近代物理实验实验讲义2025
近代物理实验 实 验 讲 义 2025
目录目录近物1：电路综合实验近物2：双频外差激光干涉仪1622近物3：晶体的电光、声光调制近物4：微波段电子顺磁共振与铁磁共振39近物5：塞曼效应与法拉第效应实验.67近物6：光泵磁共振85近物7：真空镀膜及材料特性表征.97近物8：微弱信号检测与分析..107近物9：激光调腔与纵横模分析120近物10：核与粒子物理实验...142近物11：激光光原理与技术.168
I 目录 目录 . I 近物 1：电路综合实验 . 1 近物 2：双频外差激光干涉仪 . 16 近物 3：晶体的电光、声光调制 . 22 近物 4：微波段电子顺磁共振与铁磁共振 . 39 近物 5：塞曼效应与法拉第效应实验 . 67 近物 6：光泵磁共振 . 85 近物 7：真空镀膜及材料特性表征 . 97 近物 8：微弱信号检测与分析 . 107 近物 9：激光调腔与纵横模分析 . 120 近物 10：核与粒子物理实验 . 142 近物 11：激光光镊原理与技术 . 168
近物1：电路综合实验【实验目的】1.掌握信号发生电路的工作原理和调试方法：2.利用电阻、电容和电感设计并制作电路滤波器。3.了解集成运算放大器主要参数及测试方法：4.掌握运算放大器组成基本运算电路的原理和调试方法；5.了解Multisim电路仿真软件的应用。【实验内容】1.设计、组装并测试中心频率在100kHz附近的带通滤波器（band-passfilter）；2.测量运算放大器的几个主要特征参数和技术指标：3.设计连接一个加减法混合运算电路：4.设计并连接一个积分和微分运算电路。5.设计一个正弦波发生电路，连线后接入示波器，与设计频率、振幅比较。6.设计一个占空比为1/3的矩形波电路，并将设计频率与实际电路的测量结果比较(选作)。7.设计一个矩形-三角波发生电路，要求其占空比连续可调（选作）。【课前预习】1.电阻、电容和电感的串联和并联理论以及集成运算放大器的相关电路基础知识。2.学习使用Multisim，在实验中，利用Multisim辅助设计电路参数。【实验原理】电阻（Resistance）、电容（Capacitance）和电感（Inductance）是三种最常用也是最基本的电子元件，而RLC（交流）电路是电路理论中最基本的物理模型。以下分析一个简单的例子-RLC串联电路（参考图1）。根据基础电磁学理论，RLC串联电路的状态方程式为：d?QndQ.Q=V=Voeiwt+Rdt2+Rdt+c(1)我们可以直接解这个二阶微分方程式，得到电路的暂态和稳态解析解：这里讨论另一个较为简便的方法：利用复数的电路阻抗来进行RLC电路的稳态特性分析。复数形式的欧姆定律可写为：V=IZ，其中，V为（复数）电压，I为（复数）电流，Z为（复数）阻抗。各种元器件所提供的阻抗是：电阻阻抗ZR=R，电感阻抗Zi=jwL，电容阻抗Zc=1/jwC。(2)当阻抗串连时，总阻抗为：Z=Z=1Z(3)当阻抗并联时，总阻抗为：2=21云-对于最简单的RLC串联电路来说，电流与电压的比值可表示为1
1 近物 1：电路综合实验 【实验目的】 1. 掌握信号发生电路的工作原理和调试方法； 2. 利用电阻、电容和电感设计并制作电路滤波器。 3. 了解集成运算放大器主要参数及测试方法； 4. 掌握运算放大器组成基本运算电路的原理和调试方法； 5. 了解 Multisim 电路仿真软件的应用。 【实验内容】 1. 设计、组装并测试中心频率在 100kHz 附近的带通滤波器（band-pass filter）； 2. 测量运算放大器的几个主要特征参数和技术指标； 3. 设计连接一个加减法混合运算电路； 4. 设计并连接一个积分和微分运算电路。 5. 设计一个正弦波发生电路，连线后接入示波器，与设计频率、振幅比较。 6. 设计一个占空比为 1/3 的矩形波电路，并将设计频率与实际电路的测量结果比较(选作)。 7. 设计一个矩形-三角波发生电路，要求其占空比连续可调(选作)。 【课前预习】 1. 电阻、电容和电感的串联和并联理论以及集成运算放大器的相关电路基础知识。 2. 学习使用 Multisim，在实验中，利用 Multisim 辅助设计电路参数。 【实验原理】 电阻（Resistance）、电容（Capacitance）和电感（Inductance）是三种最常用也是最基本的电子元 件，而RLC（交流）电路是电路理论中最基本的物理模型。以下分析一个简单的例子–RLC串联电路 （参考图1）。根据基础电磁学理论，RLC串联电路的状态方程式为： 𝐿 𝑑 ଶ𝑄 𝑑𝑡ଶ + 𝑅 𝑑𝑄 𝑑𝑡 + 𝑄 𝐶 = 𝑉 = 𝑉𝑒 ఠ௧ （1） 我们可以直接解这个二阶微分方程式，得到电路的暂态和稳态解析解；这里讨论另一个较为简 便的方法：利用复数的电路阻抗来进行RLC电路的稳态特性分析。复数形式的欧姆定律可写为：V=IZ， 其中，V为（复数）电压，I为（复数）电流，Z为（复数）阻抗。各种元器件所提供的阻抗是：电阻 阻抗𝑍ோ = 𝑅，电感阻抗𝑍 = 𝑗𝜔𝐿，电容阻抗𝑍 = 1/𝑗𝜔𝐶。 当阻抗串连时，总阻抗为：𝑍 = ∑ 𝑍 ୀଵ （2） 当阻抗并联时，总阻抗为：ଵ = ∑ ଵ ୀଵ （3） 对于最简单的RLC串联电路来说，电流与电压的比值可表示为
1111==R+jL+1/jC=R+j(L-1/wC)(4)上式的大小（绝对值）即表示在电压固定的情况下，电流大小和相位会随着电压频率而变化，其变化曲线如图2（左）所示。电流极大值出现时称为共振，其共振频率为o=(1/LC)1/2：（假设4<<w）震荡品质因子Q=WoL/R=Wo/(24)，4w是电流衰减为极大值（1/V2)时的频宽。图2（右）显示电流和电压间相位差随频率变化的特性曲线。VcVcRL0000VRVI图1：RLC串联电路示意图Q5.2Q=5.22.11.5图2：（左）电流随电压频率的变化曲线（右）电流和电压之间相位差的频率响应曲线1.带通滤波器一个由电阻、电容和电感组成的带通滤波器如图3所示。输出电压从跨LC并联电路的两端拉出，请同学自行算出此带通滤波器的传递函数和3dB带宽。1.0RAf308OVoutVoutVV.0Q：Af3aBfo=1/2m(LC)2图3：（左）带通滤波器的电路示意图（右）带通滤波器的频率响应曲线2.集成运算放大器主要特征参数和技术指标2
2 𝐼 𝑉 = 1 𝑍 = 1 𝑅 + 𝑗𝜔𝐿 + 1/𝑗𝜔𝐶 = 1 𝑅 + 𝑗(𝜔𝐿 − 1/𝜔𝐶) （4） 上式的大小（绝对值）即表示在电压固定的情况下，电流大小和相位会随着电压频率而变化， 其变化曲线如图2（左）所示。电流极大值出现时称为共振，其共振频率为𝜔 = (1/𝐿𝐶)ଵ/ଶ；（假设𝛥𝜔 < < 𝜔）震荡品质因子𝑄 = 𝜔𝐿/𝑅 = 𝜔/(2𝛥𝜔)，𝛥𝜔是电流衰减为极大值（1/√2）时的频宽。图2（右） 显示电流和电压间相位差随频率变化的特性曲线。 图 1：RLC 串联电路示意图 图 2：（左）电流随电压频率的变化曲线（右）电流和电压之间相位差的频率响应曲线 1．带通滤波器 一个由电阻、电容和电感组成的带通滤波器如图3所示。输出电压从跨LC并联电路的两端拉出， 请同学自行算出此带通滤波器的传递函数和3dB带宽。 图 3：（左）带通滤波器的电路示意图（右）带通滤波器的频率响应曲线 2. 集成运算放大器主要特征参数和技术指标
为表征集成运算放大器的性能，需要引入一些特征参数和技术指标，这是我们衡量和选择运放的参考依据。本实验采用的UA741CP型集成运算放大器，为双列直插式塑料封装，其管脚排列如图4。图4(b)中同时给出了调零端的连接方法。Vcc0121NC+VccOUT调零UoUo7415URIN.-VssIN调零Vss6-12V(a)(b)图4：UA741管脚排列图（1）输入失调电压U10理想情况下，当输入信号为零时，集成运放的输出电压也应该为零，但由于集成运放内部的差动输入级参数不完全对称，导致输出电压不为零。为使输出电压回到零，需在输入端加上反向补偿电压，该补偿电压称为输入失调电压Uio。Uio的绝对值越小，说明集成运放内部的输入级差分对管的对称性越好。输入失调电压可以采用图5电路进行测试，一般取Ri=R3、R4=Rf、R2=R2，在测量输入失调电压时应将k1、k2闭合。测出输出端电压Uo，即可得到Uio：RiUro=UoRi +Rf(5)R,10kkR, 1000R,20kU.R' 20kR,1002R.k.10k图5：输入失调电压、输入失调电流的测试电路为了消除输入失调电压带来的误差，有时需要连接调零电路，不同型号的运放调零方式不尽相同。UA741CP可利用图4(b)所示电路调零，在不接外信号时，调节电位器Rw使输出U。为零即可。在一些应用电路中，并没有画出调零电路部分，但不意味着不需要调零。（与此类似，大部分电路中并不标出运放的Vss、Vcc端，这同样不意味着运放不需要接电源。）（2）输入失调电流I1o当输入信号为零时，集成运算放大器两个输入端的输入电流之间的差值称为输入失调电流：(6)lio = |b1-Ib2l其中Ib1和Ib2分别是运放同相输入端和反相输入端的输入电流。输入失调电流的大小反映了运放3
3 为表征集成运算放大器的性能，需要引入一些特征参数和技术指标，这是我们衡量和选择运放 的参考依据。本实验采用的UA741CP型集成运算放大器，为双列直插式塑料封装，其管脚排列如图 4。图4(b)中同时给出了调零端的连接方法。 (a) (b) 图 4：𝑈𝐴741管脚排列图 （１）输入失调电压𝑼𝑰𝑶 理想情况下，当输入信号为零时，集成运放的输出电压也应该为零，但由于集成运放内部的差 动输入级参数不完全对称，导致输出电压不为零。为使输出电压回到零，需在输入端加上反向补偿 电压，该补偿电压称为输入失调电压𝑈ூை。𝑈ூை的绝对值越小，说明集成运放内部的输入级差分对管 的对称性越好。输入失调电压可以采用图5电路进行测试，一般取𝑅ଵ = 𝑅ଷ、𝑅ସ = 𝑅、𝑅ଶ = 𝑅ଶ ᇱ，在测 量输入失调电压时应将𝑘ଵ、𝑘ଶ闭合。测出输出端电压𝑈ை，即可得到𝑈ூை： 𝑈ூை = 𝑅ଵ 𝑅ଵ + 𝑅 𝑈ை （5） 图 5：输入失调电压、输入失调电流的测试电路 为了消除输入失调电压带来的误差，有时需要连接调零电路，不同型号的运放调零方式不尽 相同。UA741CP可利用图4(b)所示电路调零，在不接外信号时，调节电位器𝑅ௐ使输出𝑈ை为零即可。 在一些应用电路中，并没有画出调零电路部分，但不意味着不需要调零。（与此类似，大部分电路中 并不标出运放的𝑉ௌௌ、𝑉端，这同样不意味着运放不需要接电源。） （２）输入失调电流𝑰𝑰𝑶 当输入信号为零时，集成运算放大器两个输入端的输入电流之间的差值称为输入失调电流： 𝐼ூை = |𝐼ଵ − 𝐼ଶ| （6） 其中𝐼ଵ和𝐼ଶ分别是运放同相输入端和反相输入端的输入电流。输入失调电流的大小反映了运放 - + R1 R3 R4 Rf 1 k 2 k UO 100 100 10k 10k R2 20k R2 20k