“迈克尔逊干涉仪”实验报告
【引言】
迈克尔逊干涉仪是美国物理学家迈克尔逊(A.A.Michelson)发明的。1887年迈克尔逊和莫雷(Morley)否定了“以太”的存在,为爱因斯坦的狭义相对论提供了实验依据。迈克尔逊用镉红光波长作为干涉仪光源来测量标准米尺的长度,建立了以光波长为基准的绝对长度标准,即1m=1 553 164.13个镉红线的波长。在光谱学方面,迈克尔逊发现了氢光谱的精细结构以及水银和铊光谱的超精细结构,这一发现在现代原子理论中起了重大作用。迈克尔逊还用该干涉仪测量出太阳系以外星球的大小。
因创造精密的光学仪器,和用以进行光谱学和度量学的研究,并精密测出光速,迈克尔逊于1907年获得了诺贝尔物理学奖。
【实验目的】
(1)了解迈克尔逊干涉仪的原理和调整方法。
(2)测量光波的波长和钠双线波长差。
【实验仪器】
迈克尔逊干涉仪、He-Ne激光器、钠光灯、扩束镜
【实验原理】
1.迈克尔逊干涉仪结构原理
图1是迈克尔逊干涉仪光路图,点光源S发出的光射在分光镜G1,G1右表面镀有半透半反射膜,使入射光分成强度相等的两束。反射光和透射光分别垂直入射到全反射镜M1和M2,它们经反射后再回到G1的半透半反射膜处,再分别经过透射和反射后,来到观察区域E。如到达E处的两束光满足相干条件,可发生干涉现象。
G2为补偿扳,它与G1为相同材料,有相同的厚度,且平行安装,目的是要使参加干涉的两光束经过玻璃板的次数相等,波阵面不会发生横向平移。
M1为可动全反射镜,背部有三个粗调螺丝。
M2为固定全反射镜,背部有三个粗调螺丝,侧面和下面有两个微调螺丝。
2.可动全反镜移动及读数
可动全反镜在导轨上可由粗动手轮和微动手轮的转动而前后移动。可动全反镜位置的读数为:
××.□□△△△ (mm)
(1)××在mm刻度尺上读出。
(2)粗动手轮:每转一圈可动全反镜移动1mm,读数窗口内刻度盘转动一圈共100个小格,每小格为0.01mm,□□由读数窗口内刻度盘读出。
(3)微动手轮:每转一圈读数窗口内刻度盘转动一格,即可动全反镜移动0.01mm,微动手轮有100格,每格0.0001mm,还可估读下一位。△△△由微动手轮上刻度读出。
注意螺距差的影响。
3.He-Ne激光器激光波长测试原理及方法
光程差为:
当θ=0时的光程差δ最大,即圆心所对应的干涉级别最高。转动手轮移动M1,当d增加时,相当于增大了和k相应的θ角(或圆锥角),可以看到圆环一个个从中心“冒出” ;若d减小时,圆环逐渐缩小,最后“淹没”在中心处。
每“冒”出或“缩”进一个干涉环,相应的光程差改变了一个波长,也就是M1与M2’之间距离变化了半个波长。
若将M1与M2’之间距离改变了△d时,观察到N个干涉环变化,则
或
由此可测单色光的波长。
4.钠双线波长差的测量原理和测量方法
从条纹最清晰到条纹消失由于M1移动所附加的光程差:
钠双线波长差:
Lm是视场中的条纹连续出现两次反衬度最低时M1所移动的距离。
【实验内容】
1.测He-Ne激光的波长
(1)激光直接照射到分光板中部,调整调节螺丝使观察屏上的最大最亮的2个反射点严格重合。
(2)放入扩束镜,使光斑均匀地射到分光板上,调节拉簧螺丝,使屏上出现的圆环的圆心移动到观察屏中央。
(3)调节微调鼓轮向一个方向转动几圈,当看到观察屏上有条纹吞吐了,记录M1的初试位置d1。
(4)继续转动微调鼓轮,每吞吐50个条纹记录一次M1的位置, 连续记录8组数据。
2.测钠光的双线波长差
(1)点亮钠光灯,使光源与分光板等高并且位于分光板和M2镜的中心连线的延长线上。转动粗调手轮,使M1和M2至G1的距离大致相等。
(2)取下并轻轻放置好观察屏,直接用眼睛观察。仔细调节M2后面或下方的调节螺丝,应能看到钠光的等倾条纹。
(3)转动粗调手轮,找到条纹变模糊位置,调好标尺零点。用微调手轮继续缓缓移动M1,同时仔细观察至条纹反衬度最低时记下M1的位置。随着光程差的不断变化,按顺序记录六次条纹反衬度最低时M1的位置读数。相邻两次读数差等于Lm的值。
【数据处理】
1.测He-Ne激光的波长
,
。
2.测钠光的双线波长差
,
。
,
。
【注意事项】
1、迈克尔逊干涉仪是精密仪器,在旋转调整螺丝和手轮时手要轻,动作要稳。切勿用手触摸镜片。
2、调测微尺零点方法:先将微调鼓轮沿某一方向(按读数的增或减)旋转至零线,然后以同方向转动粗调鼓轮对齐读数窗口中某一刻度,以后测量时使用微调鼓轮须向同一方向旋转。
3、微调鼓轮有方向空程,实验中如果中途反向转动,则须重新调整零点。
4、用激光束调节仪器时,应防止激光束射入眼睛,使视网膜受伤。
【预习思考题】
(1)说明迈克尔逊干涉仪各光学元件的作用,并简要叙述调出等倾干涉条纹的方法及注意事项。
答:在迈克尔逊干涉仪光路图中,分光板G1将光线分成反射与透射两束;补偿板G2 使两束光通过玻璃板的光程相等;定镜M2和动镜M1分别反射透射光束和反射光束;凸透镜将激光汇聚扩束。
要获得等倾干涉条纹花样,就必须使M1和M2/(M2 的虚像)相互平行,即M1 和M2 相互垂直。另外还要有较强而均匀的入射光。调节的主要程序是:
① 用水准器调节迈氏仪水平;目测调节激光管(本实验室采用激光光源)中心轴线,凸透镜中心及分束镜中心三者的连线大致垂直于定镜M2 。
② 开启激光电源,用纸片挡住M1 ,调节M2背面的三个螺钉,使反射光点中最亮的一点返回发射孔;再用同样的方法,使M1 反射的最亮光点返回发射孔,此时M1 和M2/ 基本互相平行。
③ 微调M2 的互相垂直的两个拉簧,改变M2 的取向,直到出现圆形干涉条纹,此时可以认为M1 与M2/ 已经平行了。同方向旋动大、小鼓轮,就可以观察到非定域的等倾干涉环纹的“冒”或“缩”。
注意事项:
①迈克尔逊干涉仪是精密仪器,在旋转调整螺丝和手轮时手要轻,动作要稳。切勿用手触摸镜片。
②调测微尺零点方法:先将微调鼓轮沿某一方向(按读数的增或减)旋转至零线,然后以同方向转动粗调鼓轮对齐读数窗口中某一刻度,以后测量时使用微调鼓轮须向同一方向旋转。
③微调鼓轮有方向空程,实验中如果中途反向转动,则须重新调整零点。
④用激光束调节仪器时,应防止激光束射入眼睛,使视网膜受伤。
(2)如何利用干涉条纹的“冒出”和“缩进”现象,测定单色光的波长?
答:每“冒出”或“缩进”一个干涉环,相应的光程差改变了一个波长,也就是M1与M2’之间距离变化了半个波长。若将M1与M2’之间距离改变了△d时,观察到N个干涉环变化,则
或
由此可测单色光的波长。
【讨论思考题】
(1)在观察等倾干涉条纹时,使M1和M2’逐渐接近直至零光程,试描述条纹疏密变化情况。
答:光程差逐渐减小,干涉条纹不断“缩进”,条纹由密变稀。当光程差减小到零时,条纹在视场中变模糊,视场变成一片亮场。
(2)在测定钠双线波长差的实验中,你是如何理解条纹反衬度随光程差的变化规律的?
答: 与的干涉图样同时加强,条纹最清晰,条纹反衬度V=1,此时移动M1以改变光程差,当一个光波的明条纹与另一光波的暗条纹恰好重叠时,干涉条纹消失,条纹反衬度V=0。这时由于M1移动为Lm。从条纹最清晰(条纹反衬度V=1)到下次条纹最清晰(条纹反衬度V=1),由于M1移动所附加的光程差为2Lm。干涉条纹反衬度随光程差作周期变化。
一、 名称:用迈克尔逊干涉仪测量光波的波长
二、 目的:
1、 了解迈克尔逊干涉仪的结构和干涉条纹的形成原理。
2、 通过观察实验现象,加深对干涉原理的理解。
3、 学会迈克尔逊干涉仪的调整和使用方法。
4、 观察等倾干涉条纹,测量激光的波长。
三、 实验器材:迈克尔逊干涉仪、He-Ne激光。
四、 原理:
迈克尔逊干涉仪光路如图所示。当和严格平行时,所得的干涉为等倾干涉。所有倾角为i的入射光束,由和反射反射光线的光程差均为,式中i为光线在镜面的入射角,d为空气薄膜的厚度,它们将处于同一级干涉条纹,
并定位于无限远。这时,图中E处,放一会聚透镜,在其共焦平面上,便可观察
到一组明暗相间的同心圆纹。
干涉条纹的级次以中心为最高,在干涉纹中心,应为i=0,由圆环中心出现亮点的条件是,得圆心处干涉条纹的级次。当和的间距d逐渐增大时,对于任一级干涉条纹,例如第k级,必定以减少其的值来满足,故该干涉条纹向变大(变小)的方向移动,即向外扩展。这时,观察者将看到条纹好像从中心向外“涌出”;且每当间距d增加时,就有一个条纹涌出。反之,当间距由大逐渐变小时,最靠近中心的条纹将一个个“陷入”中心,且每陷入一个条纹,间距的改变亦为。
因此,只要数出涌出或陷入的条纹数,即可得到平面镜以波长λ为单位而移动的距离。显然,若有N个条纹从中心涌出时,则表明相对于移动了,已知移动的距离和干涉条纹变动的数目,便可确定光波的波长。
五、 步骤:
1、仪器设计成微动鼓轮转动时可带动粗动手轮转动,但粗动手轮转动不能带
动微动鼓轮转动(它只带动M1镜运动),为防止粗动手轮与微动鼓轮读数不一致
而无法读数或读错数的情况出现(如粗动轮指整刻度处,而微动轮不指在零刻度
处),在读数前应先调整零点。方法如下:将微动轮沿某一方向(例如顺时针方
向)旋转至零,然后以同方向转动粗动轮使之对齐某一刻度。之后测量过程中只
能仍以同方向转动微动轮,使M1镜移动,不得再转动粗动轮,这样才能使微动
轮与粗动轮两者读数相互吻合。
2、为了使测量结果正确,必须避免引入空程误差,也就是说,在调整好零点以后,应将微动轮按原方向转几圈,直到干涉条纹开始移动以后,才可开始读数测量。为了消除空程误差,调节中,粗调手轮和微调鼓轮要向同一方向转动;测量读数时,微调鼓轮也要向一个方向转动,中途不得倒转。这里所谓“同一方向”,是指始终顺时针,或始终逆时针旋转。
3、用逐差法进行数据处理,表格自拟。
六、 记录:
七、数据处理:
由可得:
波长的平均值
标准偏差为:
波长的绝对误差为:
相对误差为:
迈克尔逊干涉仪实验报告引言迈克尔逊干涉仪是美国物理学家迈克尔逊AAMichelson发明的1887年迈克尔逊和莫雷Morley否定…
HARBINENGINEERINGUNIVERSITY物理实验报告实验题目迈克尔逊干涉仪姓名物理实验教学中心实验报告一实验题目迈克…
迈克尔逊干涉实验摘要:迈克尔逊干涉仪是一个经典迈克尔逊和莫雷设计制造出来的精密光学仪器,在近代物理和近代计量技术中都有着重要的应用…
实验报告23迈克尔逊干涉实验一实验目的1了解迈克尔逊干涉仪的结构2掌握迈克尔逊干涉仪的结构3观察光的等倾干涉现象并掌握波长的方法4…
迈克尔逊干涉仪的调整与应用1原始数据及处理11测量钠光灯波长Na5893nm不确定度计算A248xmmB000004mmUdmmU…
HARBINENGINEERINGUNIVERSITY物理实验报告实验题目:迈克尔逊干涉仪姓名:张志林物理实验教学中心实验报告一、…
实验总结:1.在实际测量中,出现了一下情况:随测量次数的增多,圆心位置发生了变化,这种现象是与理论相悖的,原因是由于M1与M2’未…
迈克尔逊干涉仪测量光波的波长班级姓名学号实验日期一实验目的1了解迈克尔逊干涉仪的结构和原理掌握调节方法2利用点光源产生的同心圆干涉…
实验报告23迈克尔逊干涉实验一实验目的1了解迈克尔逊干涉仪的结构2掌握迈克尔逊干涉仪的结构3观察光的等倾干涉现象并掌握波长的方法4…
迈克尔逊干涉实验摘要:迈克尔逊干涉仪是一个经典迈克尔逊和莫雷设计制造出来的精密光学仪器,在近代物理和近代计量技术中都有着重要的应用…
研究性实验报告迈克尔逊干涉实验迈克尔逊干涉实验39042122吴淼摘要迈克尔逊干涉仪是一个经典迈克尔逊和莫雷设计制造出来的精密光学…