邁克耳孫干涉儀的調(diào)節(jié)和使用實(shí)驗(yàn)報(bào)告

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1、實(shí)驗(yàn)十四邁克耳孫干涉儀的調(diào)節(jié)和使用邁克耳孫干涉儀在近代物理學(xué)的發(fā)展中起過(guò)重要作用。19世紀(jì)末，邁克耳孫（A.A.Michelson）與其合作者曾用此儀器進(jìn)行了“以太漂移”實(shí)驗(yàn)、標(biāo)定米尺及推斷光譜精細(xì)結(jié)構(gòu)等三項(xiàng)著名的實(shí)驗(yàn)。第一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)解決了當(dāng)時(shí)關(guān)于“以太”的爭(zhēng)論，并為愛(ài)因斯坦創(chuàng)立相對(duì)論提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)；第二項(xiàng)工作實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)度單位的標(biāo)準(zhǔn)化。邁克耳孫發(fā)現(xiàn)鎘紅線（波長(zhǎng)λ=643.84696nm）是一種理想的單色光源?？捎盟牟ㄩL(zhǎng)作為米尺標(biāo)準(zhǔn)化的基準(zhǔn)。他定義1m=1553164.13鎘紅線波長(zhǎng)，精度達(dá)到10-9,這項(xiàng)工作對(duì)近代計(jì)量技

2、術(shù)的發(fā)展作出了重要貢獻(xiàn)；邁克耳孫研究了干涉條紋視見(jiàn)度隨光程差變化的規(guī)律，并以此推斷光譜線的精細(xì)結(jié)構(gòu)。今天，邁克耳孫干涉儀已被更完善的現(xiàn)代干涉儀取代，但邁克耳孫干涉儀的基本結(jié)構(gòu)仍然是許多現(xiàn)代干涉儀的基礎(chǔ)?！緦?shí)驗(yàn)?zāi)康呐c要求】1.學(xué)習(xí)邁克耳孫干涉儀的原理和調(diào)節(jié)方法。2.觀察等傾干涉和等厚干涉圖樣。3.用邁克耳孫干涉儀測(cè)定He－Ne激光束的波長(zhǎng)和鈉光雙線波長(zhǎng)差?！緦?shí)驗(yàn)儀器】邁克耳孫干涉儀，He－Ne激光束，鈉光燈，擴(kuò)束鏡，毛玻璃邁克耳孫干涉儀是應(yīng)用光的干涉原理，測(cè)量長(zhǎng)度或長(zhǎng)度變化的精密的光學(xué)儀器，其光路圖如圖7-1所示。S-

3、激光束；L-擴(kuò)束鏡；G1-分光板；G2-補(bǔ)償板；M1、M2-反射鏡；E-觀察屏。圖7-1邁克耳孫干涉儀光路圖從氦氖激光器發(fā)出的單色光s，經(jīng)擴(kuò)束鏡L將光束擴(kuò)束成一個(gè)理想的發(fā)散光束，該光束射到與光束成45?傾斜的分光板G1上，G1的后表面鍍有鋁或銀的半反射膜，光束被半反射膜分成強(qiáng)度大致相同的反射光(1)和(2)。這兩束光沿著不同的方向射到兩個(gè)平面鏡M1和M2上，經(jīng)兩平面鏡反射至G1后匯合在一起。仔細(xì)調(diào)節(jié)M1和M2，就可以在E處觀察到干涉條紋。G2為補(bǔ)償板，其材料和厚度與G1相同，用以補(bǔ)償光束(2)的光程，使光束(2)與光

4、束(1)在玻璃中走過(guò)的光程大致相等。邁克耳孫干涉儀的結(jié)構(gòu)圖如圖7-2所示。兩平面鏡M1和M2放置在相互垂直的兩臂上。其中平面鏡M2是固定的，平面鏡M1可在精密的導(dǎo)軌上前后移動(dòng)，以便改變兩光束的光程差，移動(dòng)范圍在0~100nm內(nèi)。平面鏡M1、M2的背后各有三個(gè)微調(diào)螺絲(圖中的3、12)，用以改變平面鏡M1、M2的角度。在平面鏡M2的下端還附有兩個(gè)相互垂直的拉簧螺絲10、11，可以細(xì)調(diào)平面鏡M2的傾斜度。移動(dòng)平面鏡M1有兩種方式：一是旋轉(zhuǎn)粗調(diào)手輪7可以較快地移動(dòng)M1：二是旋轉(zhuǎn)微調(diào)鼓輪9可以微量移動(dòng)M1(如果邁克耳孫干涉儀

5、有緊固螺絲8，則在轉(zhuǎn)動(dòng)微調(diào)鼓輪前，先要擰緊緊固螺絲8，轉(zhuǎn)動(dòng)粗調(diào)手輪前必須松開(kāi)緊固螺絲8，否則會(huì)損壞精密絲桿。若沒(méi)有緊固螺絲，直接旋轉(zhuǎn)微調(diào)鼓輪9則可微量移動(dòng)M1)。平面鏡M1的位置讀數(shù)由三部分組成：從導(dǎo)軌上讀出毫米以上的值；從儀器窗口的刻度盤(pán)上讀到0.01mm；在微動(dòng)手輪上最小刻度值為0.0001mm，還可估讀到0.0001mm的1/10?！緦?shí)驗(yàn)原理】一、等傾干涉條紋等傾干涉條紋是邁克耳孫干涉儀所能產(chǎn)生的一種重要的干涉圖樣。如圖7-1和圖7-3所示，當(dāng)M1和M2垂直時(shí)，像M'2是M2對(duì)半反射膜的虛象，其位置在M1附近。

6、當(dāng)所用光源為單色擴(kuò)展光源時(shí)，我們?cè)贓處觀察到的干涉條紋可以看作實(shí)反射鏡M1和虛反射鏡M'2所反射的光疊加而成的。設(shè)d為M1、M'2間的距離，θ為入射光束的入射角，θ'為折射角，由于M1、M'2間是空氣層，折射率n=1，θ=θ'。當(dāng)一束光入射到M1、M2鏡面而分別反射出(1)、(2)兩條光束時(shí)，由于(1)、(2)來(lái)自同一光束，是相干的，兩光束的光程差δ為當(dāng)d一定時(shí)，光程差δ隨著入射角θ的變化而改變，同一傾角的各對(duì)應(yīng)點(diǎn)的兩反射光線都具有相同的光程差，這樣的干涉，其光強(qiáng)分布由各光束的傾角決定，稱(chēng)為等傾干涉條紋。當(dāng)用單色光入

7、射時(shí)，我們?cè)诿Ａ辽嫌^察到的是一組明暗相間的同心圓條紋，而干涉條紋的級(jí)次以圓心為最大(因δ=2dconθ=mλ，當(dāng)d一定時(shí)，θ越小，conθ越大，m的級(jí)數(shù)也就越大)。當(dāng)d減小(即M1向M'2靠近)時(shí)，若我們跟蹤觀察某一圈條紋，將看到該干涉環(huán)變小，向中心收縮(因d變小，對(duì)某一圈條紋2dconθ保持恒定，此時(shí)θ就要變小)。每當(dāng)d減小λ/2，干涉條紋就向中心消失一個(gè)。當(dāng)M1與M'2接近時(shí)，條紋變粗變疏。當(dāng)M1與M'2完全重合(即d=0)時(shí)，視場(chǎng)亮度均勻。當(dāng)M1繼續(xù)沿原方向前進(jìn)時(shí)，d逐漸由零增加，將看到干涉條紋一個(gè)一個(gè)地從

8、中心冒出來(lái)，每當(dāng)d增加λ/2，就從中間冒出一個(gè)，隨著d的增加，條紋重疊成模糊一片，圖7-4表示d變化時(shí)對(duì)于干涉條紋的影響。二、測(cè)量光波的波長(zhǎng)在等傾干涉條件下，設(shè)M1移動(dòng)距離?d，相應(yīng)冒出(或消失)的圓條紋數(shù)N，則(1)由上式可見(jiàn)，我們從儀器上讀出?d，同時(shí)數(shù)出相應(yīng)冒出(或消失)的圓條紋數(shù)N，就可以計(jì)算出光波的波長(zhǎng)λ。*三、等厚干涉條紋若M1不垂