邁克耳遜干涉儀的調(diào)節(jié)和使用

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邁克爾遜干涉

邁克爾遜干涉儀是1881年由美國物理學(xué)家邁克爾遜和莫雷為研究“以太”漂移而設(shè)計(jì)制造的精密光學(xué)儀器。歷史上，邁克爾遜－莫雷實(shí)驗(yàn)結(jié)果否定了“以太”的存在，為愛因斯坦建立狹義相對(duì)論奠定了基礎(chǔ)。邁克爾遜和莫雷因在這方面的杰出成就獲得了1883年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。在近代物理學(xué)和近代計(jì)量科學(xué)中，邁克爾遜干涉儀具有重大的影響，得到了廣泛應(yīng)用，特別是20世紀(jì)60年代激光出現(xiàn)以后，各種應(yīng)用就更為廣泛。它不僅可以觀察光的等厚、等傾干涉現(xiàn)象，精密地測定光波波長、微小長度、光源的相干長度等，還可以測量氣體、液體的折射率等。

邁克爾遜干涉儀是歷史上最著名的經(jīng)典干涉儀，其基本原理已經(jīng)被推廣到許多方面，研制成各種形式的精密儀器，廣泛地應(yīng)用于生產(chǎn)和科學(xué)研究領(lǐng)域。

這是一個(gè)經(jīng)典的近代物理實(shí)驗(yàn)，也是一個(gè)學(xué)習(xí)干涉儀調(diào)整、研究各種干涉現(xiàn)象的基本實(shí)驗(yàn)，難度系數(shù)1.05，適合于理工科各專業(yè)的學(xué)生選做。實(shí)驗(yàn)操作過程難度比較大，實(shí)驗(yàn)技巧與實(shí)驗(yàn)原理緊密相連。操作時(shí)必須手腦并用，仔細(xì)觀察，細(xì)心調(diào)節(jié)。但是，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理非常簡單。

  

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容　

1、調(diào)節(jié)和觀察非定域干涉條紋。在屏上看到非定域的同心圓干涉條紋，且圓心位于光場的中間。觀察中心條紋的“冒出”或“縮進(jìn)”、干涉條紋的粗細(xì)和密度變化規(guī)律（即與平面鏡M1和M‘2 之間距離d的關(guān)系），并解釋之。

2、利用非定域干涉條紋測量He－Ne激光波長。轉(zhuǎn)動(dòng)微調(diào)手輪，當(dāng)干涉條紋“冒出”或“縮進(jìn)”時(shí)記下初始讀數(shù)，繼續(xù)沿原方向轉(zhuǎn)動(dòng)微調(diào)手輪，每“冒出”或“縮進(jìn)”30個(gè)條紋記錄一次讀數(shù)，連續(xù)測量270個(gè)條紋。用逐差法處理數(shù)據(jù)，計(jì)算不確定度，表示測量結(jié)果。

3、調(diào)節(jié)和觀察等傾干涉條紋。調(diào)出嚴(yán)格的等傾干涉條紋，觀察總結(jié)條紋粗細(xì)和密度（間距）的變化規(guī)律，并解釋之。

   4、調(diào)節(jié)和觀察等厚干涉條紋。調(diào)出等厚干涉條紋，觀察總結(jié)條紋形狀、粗細(xì)和密度（間距）的變化規(guī)律，并解釋之。

  

儀器簡介　

1、邁克爾遜干涉儀：實(shí)現(xiàn)各種干涉現(xiàn)象，測定光波波長。

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　　2、He－Ne激光器：相干光源，發(fā)出波長為6328埃的單色光。

  

實(shí)驗(yàn)儀器和測量系統(tǒng)

預(yù)習(xí)要求

　　 1、了解邁克爾遜干涉儀的基本原理和組成結(jié)構(gòu)。

　　 2、理解非定域干涉、等傾干涉和等厚干涉的基本原理和干涉條紋形成條件。

　　 3、了解邁克爾遜干涉儀的調(diào)整方法和讀數(shù)方法。

　　 4、了解用邁克爾遜干涉儀測定光波波長的基本原理和方法。

　　 5、熟悉實(shí)驗(yàn)的具體內(nèi)容。6、列出測量數(shù)據(jù)記錄表。

問題解答　

　　1、調(diào)節(jié)等傾干涉條紋時(shí)，怎樣判斷是否觀察到了嚴(yán)格的等傾干涉條紋？

　　 當(dāng)平面鏡M1和M‘2完全平行時(shí)，才能觀察到嚴(yán)格的等傾干涉條紋。這時(shí)如果眼睛上下、左右微微移動(dòng)，同心干涉圓環(huán)的大小不變，僅僅是圓心隨眼睛移動(dòng)而移動(dòng)，并且干涉條紋反差大。這樣的干涉條紋就是嚴(yán)格的等傾干涉條紋。

　　2、測量波長時(shí)應(yīng)如何避免空程誤差？

　
　　 微動(dòng)微調(diào)手輪，屏上條紋就應(yīng)有變化，否則就存在空程誤差，可用手輕推可動(dòng)反射鏡，消除空程誤差，測量時(shí)始終連續(xù)地沿一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)微調(diào)手輪。這樣就可以避免空程誤差。

  

思考討論

　

　　 1、邁克爾遜干涉儀是怎樣實(shí)現(xiàn)雙光束干涉的？

　　 2、形成非定域干涉的條件是什么？

　　 3、形成等傾干涉的條件是什么？

　　 4、形成等厚干涉的條件是什么？

　　 5、非定域干涉條紋、等傾干涉條紋和等厚干涉條紋分別定域在何處？實(shí)驗(yàn)中怎樣驗(yàn)證？

　　 6、調(diào)節(jié)非定域干涉條紋時(shí)，若觀察到的條紋又細(xì)又密是何原因？如何調(diào)節(jié)使條紋變得又粗又?。?br />
　　 7、在等傾干涉中，縮進(jìn)或吐出一個(gè)條紋對(duì)應(yīng)光程差的變化是多少？

　　 8、在等傾干涉中，縮進(jìn)或吐出一個(gè)條紋對(duì)應(yīng)可動(dòng)反射鏡變化的距離是多少？

　　 9、用邁克爾遜干涉儀測定光波波長的基本原理是什么？如何測量？

  

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　注意事項(xiàng)　

　　1．邁克爾遜干涉儀是精密光學(xué)儀器，各光學(xué)表面必須保持清潔，嚴(yán)禁用手觸摸；調(diào)整時(shí)必須仔細(xì)、認(rèn)真、小心、輕緩，嚴(yán)禁用力過度，損壞儀器。

　　 2．測量時(shí)要防止引入空程誤差，影響測量精度。

　　 3．避免激光直接射入眼睛，否則可能會(huì)造成視網(wǎng)膜永久性的傷害。

　　 4．?dāng)?shù)條紋變化數(shù)目過程中，若因震動(dòng)出現(xiàn)條紋抖動(dòng)難以辨認(rèn)時(shí)，應(yīng)暫停數(shù)條紋數(shù)，待穩(wěn)定后再繼續(xù)數(shù)。

　　 5．有些儀器粗調(diào)和細(xì)調(diào)手輪刻度不一致，可通過只讀細(xì)調(diào)手輪來讀數(shù)。