球王会官方大学物理试验-迈克尔逊干与仪

　　大学物理试验之迈克尔逊干与仪 迈克尔逊干与仪》试验报告 名字：高宇飞 试验日期：2014.9.12 联系方式： 学号：61313115 桌号：08 指导老师：李剑 大学物理试验之迈克尔逊干与仪 一、 导言 迈克尔逊曾用迈克尔逊干与仪做了三个闻名于世的试验：迈克尔逊-莫雷以太漂移、推 断光谱精细结构、用光波长标定规范米尺。迈克尔逊在精细仪器以及用这些仪器进行的 光谱学和计量学方面的研讨工作上做出了重大贡献，荣获 1907 年诺贝尔物理奖。迈克 尔逊干与仪规划精巧、用处广泛，是许多现代干与仪的原型，它不仅可用于精细丈量长 度，还可以应用于丈量介质的折射率，测定光谱的精细结构等。 二、试验意图 （1）了解迈克尔逊干与仪的光学结构及干与原理，学习其调理和使用办法 （2）学习一种测定光波波长的办法，加深对等倾的了解 （3）用逐差法处理试验数据 三、试验仪器 迈克尔逊干与仪、He-Ne 激光器、扩束镜等。 四、试验原理 迈克尔逊干与仪是 l883 年美国物理学家迈克尔逊（A.A.Michelson）和莫雷（E.W.Morley） 协作，为研讨“以太漂移试验而规划制造出来的精细光学仪器。用它可以高度精确地测定微 小长度、光的波长、透明体的折射率等。后人使用该仪器的原理，研讨出了多种专用干与仪， 这些干与仪在近代物理和近代计量技能中被广泛应用。 1.干与仪的光学结构 迈克尔逊干与仪的光路和结构如图 1 与 2 所示。M1、M2 是一对精细磨光的平面反射镜， M1 的方位是固定的，M2 可沿导轨前后移动。G1、 G2 是厚度和折射率都完全相同的一对平行玻璃 板，与 M1、M2 均成 45°角。G1 的一个外表镀 有半反射、半透射膜 A，使射到其上的光线分为 光强度差不多持平的反射光和透射光；G1 称为 分光板。当光照到 G1 上时，在半透膜上分红相 互笔直的两束光，透射光（1）射到 M1，经 M1 反射后，透过 G2，在 G1 的半透膜上反射后射向 E；反射光（2）射到 M2，经 M2 反射后，透过 G1 射向 E。因为光线 三次， 而光线，它们在 玻璃中的光程便持平了，所以核算这两束光的光程差时，只需核算两束光在空气中的光程差 就可以了，所以 G2 称为补偿板。当调查者从 E 处向 G1 看去时，除直接看到M2 外还看到 M1 的像 M1ˊ。所以（1）、（2）两束光好像从 M2 与 M1ˊ反射来的，因而迈克尔逊干与仪中所 发生的干与和 M1?～M2 间“构成”的空气薄膜的干与等效。 反射镜 M2 的移动选用蜗轮蜗杆传动系统，滚动粗调手轮（2）可以完成粗调。M2 移动 间隔的毫米数可在机体旁边面的毫米刻度尺（5）上读得。经过读数窗口，在刻度盘（3）上可 读到 0.01mm；滚动微调手轮（1）可完成微调，微调手轮的分度值为 1×10-4mm。可估读到 10-5mm。M1、M2 反面各有 3 个螺钉可以用来粗调 M1 和 M2 的倾度，倾度的微调是经过调理 水平微调（15）和竖直微调螺丝（16）来完成的。 大学物理试验之迈克尔逊干与仪 2. 单色点光源的非定域干与 本试验用 He-Ne 激光器作为光源（见图 3），激光经过扩束镜 L 会聚成一个强度很高的 点光源 S，射向迈克尔逊干与仪，点光源经平面镜 M2、M2 反射后，相当于由两个点光源 S1 ˊ和 S2ˊ宣布的相干光束。Sˊ是 S 的等效光源，是经半反射面 A 所成的虚像。S1′是 S′ 经 M1′所成的虚像。S2′是 S′经 M2 所成的虚像。由图 3 可知，只需调查屏放在两点光源 图 2 迈克尔逊干与仪结构图 大学物理试验之迈克尔逊干与仪 图 3 点光源干与光路图 图 4 点光源发生等倾干与条纹 宣布光波的堆叠区域内，都能看到干与现象，故这种干与称为非定域干与。假如 M2 与 M1′ 严厉平行，且把调查屏放在笔直于 S1′和 S2′的连线上，就能看到一组明暗相间的同心圆 干与环，其圆心坐落 S1′S2′轴线d， 屏上其它恣意点 P′或 P″的光程差近似为 ? ? 2d cos? （1） 式中? 为 S2′射到 P″点的光线 法线d ? cos? ? k? 时，为明纹；当 2d ? cos? ? (2k ?1)? / 2 时，为暗纹。 由图 4 可以看出，以 P0 为圆心的圆环是从虚光源宣布的倾角相同的光线干与的成果， 因而，称为“等倾干与条纹”。 由（4）式可知? =0 时光程差最大，即圆心 P0 处干与环级次最高，越向边际级次越低。 当 d 添加时，干与环中心级次将增高，条纹沿半径向外移动，即可看到干与环从中心“冒” 出；反之当 d 减小，干与环向中心“缩”进去。 由明纹条件可知，当干与环中心为明纹时，Δ =2d=kλ 。此刻若移动 M2（改动 d)，环 心处条纹的级次相应改动，当 d 每改动λ /2 间隔，环心就冒出或缩进一条环纹。若 M2 移动 间隔为Δ d，相应冒出或缩进的干与环条纹数为 N，则有 ?d ? N ? 2 ? ? 2?d N （2） 式中 ?d 为 M2 移动前后的方位读数差。试验中只需测出 ?d 和 N，即可由（2）式求出 波长。 大学物理试验之迈克尔逊干与仪 四. 试验内容 1.单色点光源非定域干与 调理干与仪使导轨大致水平；调理粗调手轮，使活动镜大致移至导轨 30mm 刻度处； 调理倾度微调螺丝，使其拉簧松紧适中。然后使得激光管发射的激光束从分光板中心穿过， 并笔直射向反射镜 M1（此刻应能看到有一束光沿原路退回）。 装上调查屏，从屏上可以看到由 M1、M2 反射过来的两排光点。调理 M1、M2 反面的 3 个螺丝，使两排光点接近，并使两个最亮的光点重合。这时 M1 与 M2 大致笔直（M1′与 M2 大致平行）。然后在激光管与分光板间加一扩束镜，一起调理倾度微调螺丝(15、16)，即 能从屏上看到一组弧形干与条纹，再细心调理倾度微调螺丝，当 M1′与 M2 严厉平行时， 弧形条纹变成圆形条纹。 滚动微调手轮，使 M2 前后移动，可看到干与条纹的冒出或缩进。细心调查，当 M2 位 置改动时，干与条纹的粗细、疏密与 d 的联系。 2.丈量激光波长 （1）丈量前先按以下办法校准手轮刻度的零位。先以逆时针方向滚动微调手轮，使读 数准线对准零刻度线；再以逆时针方向滚动粗调手轮，使读数准线对准某条刻度线。 当然也可以都以顺时针方向滚动手轮来校准零位。但应留意：丈量过程中的手轮转向应 与校准过程中的转向共同。 （2）按原方向滚动微调手轮（改动 l 值），可以看到一个一个干与环从环心冒出（或缩 进）。当干与环中心最亮时，记下活动镜方位读数 d 0 ，然后持续缓慢滚动微调手轮，当冒出 （或缩进）的条纹数 N=100 时，再记下活动镜方位读数 d1 ，重复丈量屡次，由（2）式算出 波长，核算相对不确定度。 五、 试验数据处理 1、使用非定域干与条纹测定氦氖激光的波长 ? 大学物理试验之迈克尔逊干与仪 ??d ? N ? ? 2 ?? ? 2?d N ? ? 2?d ? 2? 0.20037 ? 0.00066790 N 600 U? ? ( ?? ???d ?)2U 2 ?d ? 0.000015 试验成果： ? ? ? ?U? ? 0.00066790? 0.000015（mm） 2、调查定域干与条纹，描绘出调查到的干与图画（定性描 绘出干与条纹的形状、疏密等现象）。总结条纹改变规则， 解说条纹的特征和改变机理。 ? M1 M 1与M 之间的相对方位 2 M 2 等倾干与图画 大学物理试验之迈克尔逊干与仪 M 1与M 之间的相对方位 2 等倾干与图画 M 1与M 之间的相对方位 2 等倾干与图画 大学物理试验之迈克尔逊干与仪 M 1与M 之间的相对方位 2 等倾干与图画 M 1与M 之间的相对方位 2 等倾干与图画 大学物理试验之迈克尔逊干与仪 M 1与M 之间的相对方位 2 等倾干与图画 M 1与M 之间的相对方位 2 等倾干与图画 大学物理试验之迈克尔逊干与仪 M 1与M 之间的相对方位 2 等倾干与图画 M 1与M 之间的相对方位 2 等倾干与图画 大学物理试验之迈克尔逊干与仪 M 1与M 之间的相对方位 2 等倾干与图画 光场的时刻相干性研讨 原理 1、光源的时刻相干性 在迈克尔逊干与仪的实践操作中，M1 与 M 2 的间隔超越一 定规模使得光程差过大时，就会导致干条纹含糊乃至消失， 这是与光源的相干性有密切联系的。时刻相干性是光源相干 程度的一种描绘，相干长度 Lm 和相干时刻 tm 与单色光的中心 波长 ?0 和谱线宽度?? 之间的联系为 Lm ? ?20 ?? ； tm ? Lm c ? ?20 c?? 可见，光源的单色性越好、?? 越小，相干长度就越长、 光源的时刻相干性就越好。氦氖激光的单色性很好， Lm 长达 几米到几公里。钠光灯、汞灯火的?? 均为 0.1nm 数量级，Lm 约 大学物理试验之迈克尔逊干与仪 几厘米。白炽灯发射的各谱线光的?? 与 ? 同数量级， Lm 仅有 几个微米。 2、干与条纹的可见度、光拍现象 （1）干与条纹的可见度界说为 ? ? Imax ? Imin I max ? I min 其间 Imax为调查点邻近的极大光强， Imin 为调查点邻近的极小 光强。明显 Imin ? 0 ， Imax ? 0 时，? ?1，可见度最大，干与条纹 最明晰；Imin ? Imax时，? ? 0 ，此刻看不到干与条纹。一般来说， 干与条纹总是在 0 与 1 之间。干与条纹的可见度取决于多种 要素，例如两束光的光强比、光源的巨细，以及光源的光谱 散布等，本试验侧重评论光谱散布对可见度的影响。 （2）双线结构的光源使干与条纹的可见度随光程差作周期 性改变——光拍现象 （3）双线结构的钠黄光照耀迈克尔逊干与仪时，波长 ?1 和 ?2 的单色光别离发生一套自己的干与图画，实践调查到的干与 图画对错相干叠加。叠加的成果使得干与条纹的可见度随镜 面 M 1 与 M 2 之间光程差的改变作周期性改变，即在添加光程差 的过程中，干与条纹由明晰-》消失-》明晰-》消失，条纹可 见度呈周期性改变，呈现了“拍”现象。在屡次呈现可见度 为 0 的现象之后，再持续增大光程差时，“拍”现象就消失 了。 大学物理试验之迈克尔逊干与仪 剖析光拍现象中各物理量联系可得： 2 ?? ? ?2 ? ?1 ? ? 2?d 式中 ?d 为相邻两次可见度最小时对应的动反射镜 M1 移 动的间隔， ? ? 1 2 (?1 ? ?2 ) 数据 ?d ? 0.27163 ? n?1 =0.030541 ?? ? ?2 ? ?1 ? 2 ? 2?d {1 (0.0005890? 0.0005896)}2 ?2 2 ? 0.27163 ? 0.(mm) UA ? t n ? n?1 ? 1.24 ? 0.030541 ? 0.0378324 (mm) ?ins ? 0.00010 (mm) ?U ?d ? U 2 A ? ?2 ins ? 0.0378325(mm) ?U ?? ? { ?2 2(?d ) 2 }2 U 2 ?d ? 0.000000087 (mm) 大学物理试验之迈克尔逊干与仪 试验总结 本次试验严厉依照试验操作过程进行，在了解原理的基础上进行 试验，很大程度上把理论投入试验，试验成果的精确度较好，期望下 次可以总结经验，从试验中取得更多常识。 参阅用书 《大学物理试验》（修订版）钱锋、潘人培主编 高等教育出版社