1、.學(xué)生物理實驗報告實驗名稱 邁克爾遜干涉儀的使用 學(xué) 院 專 業(yè) 班 級 報告人 學(xué) 號 同組人 學(xué) 號 同組人 學(xué) 號 同組人 學(xué) 號 理論課任課教師 實驗課指導(dǎo)教師 實 驗 日 期 報 告 日 期 實 驗 成 績 批 改 日 期 實驗?zāi)康模?） 了解邁克爾遜干涉儀的原理并掌握其調(diào)節(jié)方法（2） 觀察等傾干涉、等候干涉的條紋，并能區(qū)別定域干涉和非定域干涉（3） 測定He-Ne激光的波長（4） 觀察白光干涉條紋和測定鈉光波長及相干長度實驗儀器邁克爾遜干涉儀、He-Ne激光器。實驗原理1邁克爾遜干涉儀圖1是邁克爾遜干涉儀實物圖。圖2是邁克爾遜干涉儀的光路示意圖，圖中M和M是在相互垂直的兩臂上放置的

2、兩個平面反射鏡，其中M是固定的；M由精密絲桿控制，可沿臂軸前、后移動，移動的距離由刻度轉(zhuǎn)盤(由粗讀和細(xì)讀2組刻度盤組合而成)讀出。在兩臂軸線相交處，有一與兩軸成45°角的平行平面玻璃板G，它的第二個平面上鍍有半透（半反射）的銀膜，以便將入射光分成振幅接近相等的反射光和透射光，故G又稱為分光板。G也是平行平面玻璃板，與G平行放置，厚度和折射率均與G相同。由于它補償了光線和因穿越G次數(shù)不同而產(chǎn)生的光程差，故稱為補償板。從擴展光源S射來的光在G處分成兩部分，反射光經(jīng)G反射后向著M前進(jìn)，透射光透過G向著M前進(jìn)，這兩束光分別在M、M上反射后逆著各自的入射方向返回，最后都達(dá)到E處。因為這兩束光是

3、相干光，因而在E處的觀察者就能夠看到干涉條紋。由M反射回來的光波在分光板G的第二面上反射時，如同平面鏡反射一樣，使M在M附近形成M的虛像M，因而光在邁克爾遜干涉儀中自M和M的反射相當(dāng)于自M和M的反射。由此可見，在邁克爾遜干涉儀中所產(chǎn)生的干涉與空氣薄膜所產(chǎn)生的干涉是等效的。當(dāng)M和M平行時(此時M和M嚴(yán)格互相垂直)，將觀察到環(huán)形的等傾干涉條紋。一般情況下，M和M形成一空氣劈尖，因此將觀察到近似平行的干涉條紋(等厚干涉條紋)。 2單色光波長的測定用波長為的單色光照明時，邁克爾遜干涉儀所產(chǎn)生的環(huán)形等傾干涉圓條紋的位置取決于相干光束間的光程差，而由M和M反射的兩列相干光波的光程差為2dcos

4、i                                      (1)其中i為反射光在平面鏡M上的入射角。對于第k條紋，則有2dcos ik      &#

5、160;                              (2)當(dāng)M和M的間距d逐漸增大時，對任一級干涉條紋，例如k級，必定是以減少cosi的值來滿足式(2)的，故該干涉條紋間距向i變大(cos i值變小)的方向移動，即向外擴展。這時，觀察者將看到條紋好像從中心向外“涌出”，且每當(dāng)間距d增加/2時，

6、就有一個條紋涌出。反之，當(dāng)間距由大逐漸變小時，最靠近中心的條紋將一個一個地“陷入”中心，且每陷入一個條紋，間距的改變亦為/2。因此，當(dāng)M2鏡移動時，若有N個條紋陷入中心，則表明M相對于M移近了dN                                 

7、0;      (3)反之，若有N個條紋從中心涌出來時，則表明M相對于M移遠(yuǎn)了同樣的距離。如果精確地測出M移動的距離d，則可由式(3)計算出入射光波的波長。3測量鈉光的雙線波長差鈉光2條強譜線的波長分別為589.0 nm和589.6 nm，移動M，當(dāng)光程差滿足兩列光波和的光程差恰為的整數(shù)倍，而同時又為的半整數(shù)倍，即k(k)這時光波生成亮環(huán)的地方，恰好是光波生成暗環(huán)的地方。如果兩列光波的強度相等，則在此處干涉條紋的視見度應(yīng)為零(即條紋消失)。那么干涉場中相鄰的2次視見度為零時，光程差的變化應(yīng)為Lk(k1)(k為一較大整數(shù))由此得于是=式中為、的平

8、均波長。對于視場中心來說，設(shè)M鏡在相繼2次視見度為零時移動距離為d，則光程差的變化L應(yīng)等于2d，所以(4)對鈉光589.3 nm，如果測出在相繼2次視見度最小時，M鏡移動的距離d ,就可以由式(4)求得鈉光D雙線的波長差。4.點光源的非定域干涉現(xiàn)象激光器發(fā)出的光，經(jīng)凸透鏡L后會聚S點。S點可看做一點光源，經(jīng)G(G未畫)、M、M的反射，也等效于沿軸向分布的2個虛光源S、S所產(chǎn)生的干涉。因S、S發(fā)出的球面波在相遇空間處處相干，所以觀察屏E放在不同位置上，則可看到不同形狀的干涉條紋，故稱為非定域干涉。當(dāng)E垂直于軸線時(見圖3)，調(diào)整M和M的方位也可觀察到等傾、等厚干涉條紋，其干涉條紋的形成和特點與用

9、鈉光照明情況相同，此處不再贅述。實驗步驟1觀察擴展光源的等傾干涉條紋并測波長點燃鈉光燈，使之與分光板G等高并且位于沿分光板和M鏡的中心線上，轉(zhuǎn)動粗調(diào)手輪，使M鏡距分光板G的中心與M鏡距分光板G的中心大致相等(拖板上的標(biāo)志線在主尺32 cm 位置)。在光源與分光板G之間插入針孔板，用眼睛透過G直視M鏡，可看到2組針孔像。細(xì)心調(diào)節(jié)M鏡后面的 3 個調(diào)節(jié)螺釘，使 2 組針孔像重合，如果難以重合，可略微調(diào)節(jié)一下M鏡后的3個螺釘。當(dāng)2組針孔像完全重合時，就可去掉針孔板，換上毛玻璃，將看到有明暗相間的干涉圓環(huán)，若干涉環(huán)模糊，可輕輕轉(zhuǎn)動粗調(diào)手輪，使M鏡移動一下位置，干涉環(huán)就會出現(xiàn)。再仔細(xì)調(diào)節(jié)M鏡的2個拉簧螺

10、絲，直到把干涉環(huán)中心調(diào)到視場中央，并且使干涉環(huán)中心隨觀察者的眼睛左右、上下移動而移動，但干涉環(huán)不發(fā)生“涌出”或“陷入”現(xiàn)象，這時觀察到的干涉條紋才是嚴(yán)格的等傾干涉。測鈉光D雙線的平均波長。先調(diào)儀器零點，方法是：將微調(diào)手輪沿某一方向(如順時針方向)旋至零，同時注意觀察讀數(shù)窗刻度輪旋轉(zhuǎn)方向；保持刻度輪旋向不變，轉(zhuǎn)動粗調(diào)手輪，讓讀數(shù)窗口基準(zhǔn)線對準(zhǔn)某一刻度，使讀數(shù)窗中的刻度輪與微調(diào)手輪的刻度輪相互配合。始終沿原調(diào)零方向，細(xì)心轉(zhuǎn)動微調(diào)手輪，觀察并記錄每“涌出”或“陷入”50個干涉環(huán)時，M鏡位置，連續(xù)記錄6次。根據(jù)式(5-8)，用逐差法求出鈉光D雙線的平均波長，并與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較。2觀察等厚干涉和白光干涉

11、條紋在等傾干涉基礎(chǔ)上，移動M鏡，使干涉環(huán)由細(xì)密變粗疏，直到整個視場條紋變成等軸雙曲線形狀時，說明M與M接近重合。細(xì)心調(diào)節(jié)水平式垂直拉簧螺絲，使M與M有一很小夾角，視場中便出現(xiàn)等厚干涉條紋，觀察和記錄條紋的形狀、特點。用白熾燈照明毛玻璃(鈉光燈不熄滅)，細(xì)心緩慢地旋轉(zhuǎn)微動手輪，M與M達(dá)到“零程”時，在M與M的交線附近就會出現(xiàn)彩色條紋。此時可擋住鈉光，再極小心地旋轉(zhuǎn)微調(diào)手輪找到中央條紋，記錄觀察到的條紋形狀和顏色分布。3測定鈉光D雙線的波長差以鈉光為光源調(diào)出等傾干涉條紋。移動M鏡，使視場中心的視見度最小，記錄M鏡的位置；沿原方向繼續(xù)移動M鏡，使視場中心的視見度由最小到最大直至又為最小，再記錄M鏡位

12、置，連續(xù)測出6個視見度最小時M鏡位置。用逐差法求d的平均值，計算D雙線的波長差。4點光源非定域干涉現(xiàn)象觀察方法步驟自擬。邁克爾遜干涉儀系精密光學(xué)儀器，使用時應(yīng)注意防塵、防震；不能觸摸光學(xué)元件光學(xué)表面；不要對著儀器說話、咳嗽等；測量時動作要輕、要緩，盡量使身體部位離開實驗臺面，以防震動。實驗數(shù)據(jù)與結(jié)果波長(1)記錄M2的位置并用逐差法計算M2移動的距離d、He-Ne激光的“冒進(jìn)”或“縮進(jìn)”的條紋數(shù)NM2的位置讀數(shù)d（cm）M2移動的距離d（cm）=2d/N0.00658850d0=31.17115d0=d5-d0=0.0868050d1=31.19113d1=d6-d1=0.0827150d2=

13、31.20891d2=d7-d2=0.0814050d3=31.22575d3=d8-d3=0.0893950d4=31.24211d4=d9-d4=0.0805450d5=31.25795Vd=0.0823550d6=31.2738450d7=31.2903150d8=31.3060550d9=31.32265(2)講結(jié)果與公認(rèn)值（632.8nm）比較，計算相對誤差 658.8-632.8632.8x100%=4.1%實驗結(jié)果分析1在實際測量中，出現(xiàn)了一下情況：隨測量次數(shù)的增多，圓心位置發(fā)生了變化，這種現(xiàn)象是與理論相悖的，原因是由于M1與M2未達(dá)到完全平行或調(diào)整儀器時未調(diào)整好，而且圓心偏移速

14、度越快越說明M1與M2平行度越差2在測量完第一組數(shù)據(jù)后，反向旋轉(zhuǎn)時會在旋轉(zhuǎn)相當(dāng)多圈后才會出現(xiàn)中心圓環(huán)的由吞吐變吐，這個轉(zhuǎn)變不是立即就完成的，這是因為儀器右側(cè)的旋鈕為微調(diào)旋鈕，使用它對干涉儀的性質(zhì)改變影響較小，故有吞變吐需要旋轉(zhuǎn)相當(dāng)一段時間，此時應(yīng)旋轉(zhuǎn)中部大旋鈕，再使用微調(diào)，但不要忘記刻度盤調(diào)零。3兩組數(shù)據(jù)所測得的結(jié)果相差較大，這可能是由于測量過程的誤差或操作失誤所引起的，應(yīng)盡量避免。4實驗中還觀察到許多現(xiàn)象，如M1上出現(xiàn)很多光斑，其中有亮有暗，同心圓的粗細(xì)和疏密變化等等。但由于理論知識的缺乏，我們尚無法給出上述問題的完美解釋，需要我們進(jìn)一步的學(xué)習(xí)與探索。一進(jìn)行分析討論。從數(shù)據(jù)表格可以看到，在誤

15、差允許范圍內(nèi)，測量波長與理論波長一致，驗證了這種測試方法的可行性。誤差分析實驗中空程沒能完全消除；實驗對每一百條條紋的開始計數(shù)點和計數(shù)結(jié)束點的判定存在誤差；實驗中讀數(shù)時存在隨機誤差；實驗器材受環(huán)境中的振動等因素的干擾產(chǎn)生偏差。3)實驗結(jié)果：經(jīng)分析，當(dāng)順時針轉(zhuǎn)動旋鈕時，“吐”出圓環(huán)，此時測得一波長，當(dāng)逆時針轉(zhuǎn)動旋鈕時，“吞”出圓環(huán)，此時亦測得一波長。將二者取平均值得測得光的波長：P=0.95一個邁克爾遜實驗，不但讓我領(lǐng)悟到邁克爾遜設(shè)計干涉儀的巧妙和智慧，也更讓我知道了做實驗要有耐心和恒心，哪怕實驗再麻煩，也必須堅持不懈，注重細(xì)節(jié)，這樣才能真正地把實驗做2.1、為什么白光干涉不易觀察到？答：兩光束能產(chǎn)生干涉現(xiàn)象除滿足同頻、同向、相位差恒定三個條件外，其光程差還必須小于其相干長度。而