邁克爾遜干涉儀的調(diào)整與應(yīng)用實驗要點

1、實驗要點實驗前請認真閱讀本要點：（1）聽完課后，同學們結(jié)合儀器請仔細閱讀教材的相關(guān)內(nèi)容，特別是 P189 的干涉儀光路圖（圖5-61 ）、P191公式（5-123、5-124）的由來及應(yīng)用、P193至 P194的儀器說明與練習一。測量固體試件的線膨脹系數(shù)還要閱讀教材的P136與P138的實驗內(nèi)容1。注：邁克爾遜干涉儀有仿真實驗，同學們可以在實驗之前用其進行預(yù)習。仿真實驗位于：桌面大學物理仿真實驗大學物理仿真實驗 v2.0 （第二部分），其中大學物理仿真實驗v2.0 （第二部分）.exe為正式版，大學物理仿真實驗示教 版v2.0（第二部分）.exe為示教版，同學們在使用之前可先看示教版。（2）實

2、驗內(nèi)容1）掌握邁克爾遜干涉儀的調(diào)節(jié)方法， 并記錄位置改變時干涉條紋的變化， 如 條紋的“冒出”和“縮進”、條紋的疏密、條紋間距與“空氣薄膜”的關(guān)系等。2） 根據(jù)逐差法的要求確定如何合理測量數(shù)據(jù)，規(guī)范記錄實驗數(shù)據(jù)及已知參數(shù) 等。3） 擬定利用邁克爾遜干涉儀測量透明薄片的折射率（厚度）的實驗方案，并 利用仿真實驗來驗證實驗方案。4）（選做）利用仿真實驗測量測量鈉光的波長、鈉黃光雙線的波長差、鈉光 的相干長度等。（3）閱讀F盤上的數(shù)據(jù)處理文件（邁克爾遜干涉儀的調(diào)整與應(yīng)用數(shù)據(jù)處理、 線膨脹系數(shù)測量數(shù)據(jù)處理（據(jù)環(huán)數(shù)記溫度）、線膨脹系數(shù)測量數(shù)據(jù)處理（據(jù)溫度記環(huán) 數(shù)），了解需測量的數(shù)據(jù)要求（處理需用逐差法）

3、，確定如何進行數(shù)據(jù)測量。根 據(jù)需測量的數(shù)據(jù)，在實驗儀器上進行預(yù)測量與觀察相應(yīng)的實驗現(xiàn)象，即先測量一小部份數(shù)據(jù)，弄清測量的重點與難點，確定測量方法，然后進行正式測量。（4）測波長與測線膨脹系數(shù)的主要調(diào)節(jié)方法是一樣的，需掌握邁克爾遜干涉光路的調(diào)節(jié)方法，并了解干涉條紋的變化情況，如條紋的“冒出”和“縮進”、條紋的疏密、條紋間距與“空氣薄膜”的關(guān)系等。（一些問題詳見附錄4疑難 解答）測量He-Ne激光的波長的同學還要掌握如何正確使用讀數(shù)結(jié)構(gòu)（包括如何讀 數(shù)、校零、消空程等）。測量固體試件的線膨脹系數(shù)的同學還要掌握如何正確進行控溫（詳見38的實驗內(nèi)容1）。（5）測波長的同學（后十位同學）需每冒出（或縮進

4、）50環(huán)，讀一次M!鏡 的位置，至少連續(xù)測8組，將數(shù)據(jù)填入表格，并觀察其實驗現(xiàn)象。測線膨脹系數(shù)的同學（前十位同學）可以采用按升高（降低）一定的溫度（例 如2C）測量試件伸長量的方法（采用逐差法）進行測量，要求連續(xù)測量8組；也 可以采用按試件一定的伸長量（例如由20個干涉環(huán)變化算出的光程差），測出所 需升高（降低）溫度的方法進行測量，要求連續(xù)測量 8組。注：測波長或測線膨脹系數(shù)只需做其中之一，但兩個實驗都需要掌握；請注意數(shù)據(jù)處理文件（邁克爾遜干涉儀的調(diào)整與應(yīng)用數(shù)據(jù)處理、線膨脹系數(shù)測量數(shù) 據(jù)處理（據(jù)環(huán)數(shù)記溫度卜線膨脹系數(shù)測量數(shù)據(jù)處理（據(jù)溫度記環(huán)數(shù)）。（6）將所測量數(shù)據(jù)輸入相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理文件（位于

5、F盤，共有邁克爾遜干涉儀的調(diào)整與應(yīng)用數(shù)據(jù)處理、線膨脹系數(shù)測量數(shù)據(jù)處理（據(jù)環(huán)數(shù)記溫度）、線膨脹系數(shù)測量數(shù)據(jù)處理（據(jù)溫度記環(huán)數(shù)）三個文件），不要關(guān)閉文件，讓老師檢查數(shù)據(jù) 是否合格。（7）數(shù)據(jù)合格后重新用新報告紙按要求記錄所測數(shù)據(jù)（并記錄其標準值或 參考值，詳見附錄1數(shù)據(jù)記錄要求），將原始數(shù)據(jù)與儀器使用登記本一并讓老師 簽字，并了解如何處理所測數(shù)據(jù)（詳見附錄2數(shù)據(jù)處理要求）及逐差法相關(guān)知 識（附錄3逐差法處理實驗數(shù)據(jù)）；（8）在預(yù)習報告后根據(jù)實際實驗加上實驗內(nèi)容、實驗步驟；（9）重新對儀器進行調(diào)節(jié)，熟悉調(diào)節(jié)要點，并觀察相應(yīng)的實驗現(xiàn)象，掌握 邁克爾遜干涉儀及線膨脹系數(shù)測定儀的調(diào)節(jié)與使用；（10）掌握邁

6、克爾遜干涉儀仿真實驗的使用，并利用其進行復(fù)習及進行實驗，注意“邁克爾遜干涉儀（仿真實驗演示）.swf ”文件（可以回去再做）。（11） 擬定利用邁克爾遜干涉儀測量透明薄片的折射率（厚度）的實驗方案， 并利用仿真實驗來驗證實驗方案（可以回去再做）。（12）（選做）利用仿真實驗測量測量鈉光的波長、鈉黃光雙線的波長差、 鈉光的相干長度等（可以回去再做）。（13）完成相應(yīng)實驗并數(shù)據(jù)通過后，請收拾好儀器，整理好桌面，關(guān)好計算 機才能離開實驗室，值日生請整理好實驗室儀器并打掃衛(wèi)生重才能離開實驗室。附錄1數(shù)據(jù)記錄要求注：要求使用空白實驗報告紙記錄實驗數(shù)據(jù)，不能使用鉛筆，不能有涂改。實驗名稱：實驗地點：儀器號

7、數(shù)：課號：實驗時間：姓名：學號：一、邁克爾遜干涉儀測量He-Ne激光的波長（測量固體試件的線膨脹系數(shù)）1、記錄已知參數(shù)，并記錄相應(yīng)的實驗現(xiàn)象2、自擬表格記錄所測量數(shù)據(jù)3、記錄所測量數(shù)據(jù)的相應(yīng)結(jié)果（結(jié)果、準確度、精確度等），用以參考。二、擬定利用邁克爾遜干涉儀測量透明薄片的折射率（厚度）的實驗方案，要求如下：1、簡潔明了的實驗原理、公式與實驗現(xiàn)象2、根據(jù)1寫出實驗方案，要有關(guān)鍵的實驗要點及相應(yīng)實驗現(xiàn)象說明3、確定實驗方案的數(shù)據(jù)測量量，擬定數(shù)據(jù)記錄表格4、利用仿真實驗來驗證實驗方案三、（選做）利用仿真實驗測量測量鈉光的波長、鈉黃光雙線的波長差、鈉光的相干長度等附錄2數(shù)據(jù)處理要求1、處理時需重列表格

8、，用逐差法處理數(shù)據(jù)，要求有關(guān)鍵公式、步驟；2、 處理結(jié)果與標準（或參考值）比較并作分析，正確表示實結(jié)果, 并進行實驗小結(jié)、討論；3、（不作硬性要求，但要了解）求出結(jié)果的不確定度，逐差法的 不確定度求解可參考逐差法處理實驗數(shù)據(jù)部份。附錄3逐差法處理實驗數(shù)據(jù)當實驗中二、“兩物理量滿足正比關(guān)系時，依次記錄改變相同的量 ' 時的值：Xi,X2, Xn （或者當某一研究對象隨實驗條件二周期性變化時，依次記錄研究對象達到某一條件（如峰值、固定相位等）時的乳值Xi, X2, Xn：）,兀的間隔周期X的求解方法若由Xi, X2, Xn逐項逐差再求平均：壬_ 伏2 一可丿+伏3 -先）伏衛(wèi)一嗎_ 竊-孟

9、11旳-1其中只利用了 和S，難以發(fā)揮多次測量取平均以減小隨機誤差的作用，此時應(yīng)采用隔項逐差法（簡稱逐差法）處理數(shù)據(jù)。逐差法處理數(shù)據(jù)時，先把數(shù)據(jù)分為兩組，然后第二組的'與第一組相應(yīng)的二 相減,如下表:n第一組第二組逐差處理結(jié)果不確定度分析回頁首對旳X -心+j 召，劃+i和瑪均含有令尿，則方和根合成M'%有n為偶數(shù)第1組第二組不曲Q+ % =、/時，每組s -珂= n/2個ihF -花1- 'Ze為-壬三 f/可米用下式粗略估算不確定度貶=呂泌尸+ 2近磊時=曲2宀*治+沁5n為奇數(shù)時，可以任意舍掉第一個數(shù)據(jù)或最后一個數(shù)據(jù)或正中間的一個數(shù)據(jù)，再按以上方法處理。 但要注意

10、舍掉正中間的數(shù)據(jù)時兩組相應(yīng)數(shù)據(jù)之間的實際間隔大小。逐差法處理數(shù)據(jù)舉例:外加砝碼下，彈簧伸長到的位置記錄如下表，可用逐差法求得每加一個1kg的砝碼時彈簧的平均伸長量 ?（滿足前提條件：彈簧在彈性范圍內(nèi)伸長， 伸長量與外加 力成正比），也可求得彈簧的倔強系數(shù) '。已知I測量時匚-'丄二住，估算匚：（見下 表）。實驗數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)處理i唧傀）!j （旳）胡d =4/4 = 7 8725-4-196815cw11.002.007.9022.004.017.9233.006.057.8044.007.957.8755.009.9066.0011.934J =弐寸“卜 7.8725 j-i/77

11、.0013.8588.0015.82= J(1.59 衣 0.053 +2 淀 0Q5 蠱=0 028t處理結(jié)果:七=%=100 5冊=49時嗚J逐差法提高了實驗數(shù)據(jù)的利用率，減小了隨機誤差的影響，另外也可減小=：中儀器 誤差分量，因此是一種常用的數(shù)據(jù)處理方法。山有時為了適當加大逐差結(jié)果為v;個周期，但并不需要逐差出個數(shù)據(jù)，可以連續(xù)測量"-n個數(shù)據(jù)后，空出若干數(shù)據(jù)不記錄，到時，再連續(xù)記錄忑粉1 S -心和門個數(shù)據(jù)，對所得兩組數(shù)據(jù)進行逐差可得：不確定度可簡化由:嚴格地講以上介紹的一次逐差法理論上適用于一次多項式的系數(shù)求解，要求自變量 等間隔地變化。有時在物理實驗中可能會遇到用二次逐差法

12、、三次逐差法求解二次多項式、 三次多項式的系數(shù)等，可參考有關(guān)書籍作進一步的了解。附錄4疑難解答1. 觀察點光源非定域干涉時，屏上只看到一大片光斑，看不到干涉條紋，怎么辦？移走擴束鏡，調(diào)節(jié)激光管方位，配合調(diào)Ml M2后螺釘，使由M1、M2反射的最亮光點能然后重新微調(diào) M1 M2后面的螺釘，使得屏上兩排光點中最亮光點完全重合，重合的標準是 最亮光點中出現(xiàn)細條紋（其它光點也有細條紋），如圖所示。Bfa.Ahik111FrF調(diào)節(jié)螺絲再放上擴束鏡，屏上必看到干涉條紋。2. 觀察點光源非定域干涉時，屏上只看到干涉圓弧，沒看到干涉圓環(huán)，怎么辦？調(diào)節(jié)水平拉簧螺釘和垂直拉簧螺釘，使干涉條紋往變粗變稀方向移動，必

13、可調(diào)出干涉圓 環(huán)的圓心。3. 調(diào)節(jié)微調(diào)旋鈕時，沒看到圓環(huán)冒出”或縮進”，怎么辦？原因：可能是微調(diào)旋鈕與移動可動鏡M1的精密絲桿之間出現(xiàn)了滑絲”。辦法：可調(diào)節(jié)粗調(diào)大手輪，使M1重新移到一個粗調(diào)位置，再使微調(diào)手輪多轉(zhuǎn)幾圈，確保微動鼓輪螺帽與螺桿間無間隙（空程誤差），轉(zhuǎn)動微動鼓輪，必可看到圓環(huán)冒出”或 縮進現(xiàn)象?？s”時才往一個方向轉(zhuǎn)動讀數(shù)，中途中微動鼓輪不能反轉(zhuǎn)。圓環(huán)冒出”縮進”現(xiàn)象4. 如何對M1位置進行讀數(shù)？該讀數(shù)由三部分組成： 標尺讀數(shù)，只讀出整毫米數(shù)即可，不需估讀；粗調(diào)大手輪讀數(shù)，直接由窗口讀出毫米的百分位,也不需估讀；微動鼓輪讀數(shù)，由微動鼓輪旁刻度讀出,號 Q 觀(ill Illi I M

14、 I II|估讀54+ 51 625inni廠TA標尺大手輪微動鼓輪需要估讀一位，把讀數(shù)（格數(shù)）乘 10-4即毫米數(shù)。M1位置讀數(shù)為上三讀數(shù)和。例: 5什么是定域干涉？什么是非定域干涉?干涉條紋是定域還是非定域的，取決于光源的大小。如果是點光源，條紋是非定域的，在平面鏡M1M2反射光波重疊區(qū)域內(nèi)都能看到干涉條紋。如果在擴束鏡與分光板間放一毛玻璃，則點光源發(fā)出的球面波經(jīng)毛玻璃散射成為擴展面光源，條紋則是定域干涉（等傾干涉條紋）。6.邁克爾遜干涉儀中補償板、分光板的作用是什么？分光板是后表面鍍有半反射銀膜的玻璃板，激光入射后經(jīng)半反射膜能分解為兩束強度近 似相等光線。補償板是折射率和厚度與分光板完全相同的玻璃板，使分光板分解的兩束光再次相遇時在玻璃板中通過相同的光程，這樣兩光束的光程差就和在玻璃中的光程無關(guān)了。7當反射鏡M1和M2不嚴格垂直時，在屏上觀察到的干涉條紋分布具有什么特點？此時M1與M2'之間形成一楔形空氣薄層，用平行光照射將產(chǎn)生等厚干涉條紋，即空氣層厚度相同的點光程差相同構(gòu)成同一級干涉條紋，這些條紋是一系列等間距的直條紋。