實(shí)驗(yàn)5組裝邁克爾遜干涉儀測量空氣折射率(304)

1、實(shí)驗(yàn)5 組裝邁克爾遜干涉儀測量空氣折射率（304）一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 學(xué)習(xí)一種測量空氣折射率的方法。2. 進(jìn)一步了解光的干涉現(xiàn)象及其形成條件。3. 學(xué)習(xí)調(diào)整光路的方法。二、實(shí)驗(yàn)儀器1、激光器； 2、二維調(diào)整架（sz-07）； 3、擴(kuò)束鏡（f=15mm）； 4、升降調(diào)整座（sz-03）； 5、三維平移底座（sz-01）； 6、分束鏡（50%）； 7、通用底座（sz-04）； 8、白屏（sz-13）； 9、二維調(diào)整架（sz-07）； 10、空氣室； 11、光源二維調(diào)節(jié)架； 12、二維平移底座（sz-02）； 13、二維調(diào)整架（sz-07）； 14、平面反射鏡（sz-18）； 15、二維平移底座（sz

2、-02）； 16、二維平移底座（sz-02） ；17、平面反射鏡 ；18、二維調(diào)整架（sz-07）； 19、升降調(diào)整座（sz-03）； 20、精密電子氣壓計(jì)圖3.1-1 自組邁克耳孫干涉儀測量空氣折射率的實(shí)物示意圖三、實(shí)驗(yàn)原理邁克爾遜干涉儀光路示意圖如圖（3.1-2）所示。其中，bs為平板玻璃，稱為分束鏡，它的一個(gè)表面鍍有半反射金屬膜，使光在金屬膜處的反射光束與透射光束的光強(qiáng)基本相等。m1、m2為互相垂直的平面反射鏡，m1、m2鏡面與分束鏡bs均成450角；m1可以移動，m2固定。表示m2對bs金屬膜的虛像。從光源s發(fā)出的一束光，在分束鏡bs的半反射面上被分成反射光束1和透射光束2。光束1從b

3、s反射出后投向m1鏡，反射回來再穿過bs；光束2投向m2鏡，經(jīng)m2鏡反射回來再通過bs膜面上反射。于是，反射光束1與透射光束2在空間相遇，發(fā)生干涉。o 圖3.1-2 邁克爾遜干涉儀光路示意圖激光sbs12由圖（3.1-2）可知，邁克爾遜干涉儀中，當(dāng)光束垂直入射至m1、m2鏡時(shí)，兩束光的光程差為 （3.1-1）式中，和分別是路程、上介質(zhì)的折射率。設(shè)單色光在真空中的波長為，當(dāng) （3.1-2）時(shí)干涉相長，相應(yīng)地在接收屏中心的總光強(qiáng)為極大。由式（3.1-1）知，兩束相干光的光程差不但與幾何路程有關(guān)，還與路程上介質(zhì)的折射率有關(guān)。當(dāng)支路上介質(zhì)折射率改變時(shí)，因光程的相應(yīng)改變而引起的干涉條紋的變化數(shù)為。由（3

4、.1-1）式和（3.1-2）式可知 （3.1-3）例如：取和，若條紋變化，則可以測得?？梢?，測出接收屏上某一處干涉條紋的變化數(shù)，就能測出光路中折射率的微小變化。正常狀態(tài)（）下，空氣對在真空中波長為的光的折射率，它與真空折射率之差為。用一般方法不易測出這個(gè)折射率差，而用干涉法能很方便地測量，且準(zhǔn)確度高。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟（1）實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)裝置如圖3.1-3所示。用he-ne激光作光源（he-ne激光的真空波長為），并附加小孔光欄h及擴(kuò)束鏡t。擴(kuò)束鏡t可以使激光束擴(kuò)束。小孔光欄h是為調(diào)節(jié)光束使之垂直入射在m1，m2鏡上時(shí)用的。另外，為了測量空氣折射率，在一支光路中加入一個(gè)玻璃氣室，其長度為。氣壓表

5、用來測量氣室內(nèi)氣壓。在o處用毛玻璃作接收屏，在它上面可看到干涉條紋。o圖3.1-3 測量空氣折射率實(shí)驗(yàn)裝置示意圖激光器g氣壓表htl氣室打氣球（2）測量方法調(diào)好光路后，先將氣室抽成真空（氣室內(nèi)壓強(qiáng)接近于零，折射率），然后再向氣室內(nèi)緩慢充氣，此時(shí)，在接收屏上看到條紋移動。當(dāng)氣室內(nèi)壓強(qiáng)由0變到大氣壓強(qiáng)時(shí)，折射率由1變到。若屏上某一點(diǎn)（通常觀察屏的中心）條紋變化數(shù)為，則由式（3.1-3）可知 （3.1-4）但實(shí)際測量時(shí)，氣室內(nèi)壓強(qiáng)難以抽到真空，因此利用（3.1-4）式對數(shù)據(jù)作近似處理所得結(jié)果的誤差較大。應(yīng)采用下面的方法才比較合理。理論證明，在溫度和濕度一定的條件下，當(dāng)氣壓不太大時(shí)，氣體折射率的變化量

6、與氣壓的變化量成正比：所以 （3.1-5）將（3.1-3）式代入該式，可得 （3.1-6）式（3.1-6）給出了氣壓為時(shí)的空氣折射率。可見，只要測出氣室內(nèi)壓強(qiáng)由變化到時(shí)的條紋變化數(shù)，即可由式（3.1-6）計(jì)算壓強(qiáng)為時(shí)的空氣折射率，氣室內(nèi)壓強(qiáng)不必從0開始。例如，取=760mmhg，改變氣壓的大小，測定條紋變化數(shù)目，用（3.1-6）式就可以求出一個(gè)大氣壓下的空氣折射率的值。（3）實(shí)驗(yàn)步驟1. 按實(shí)驗(yàn)裝置示意圖把儀器放好。打開激光光源。2. 調(diào)節(jié)光路光路調(diào)節(jié)的要求是：m1，m2兩鏡相互垂直；經(jīng)過擴(kuò)束和準(zhǔn)直后的光束應(yīng)垂直入射到m1，m2的中心部分。（1）粗調(diào)h和t先不放入光路，調(diào)節(jié)激光管支架，目測使光

7、束基本水平并且入射在m1，m2反射鏡中心部分。若不能同時(shí)入射到m1，m2的中心，可稍微改變光束方向或光源位置。注意操作要小心，動作要輕慢，防止損壞儀器。（2）細(xì)調(diào)放入h，使激光束正好通過小孔h。然后，在光源和干涉儀之間沿光束移動小孔h。若移動后光束不再通過小孔而位于小孔上方或下方，說明光束未達(dá)到水平入射，應(yīng)該緩慢調(diào)整激光管的仰俯傾角，最后使得移動小孔時(shí)光束總是正好通過小孔為止。此時(shí)，在小孔屏上可以看到由m1，m2反射回來的兩列小光斑。用小紙片擋住m2鏡，h屏上留下由m1鏡反射回來的一列光斑，稍稍調(diào)節(jié)光束的方位，使該列光斑中最亮的一個(gè)正好進(jìn)入小孔h（其余較暗的光斑與調(diào)節(jié)無關(guān)，可不管它）。此時(shí)，光

8、束已垂直入射到m1鏡上了。調(diào)節(jié)時(shí)應(yīng)注意盡量使光束垂直入射在m1鏡的中心部分。用小紙片擋住m1鏡，看到由m2鏡反射回來的光斑，調(diào)節(jié)m2鏡后面的三個(gè)調(diào)節(jié)螺釘，使最亮的一個(gè)光斑正好進(jìn)入小孔h。此時(shí)，光束已垂直入射到m2鏡的中心部分了。記住此時(shí)光點(diǎn)在m2鏡上的位置。放入擴(kuò)束鏡，并調(diào)節(jié)擴(kuò)束鏡的方位，使經(jīng)過擴(kuò)束后的光斑中心仍處于原來它在m2鏡上的位置。調(diào)節(jié)至此，通常即可在接收屏o上看到非定域干涉圓條紋。若仍未見條紋，則應(yīng)按、步驟重新調(diào)節(jié)。條紋出現(xiàn)后，進(jìn)一步調(diào)節(jié)垂直和水平拉簧螺絲，使條紋變粗、變疏，以便于測量。3. 測量測量時(shí)，利用打氣球向氣室內(nèi)打氣，讀出氣壓表指示值，然后再緩慢放氣，相應(yīng)地看到有條紋“吐出

9、”或“吞進(jìn)”（即前面所說條紋變化）。當(dāng)“吐出”或“吞進(jìn)”=30個(gè)條紋時(shí)，記錄氣壓表讀數(shù)值。然后重復(fù)前面的步驟，共取6組數(shù)據(jù)，求出移過=30個(gè)條紋所對應(yīng)的氣室內(nèi)壓強(qiáng)的變化值的6次平均值。4. 計(jì)算空氣的折射率氣壓為時(shí)的空氣的折射率為我們要求測量為1個(gè)大氣壓強(qiáng)時(shí)空氣的折射率。五、注意事項(xiàng)1. 點(diǎn)燃激光管需要幾千伏直流高壓，調(diào)節(jié)時(shí)不要碰到激光管上的電極，以免觸電。強(qiáng)光還會灼傷眼睛，注意不要讓激光直接射入眼睛。2. 嚴(yán)禁觸摸光學(xué)儀器表面。3. 防止小氣室及氣壓表摔壞；打氣時(shí)不要超過氣壓表量程。4. 實(shí)驗(yàn)中必須保持安靜，盡量避免身體觸碰光學(xué)平臺以及在實(shí)驗(yàn)臺附近走動。5. 如何利用對氣室抽空后充氣的方法測量空氣的折射率？六、數(shù)據(jù)記錄及處理室溫15 ；大氣壓760mmhg