邁克爾孫干涉儀測空氣折射率實驗報告

1、第12頁實驗報告系別_班號_姓名_同組姓名_實驗日期 _ 教師評定 _【實驗名稱】邁克耳孫干涉儀【目的要求】1. 掌握M-干涉儀的調(diào)節(jié)方法; 2. 調(diào)出非定域干涉和定域干涉條紋; 3. 了解各類型干涉條紋的形成條件, 花紋特點, 變化規(guī)律及相互間的區(qū)別; 4. 用M-干涉儀測量氣體折射率. 【儀器用具】M-干涉儀(舊儀器第3組), He-Ne激光器及其電源, 擴束透鏡, 小孔光闌, 白熾燈, 毛玻璃, 小氣室, 打氣皮囊, 氣壓表, 凸透鏡. 【實驗原理】M1M2G1G2SEM2M-干涉儀光路M-干涉儀是一種分振幅雙光束的干涉儀. 其光路如圖. 期中M1可以移動. G1為分束板. 干涉花紋的圖

2、樣(1) 點光源照明非定域干涉條紋考慮虛光源S1和S2. 若毛玻璃垂直于兩者連線, 則得到圓條紋; 若毛玻璃垂直于兩者的垂直平分線, 則得到線條紋; 若其它情況, 則得到橢圓或雙曲線條紋. 非定域圓條紋特性:.(i)亮紋條件:.(ii)條紋間距:.(iii)條紋的”吞吐”:緩慢移動M1鏡, 改變d, 可以看到條紋條紋吞或吐的數(shù)目N有:.(iv)d增大, rk增大, 即條紋”吐”; d減小, rk減小, 即條紋”吞”. (2) 擴展光源照明定域干涉條紋(a) 等傾干涉條紋定域于無窮遠相鄰兩條紋角間距:.(v)(b) 等厚干涉條紋定域于鏡面附近.(vi)在交棱附近,可忽略. 因此在交棱附近看到的是

3、直條紋, 離棱遠就慢慢變成弧形, 且彎曲方向是凸向交棱方向的. 2. 測量空氣折射率.(vii)公式給出了氣壓為p時的空氣折射率n. 其中N為條紋吞吐量, p為氣室氣壓變化. 【實驗步驟和過程記錄】了解M-干涉儀的構(gòu)造(略)調(diào)節(jié)干涉條紋. 錯誤！未定義書簽。粗調(diào)M-干涉儀, 使M1和M2大致平行; 把固定鏡M2的兩個微動螺絲放在中間位置, 把M1鏡和M2鏡后的三個小螺絲擰合適, 不要太松或太緊. 將激光束調(diào)成水平, 調(diào)整好小孔光闌的高度和位置(小孔放在比較靠近激光源的地方). 再利用”自準直”的方法, 調(diào)整M1和M2, 使它們各自反射像的最亮點都和小孔重合. 此時M1和M2基本平行. 非定域干

4、涉條紋:上面的調(diào)整完成后, 在小孔光闌上應該看到類似干涉的條紋. 此時拿走小孔光闌, 換上一短焦距小透鏡, 并調(diào)整其高度和位置使光束能比較均勻得照亮M2. 用兩塊毛玻璃在E處作為干涉屏. 此時應該可以在屏上看到干涉條紋. 調(diào)節(jié)M2的微動螺絲, 可以調(diào)整中心的位置和傾角, 當位于光斑中心時, 可以在毛玻璃上觀測到非定域圓條紋. 轉(zhuǎn)動M-干涉儀的粗調(diào)手柄, 使M1鏡移動, 可以觀察到非定域圓條紋的變化. 如果條紋”吞”, 說明d減小, 此時條紋變粗變疏, rk變小; 如果條紋”吐”, 說明d變大, 此時條紋變細變密, rk變大. 此觀察結(jié)果與理論相符. 將d減小, 再細調(diào)M1和M2傾角, 然后使毛

5、玻璃垂直于兩者的垂直平分線, 則得到線條紋; 此時稍微改變傾角和毛玻璃的取向, 可以得到雙曲線條紋. 觀察定域干涉條紋:等傾條紋把兩塊毛玻璃重疊放在小透鏡與G1板之間, 獲得擴展光源. 在上面圓條紋的基礎上將d調(diào)得很小(使條紋很粗很疏), 用眼鏡代替接收屏, 進一步調(diào)節(jié)微動螺絲, 使得眼鏡上下左右移動的時候, 圓心隨著眼鏡移動, 但各圓的大小不變, 條紋不吞不吐. 因為眼鏡聚焦的無窮遠, 所以干涉定域于無窮遠, 因此我們看到的就是嚴格的等傾條紋. d一定時, 越靠近中心的干涉圓環(huán), 間距越大, 即干涉條紋中間疏邊緣密; 改變d時, 條紋隨著d的減小而變得稀疏. 此觀察結(jié)果與理論相符. 將凸透鏡

6、放在E的位置, 找到凸透鏡成像的位置. 觀測到此位置與凸透鏡的距離大概等于凸透鏡的焦距. 因此可以判斷等傾條紋大約定域在無限遠. 等厚條紋擴展光源照明. 在非定域圓條紋的基礎上將d調(diào)得很小(使條紋很粗很疏), 調(diào)整微動螺絲使得M1和M2成一小傾角. 調(diào)整粗調(diào)手柄使條紋往”吞”, 在視場中出現(xiàn)了直線干涉條紋(不一定是豎直線). 調(diào)節(jié)M1和M2的傾角可以使條紋變得不太密, 便于觀察. 如果慢慢調(diào)整粗調(diào)手柄, 可以看到干涉條紋再變彎曲. 在干涉條紋從彎曲變得接近直線的附近, 加上白光光源, 繼續(xù)朝一樣的方向, 用細調(diào)螺旋慢慢調(diào)整M1. 在變成直線再開始變彎的時候, 觀察到了彩色的白光干涉條紋. 記錄

7、此時M的位置. 測量空氣的折射率. 一邊放氣一邊數(shù)”吃掉”的圓干涉條紋數(shù)目, 每吃掉一次, 由氣壓表讀出值. 放掉氣室的氣, 使回到0, 再測量下一組數(shù)據(jù). 然后由原理中的公式計算出一個大氣壓下空氣的折射率n. 【實驗數(shù)據(jù)】1. 非定域干涉條紋的調(diào)節(jié)與觀察：轉(zhuǎn)動粗調(diào)手柄：轉(zhuǎn)動方向M1與M2的距離Rk的變化條紋的變化粗調(diào)手柄示數(shù)增大增大增大中心吐，變密，細粗調(diào)手柄示數(shù)減小減小減小中心吞，變粗，疏轉(zhuǎn)動E大概65°之后，觀察到了橢圓條紋。操作：調(diào)節(jié)U12 ，使M1 和 M2成一個小角度，轉(zhuǎn)動手柄使M1移動現(xiàn)象：首先，觀察到圓條紋變粗，逐漸消減 接著調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)動把手若干圈后，觀察到干涉條紋彎曲

8、，變?yōu)椋?接著轉(zhuǎn)動粗調(diào)手柄，條紋變?yōu)椋喊l(fā)現(xiàn)調(diào)節(jié)過度，換檔之后，用細調(diào)手柄向相反方向轉(zhuǎn)動得到： 調(diào)節(jié)U2，使條紋最終成為： 此時測得M1的位置： X 11.77902 mm2. 定域干涉條紋的調(diào)節(jié)與觀察：等傾條紋：操作：把兩塊塊毛玻璃重疊放在小透鏡與G1板之間, 獲得擴展光源. 在上面圓條紋的基礎上將d調(diào)得很小(使條紋很粗很疏),減小d ，調(diào)節(jié)U2，使各圓大小不變，不吞不吐。用眼鏡代替接收屏, 進一步調(diào)節(jié)微動螺絲?，F(xiàn)象 眼睛上下左右移動的時候, 圓心隨著眼睛移動, 但各圓的大小不變, 條紋不吞不吐. 粗略驗證焦距： f 14.9 cm3. 等厚和白光條紋的調(diào)節(jié)和觀察 等厚條紋的調(diào)節(jié)和觀察： 操作

9、：轉(zhuǎn)動粗調(diào)手柄，觀察到圓條紋粗而疏 現(xiàn)象：調(diào)節(jié)U2，再轉(zhuǎn)動粗調(diào)手柄，出現(xiàn)直線干涉條紋。 繼續(xù)調(diào)節(jié)U2，M1與M2之間的夾角增大，條紋變密M1與M2之間的夾角減小，條紋變疏再調(diào)節(jié)粗調(diào)手柄可以觀察到干涉條紋從直變彎再變直。彩色條紋的調(diào)節(jié)和觀察：操作：加上白光光源，然后調(diào)節(jié)粗調(diào)手柄，再條紋由彎變直的距離仔細觀察?，F(xiàn)象：經(jīng)過長時間的調(diào)節(jié)，觀察到了彩色條紋。 條紋中心有三條紫黑色的線，中間那條較其他兩條黑的是對稱軸，沿軸向外彩色條紋的顏色分別是深黃色，紫黑色，深綠色，棕黃色，紅色，紫色，淺綠色，桔黃色，淡紅色，紫紅色，淺綠色 和單色光源比較之后發(fā)現(xiàn)，彩色光源形成的干涉條紋的特點是：距離對稱軸越遠，條紋的

10、色散現(xiàn)象越明顯。測得此時M1的距離讀數(shù)： X 11.66593 mm4. 空氣折射率測量數(shù)據(jù):=632.8nmD=3.53cmp0=760mmHg 室溫 T= 20°C數(shù)據(jù)表格如下：次數(shù)P1 mmHgP2 mmHg折射率n6220641.000267230381.000255210601.000247238441.000257279921.000248280601.00025平均243601.00025【實驗結(jié)果】1. 觀測到所有要求觀測的干涉條紋. 2. M1位于11.66593mm處時得到等厚白光干涉條紋:3. 由公式(vii)計算, 求得一個標準大氣壓下空氣的折射率為:n=1+

11、2.5×10-4】【分析與討論】§誤差分析：1 對于X與X不相等的分析：在尋找直條紋的時候由于第一次錯過了直條紋的出現(xiàn)，粗調(diào)手柄調(diào)節(jié)過度，不得不向相反方向調(diào)節(jié)，因此產(chǎn)生了螺距差。在尋找白光干涉條紋時，也是由于反復的在條紋由曲變直的附近尋找，造成了螺距差。2關(guān)于空氣折射率的測量的誤差：實驗室所提供的氣壓計有一些問題，多多少少影響了實驗測量數(shù)據(jù)的準確性。另外由于室內(nèi)溫度的變化，折射率也會有一定的變化，參考結(jié)果是在室溫為14攝氏度時測量的，但是在實驗過程中室內(nèi)溫度在20攝氏度左右，溫度對于折射率有影響，因此測量結(jié)果和參考結(jié)果有一些差距。§實驗的總結(jié)：調(diào)整光路的時候可以采

12、用”自準直”法(包括調(diào)整光闌位置的時候), 可以比較快地調(diào)好光路; 還有調(diào)節(jié)彩色干涉條紋時如果調(diào)過了由彎變直的那個區(qū)域, 那么最好的方法是用粗調(diào)倒過去再用微調(diào)回來慢慢的找, 否則因為螺距差的緣故, 會耽誤很多時間; 因為用的是老式儀器,做工很精細，調(diào)節(jié)起來比較方便快捷，而且受外界因素影響較少，實驗比較順利。 每個儀器底下都由三個螺絲可以用來調(diào)平, 這三個螺絲很好用, 調(diào)節(jié)等傾條紋的時候, 可以分別在調(diào)節(jié)讓當眼睛眼相互垂直兩個方向移動時都沒有條紋吞吐。還有在觀察彩色條紋的時候我問了老師為什么中間的對稱軸會是紫黑色的而不是黑色的，老師做了大略的解釋，知道是由于鏡片的原因，但是我現(xiàn)在還不是很明白其中

13、的定量分析，有機會的話一定要當面請教一下鐘錫華老師。測折射率時觀察條紋的形狀然后計數(shù)是很有必要的，如果初始形狀不便于你數(shù)吞噬條紋的數(shù)量，那么最后的測量結(jié)果會有很大的誤差。 這次調(diào)節(jié)白光彩色條紋是一個很細致的操作，很多同學都表現(xiàn)的很不耐煩，我認為這次實驗很需要耐心，以后的研究實驗也是一樣，如果自己做實驗室不夠耐心的話就很可能錯過很多重要的現(xiàn)象，從而影響到實驗的結(jié)果。最后感謝段老師在本次實驗過程中的耐心指導! J 【思考題】1 試驗中怎樣才能觀察到非定域的直條紋和雙曲線條紋？調(diào)節(jié)U12 ，使M1 和 M2成一個小角度，轉(zhuǎn)動手柄使M1移動接著調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)動把手若干圈后，觀察到干涉條紋彎曲，然后會逐漸變直。2 M干涉儀的分束板G1應使反射光和透射光的光強比接近1 ：1 這是為什么？ 在入射光強為一定值的條件下，為了得到很清晰的干涉圖樣，就要求干涉場的