邁克爾遜干涉儀實驗報告

邁克爾遜和法布里-珀羅干涉儀摘要：邁克爾遜干涉儀是一種精密光學(xué)儀器，在近代物理和近代計量技術(shù)中都有著重要的應(yīng)用。通過邁克爾遜干涉的實驗，我們可以熟悉邁克爾遜干涉儀的結(jié)構(gòu)并掌握其調(diào)整方法，了解電光源非定域干涉條紋的形成與特點和變化規(guī)律，并利用干涉條紋的變化測定光源的波長，測量空氣折射率。本實驗報告簡述了邁克爾遜干涉儀實驗原理，闡述了具體實驗過程與結(jié)果以及實驗過程中的心得體會，并嘗試對實驗過程中遇到的一些問題進行解釋。關(guān)鍵詞：邁克爾遜干涉儀；法布里-珀羅干涉儀；干涉；空氣折射率；一、引言【實驗背景】邁克爾遜干涉儀是1883年美國物理學(xué)家邁克爾遜和莫雷合作，為研究“以太”漂移而設(shè)計制造出來的精密光學(xué)儀器。它是利用分振幅法產(chǎn)生雙光束以實現(xiàn)干涉。通過調(diào)整該干涉儀，可以產(chǎn)生等厚干涉條紋，也可以產(chǎn)生等傾干涉條紋，主要用于長度和折射率的測量。法布里-珀羅干涉儀是珀羅于1897年所發(fā)明的一種能現(xiàn)多光束干涉的儀器，是長度計量和研究光譜超精細結(jié)構(gòu)的有效工具；它還是激光共振腔的基本構(gòu)型，其理論也是研究干涉光片的基礎(chǔ)，在光學(xué)中一直起著重要的作用。在光譜學(xué)中，應(yīng)用精確的邁克爾遜干涉儀或法布里-珀羅干涉儀，可以準確而詳細地測定譜線的波長及其精細結(jié)構(gòu)?！緦嶒?zāi)康摹?．掌握邁克爾遜干涉儀和法布里-珀羅干涉儀的工作原理和調(diào)節(jié)方法；2．了解各類型干涉條紋的形成條件、條紋特點和變化規(guī)律；3．測量空氣的折射率。【實驗原理】（一）邁克爾遜干涉儀、是一對平面反射鏡，、是厚度和折射率都完全相同的一對平行玻璃板，稱為分光板，在其表面鍍有半反射半透射膜，稱為補償片，與平行。當光照到上時，在半透膜上分成兩束光，透射光1射到，經(jīng)反射后，透過，在的半透膜上反射到達；反射光2射到，經(jīng)反射后，透過射向。兩束光在玻璃中的光程相等。當觀察者從處向看去時，除直接看到外還可以看到的像。于是1、2兩束光如同從與反射來的，因此邁克爾遜干涉儀中所產(chǎn)生的干涉和～間形成的空氣薄膜的干涉等效。（二）干涉條紋1.等傾干涉調(diào)節(jié)和,使與嚴格平行。對于入射角為的光線，與反射光的光程差為：為和的間距。由上式，可以得到產(chǎn)生明暗條紋的條件 其中，為整數(shù)。變化過程中縮進或冒出的條紋數(shù)可以定量表示為： 其中為縮進或冒出的條紋數(shù)，為距離的改變量。2.等厚干涉當與有一定的交角時，兩鏡所在的平面之間會有一個交線?？紤]與與交線距離為處以角入射的光束，該光束經(jīng)過兩鏡片反射產(chǎn)生的光程差為 若、與都很小，以致時，光程公式可以近似為，此時將產(chǎn)生等厚干涉條紋。（三）利用干涉條紋測量空氣折射率用激光器做光源，將內(nèi)壁長為l的小氣室置于邁克爾遜干涉儀光路中，固定在反射鏡前。調(diào)節(jié)干涉儀，獲得適量等傾干涉條紋之后，向氣室里充氣，再稍微松開閥門，以較低的速率放氣的同時，計數(shù)干涉環(huán)的變化數(shù)，以及相應(yīng)的氣壓變化值，可得氣壓為時的空氣折射率為的時候,形成的干涉條紋就不是等傾干涉,而是等厚干涉,而且不是同心圓環(huán)。當不是等傾干涉條紋的時候,就會對波長的計算產(chǎn)生誤差。2）讀數(shù)誤差。肉眼判斷縮進或冒出的條紋，數(shù)條紋數(shù)時，讀測微螺旋示數(shù)時會產(chǎn)生隨機誤差。計算在標準大氣壓下空氣的折射率，并與理論值比較，計算相對誤差。組別123456/kPa323640283424/kPa1417229166/kPa181918191818,,，經(jīng)計算得經(jīng)查得，空氣折射率理論值相對誤差誤差分析：人為因素包括測量誤差，測量小氣室內(nèi)的壓強值，讀數(shù)時等穩(wěn)定后再讀數(shù)。環(huán)境因素包括壓強、溫度、濕度等。氣體的折射率跟壓強的大小有關(guān)，氣體的折射率會隨著壓強的變化而變化。同時，氣體的折射率還與溫度有關(guān)?！緦嶒炗龅降膯栴}及解決的方法】1.儀器安裝完畢，但沒有干涉現(xiàn)象。有多種可能的情況。1）兩個光點重合，但沒有干涉現(xiàn)象。兩束光的沒有達到等光程的要求，可能是由于激光在傳播過程中不在同一水平面上，可以通過反復(fù)調(diào)節(jié)光闌來調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)光闌的位置，在近距離的位置調(diào)節(jié)光闌使光線通過恰好通過光闌，觀察光線是否還是恰好通過光孔。2）未加聚焦透鏡前兩光點重合，加聚焦透鏡后重合點消失?？赡芤驗楣饩€未通過透鏡的中心而發(fā)生折射造成光路偏折。3）兩個鏡面并沒有完全垂直。在安裝儀器的過程中，每個儀器應(yīng)盡量保證光路通過儀器的中心，令光點的重合。2.當用非單色光（比如白光）作為邁克爾遜干涉儀的光源時，為什么就必須加補償片？答：非單色光不同色光的折射率不同、波長不同，通過調(diào)節(jié)、的位置不能達到等光程的目的。測量空氣折射率能否用白熾燈做光源？答：不能，白光干涉條紋數(shù)量少，且波長不是單值的。三、實驗小結(jié)【體會或收獲】實驗前的預(yù)習(xí)很重要，通過了解指導(dǎo)書上的大綱，宏觀地把握做實驗的全程，做到成竹于胸，但我們又不能依賴于實驗指導(dǎo)書，很多地方都需要我們自己去多去思考，它可以使我們養(yǎng)成良好的科學(xué)思維習(xí)慣。實驗過程中最重要的便是要做到用心觀察及如實的記錄，有些時候，實驗的具體步驟與參考書中有所不同，這就需要我們用心思考；實驗后的數(shù)據(jù)處理及分析也考驗了我們對該實驗的整體把握。做光學(xué)實驗最需要的就是耐