学 员{ 图2X射线管产生 科、相关的工业、行业中都有重要的应用 射线的波长谱 X射线衍射仪的基本构成包括:高稳定度X射线发生器、精密测角仪、X射 线强度测量系统、计算机系统等四大部分
弗兰克-赫兹实验 在原子物理学、量子力学发展史上,FH实验是证实原子中量子态的最重 要、最有名的实验之一。1913年,丹麦理论物理学家N.H.D.玻尔(1885 1962)提出新的原子理论,其要点是:①定态假说:原子只能处于一系列其能 量取离散值的定态,定态上原子是稳定的,不发射、不吸收电磁能;②跃迁 慢说:原子在两个定态(能级Em间发生跃迁时,发射或吸收电磁能,其 1964)和G.L.赫兹(1887-1975),在电离电势的研究实验时,“用电子碰撞 原子的方法,证明了向原子传递的能量是量子化的”,以实验事实证实了玻 尔的原子理论。为此,他们获得了1925年的诺贝尔物理学奖。 图1 0.5 图2 上左图为1914年实验中使用的内充汞F管及其供电线路示意图:从直 热式阴极发射的电子被WKG加速,在KG间与汞原子发生碰撞后,余能较大的电 子最终抵达板极形成Ip,余能较小的电子受反向电压VGP(0.5)阻挡而减速被 G吸收。实验发现,随增加Ip出现一系列峰和谷,相邻峰(或谷)间间距相 等均约4.9V(图2)。结论:①当WG<4.9ν时,Ip随wG增加而一直增加,说 明汞原子不接收低于4.9eV的能量,所以发生的是弹性碰撞;②当V≥(x 4.9V)时,Ip急剧减小,说明电子与汞原子经过n次碰撞,失去能量(部分或 全部),所以发生了非弹性碰撞,Ip的周期性来源于电子碰撞能量损失的周 期性。这就清楚地证明汞原子存在一能量为4.9eV的量子态。通过非弹 性碰撞汞原子从被加速电子获得4.9eV的能量,由基态(S)跃迁到激发态 (P),但其寿命极短约10纳秒内)很快退激到基态并发射入 4.9h=2537m的紫外光他们拍摄到了这个光请线。不过那时因管温 高,汞原子密度大,以至电子自啪程较短,碰撞概率大致使电子动能很难 超过49eV,所以只观测到了原子的第一激发态
