頭髮絲直徑的實驗報告

　　篇一：設計性實驗方案--測量頭髮絲的直徑

　　在日常生活中，人們會經常使用測量工具來測量物體的長度，從而對物體產生具體客觀的認識。眾所周知，在生活中的諸多物體，人們不用多加思索就可以容易測量得知它們的具體長度引數。身體髮膚受之父母，可對頭髮自己有了解幾何呢？直接測量微小物體的長度引數以肉眼比較難得出較精確的資料，一般情況，微小長度的測量通常用將其放大的方式來進行測量。而微小長度在科學研究、精密儀器等方面更是有著不可或缺的地位。

　　在實驗儀器不是很充裕的初級中學任物理教師，該怎樣以更經濟、更簡單、更可行的方式來讓學生了解微小物體長度的測量方法，以與自己切身相關的頭髮為楔子，從而引導、激發其他們的探索未知得慾望呢？好奇是一種動力，是一種向知識攀登、向未知探索的動力。為人師表，我們有責任和義務去培養學生，使學生具有這種動力！

　　一、實驗原理

　　用一根長長的頭髮，緊密纏繞一個小的圓柱體n圈（n=30）.用測量工具測出n圈頭髮的直徑D，則由d= D/n，可求得頭髮d的直徑大小。

　　二、實驗方法選擇

　　方法1：用千分尺（螺旋測微器）來進行測量

　　定義：利用螺旋副原理對弧形尺架上兩測量面間分隔的距離，進行讀數的通用長度測量工具。外徑千分尺常簡稱為千分尺，它是比遊標卡尺更精密的長度測量儀器，它的量程是0－25,25-50,50-75...毫米，分度值是0．01毫米。工作原理：根據螺旋運動原理，當微分筒（又稱可動刻度筒）旋轉一週時，測微螺桿前進或後退一個螺距──0．5毫米。這樣，當微分筒旋轉一個分度後，它轉過了1／50周，這時螺桿沿軸線移動了1／50×0．5毫米＝0．01毫米，因此，使用千分尺可以準確讀出0．01毫米的數值。

　　將頭髮緊密纏繞在小圓柱後，用螺旋測微器來測量，依據千分尺的讀數原理可以得到n圈頭髮的長度D，由d=D/n可得頭髮的直徑d。

　　方法2：用遊標卡尺來進行測量

　　精度是1mm除以遊標上的格數則可知10格就是精確到0.1mm 、20格就是精確到0.05mm 、50格就是精確到0.02mm將頭髮緊密纏繞在小圓柱後，用遊標卡尺測量物體外徑的卡口來測量，依據遊標卡尺的讀數原理可以得到n圈頭髮的長度D，由d=D/n可得頭髮的直徑d。

　　方法3：劈尖干涉測頭髮絲的直徑（利用等厚干涉原理）

　　當兩片很平的玻璃疊合在一起，並在其一端墊入細絲時，兩玻璃片之間就形成一空氣薄層（空氣劈）。在單色光束垂直照射下，經劈上、下表面反射後兩束反射光是相干的，干涉條紋將是間隔相等且平行於二玻璃交線的明暗交替的條紋。

　　顯然，劈尖薄膜上下兩表面反射的兩束光發生干涉的光程差為干涉條紋為暗紋與 k 級暗條紋對應的薄膜厚度為：

　　兩相鄰暗條紋所對應的空氣膜厚度差為：

　　如果有兩玻璃板交線處到細絲處的劈尖面上共有N調幹涉條紋，則細絲的直徑d為;由於N數目很大，實驗測量不方便，可先測出單位長度的條紋數，再測出兩玻璃交線處至細絲的距離L，則已知入射光波長λ，測出N0和L,就可計算出細絲（或薄片）的直徑D。

　　方法4：用楊氏雙縫干涉測頭髮絲的直徑

　　利用傳統雙縫干涉：納光燈+凸透鏡+單縫+雙縫的原理，用鐳射器替代鈉燈做光源，加一個小焦距透鏡使其發散，再加一個大焦距透鏡使其匯聚，得到一束大面積平行光，直接照射雙縫，就可以得到清晰的干涉像。要測頭髮直徑，就不放雙縫，直接把頭髮放入光路，在後面得到頭髮的衍射像，包括中心的泊松亮斑，測出頭髮與屏的距離D，測出衍射像的兩個一級明紋的距離L，頭髮直徑d等於D乘以λ除以L，即d=Dλ/L。

　　方法5：用讀數顯微鏡測頭髮絲的直徑

　　讀數顯微鏡是光學精密機械儀器中的一種讀數裝置，測量範圍：0-6mm測量精度：0.01mm，儀器放大倍數是20，是用來測量微小距離或微小距離變化的，能將頭髮絲進行放大後再讀數。首先，將讀數顯微鏡適當安裝，對準頭髮絲；調節顯微鏡的目鏡，以清楚地看到叉絲（或標尺）；調節顯微鏡的聚集情況或移動整個儀器，使頭髮絲成像清楚，並消除視差，即眼睛上下移動時，看到叉絲與頭髮絲成的像之間無相對移動；先讓叉絲對準頭髮絲上一點（或一條線）A，記下讀數；轉動絲桿，對準另一點B，再記下讀數，兩次讀數之差即AB之間的距離就是頭髮絲的直徑。但在操作中要注意兩次讀數時絲桿必須只向一個方向移動，以避免螺距差。

　　三、測量方法選擇

　　經濟較落後的中學，實驗室裡的實驗儀器並不是很充足。比較以上5種方法，方法3和方法4都要用到光學平臺，而那時自己任教的中學，由於經費的緊張或不足，實驗裡配不起這樣的儀器，從而不能完成實驗。方法5要用到讀數顯微鏡，雖然這個儀器沒有光學平臺貴重，能配備的數量非常有限，但是面對一個班級的學生，要進行此實驗還是顯得不太切合實際。為了能讓每一個同學都能到實驗室裡進行實驗，只能選擇最經濟、相對符合實驗要求的實驗儀器來進行實驗，因此唯有選擇方法1或方法2。而頭髮絲是很細小的物體，為了相對減少實驗測量的誤差，可採用放縮法。

　　四、儀器的選擇

　　由於頭髮是非常細小的物體，一般的測量工具無法對其進行測量或者會造成比較大的誤差，所以此試驗中只用普通物理實驗室測量精度最高的測量工具來進行實驗。在方法1中的測量工具的精度（千分尺為0.01mm）比在方法2的（遊標卡尺為0.02mm）高，作出的實驗結果更接近實際，因此，選擇千分尺測量頭髮的直徑d。

　　五、測量條件

　　1.頭髮繞小圓柱體一定要緊密，且不可重疊；

　　2.繞的過程中不能使用很大的力，防止頭髮變形；

　　3.小圓柱一定要保證是圓的。

　　六、實驗程式

　　1.選出千分尺和小圓柱體

　　2.取成年女性的長頭髮（可提前自備）

　　3將頭髮緊密繞小圓柱體n圈（n取30、50或100，具體視頭髮長度而定）

　　4.用千分尺測量n圈頭髮的長度D，重複10次

　　5.計算頭髮的直徑d和偏差

　　6.重新繞頭髮、或換一根頭髮重複此實驗，得出繞的緊密度和不同人的頭髮對d的影響。

　　參考文獻：

　　[1]楊述武等主編：普通物理實驗1（第四版），高等教育出版社，2007 [2] 楊述武等主編：普通物理實驗3（第四版），高等教育出版社，2007

　　[3] 姚啟鈞主編：光學教程（第四版），高等教育出版社，2008

　　篇二：劈尖法測頭髮絲的直徑

　　等厚干涉是基礎光學的重要課程之一，為達到學以致用的學習目的設計該實驗，由於光自身的波粒二象性和其數量級小的特點可以將其運用於現實生活中較於精確的測量。運用光學的測量具有精度大，實驗誤差較小等有利於研究的特點。所以光學應用於物體幾何尺度的測量大大地增加了其精度。

　　一、實驗目的

　　1.測量頭髮絲直徑的大小。

　　2.掌握劈尖干涉測定細絲直徑（或薄片厚度）的方法。

　　3.透過實驗加深對等厚干涉原理的理解。

　　4.掌握牛頓環的使用原理。

　　二、實驗原理

　　①將兩塊平板玻璃疊放在一起，一端用頭髮絲將其隔開，則形成一闢尖形空氣薄層見圖（1-1），若用單色平行光垂直入射，在空氣劈尖的上下表面發射的兩束光將發生干涉，其光程差 △=2l+λ/2 （l為空氣薄膜厚度）。因為空氣劈尖厚度相等之處是一系列平行於兩玻璃板接觸處（即稜邊）的平行直線，所以其干涉圖樣是與稜邊平行的一組明暗相間的等間距的直條紋，當Δ=（2k+1）λ/2，（k=0，1，2，3……）時，為干涉暗條紋，與k級暗條紋對應的薄膜厚度為：d=k×λ/2

　　由於k值一般較大，為了避免數錯，在實驗中可先測出某長度l內的干涉暗條紋的間隔數n，則單位長度的干涉條紋數 X=n/l，若稜邊與頭髮絲的距離為L，則頭髮絲出現的暗條紋的級數為k=X×L，可得頭髮絲的直徑為：=X×L×λ/2= n/l×L×λ/2

　　②也可用三角形相似原理如圖（3-17-3）

　　D／d=L／l

　　D=（ L／l）×d

　　d=n×λ/2

　　取n=10（即間隔10個暗條紋）d=10×λ/2=5λ 所以D=（ L／l）×5λ 3

　　三、實驗方法選擇

　　1、將頭髮緊密地繞在細棒上，測出n 扎的長度，將其除以扎數便可得到頭髮絲的直徑。

　　2、運用邁克耳孫干涉儀測頭髮絲的直徑

　　3、運用劈尖等厚干涉測頭髮絲的直徑

　　比較以上三種測量方法，第一種精度較小，第二種實驗原理及其方法過於複雜，不便於實驗，相比前第二種試驗方法，第三種方法實驗原理及其過程相對簡單，而且相對第一種實驗方法而言第三種實驗精度較高，所以實驗選取第三種試驗方法。

　　四、實驗步驟