测量空气折射率实验

测量空气折射率实验测量空气折射率实验 一 实验目的一 实验目的 1 学习组装迈克尔逊干涉仪 2 掌握用迈克尔逊干涉仪测气体折射率的原理和方法 二 实验原理二 实验原理 迈克尔逊干涉仪的典型光路由图12 1所示 光源S射出的光经过分光板P1被 分成强度大致相等 沿不同方向传播的两束相干光束 1 和 2 它们分别 经固定反射镜M2和移动反射镜M1反射后 返回分光板 射向观察系统 在一定 的条件下 观察系统 屏 望远镜 或人眼 中将呈现出特定的干涉图样 由 于分光板的玻璃基板有一定的厚度 其折射率随波长而异 因此需要在光路 2 中放入一块与分光板材料 厚度完全相同的平行玻璃补偿板2 这样就可 以使 1 2 两束光的光程差始终相等 且与入射光波长完全无关 当入 射光为单色光而不需要确定零光程位置时 补偿板可以省略 本实验就是这种 情况 但对于需要确定两路光程相等时的位置 又称零光程差位置 的某些 实验 如观测白光干涉实验时 补偿板是必不可少的 图图 12 1 迈克尔逊干涉仪光路图迈克尔逊干涉仪光路图 非定域干涉 若将短焦距的发散激光束入射至迈克尔逊干涉仪 经M1 M2 反射后 相当于由两个相干性极好的虚光源S1和S2发出的球面波前形成的干涉 由于在M2与接收屏之间的空间中传播的光波处处相干 故干涉图象的形状与接 收屏的位置和取向有关 当M1平行于M2 接收屏垂直于S1S 2时 条纹为同心圆 环 当接收屏不垂直S1S 2时 条纹为椭圆簇或直线簇 此外 干涉环的 吞吐 移动的规律与等倾干涉时相同 在调出非定域圆条纹的基础上 将小气室插入到图2所示的位置中 把小气 室加压 使气压变化 P1 从而使气体的折射率改变 n 当气室内压逐渐升高 时 气室所在范围内光程差变化2L n 在白屏上可观察到干涉条纹也在不断变 化 记下干涉条纹变化的总数条 则有 得 k knL 2 1 L k n 2 式中D为小气室的厚度 理论可以证明 当温度一定时 气压不太高时 气体折射率的变化量与气压的变化量P成正比 常常 1 p n p n 故 p p n n 1 将 1 式代入上式可得 2 p p L k n 2 1 公式 2 给出了气压为P时的空气折射率n 例如令P 760mmHg 即一个大气 压 代入 2 式 就可求出一个大气压下的空气折射率n1 三 实验仪器三 实验仪器 1 He Ne激光器L 632 8nm 11 二维调整架 SZ 07 2 扩束镜L1 f 6 2mm 12 白屏H SZ 13 3 二维调整架 SZ 07 13 通用底座 SZ 04 4 分束镜G 半透半反镜 14 一维底座 SZ 03 5 二维调整架 SZ 07 15 通用底座 SZ 04 6 平面反射镜M1 16 一维底座 SZ 03 7 二维调整架 SZ 07 17 三维底座 SZ 01 8 玻璃气室R 气压表 吹气球 18 一维底座 SZ 03 9 可变口径二维架 SZ 05 19 通用底座 SZ 04 10 平面反射镜M2 四 仪器实物图及原理图四 仪器实物图及原理图 图图 12 2 仪器实物图仪器实物图 图图 12 3 实验原理图实验原理图 五 实验步骤五 实验步骤 1 把全部器件按图12 2的顺序摆放好 靠拢 目测调制共轴 2 调激光器L的倾角 使其发出的光束平行于平台面 再按图12 2放置各 元件 扩束镜L暂不放 3 将分光镜G大致调成45度 并调其倾角 使光束2平行于平台面 4 调M1使1光沿原路返回 调M2使2光沿原路返回 并使1 2两束光在屏 H上交于一点 5 加扩束镜L 调至使在屏H上出现干涉圆环 用打气球向空气室充气 直 到血压表走满刻度 300mmHg 用手折捏打气皮管 待读数稳定时 记下气压值 p 6 慢慢放气 数出冒出或缩进的条纹数 k 六 数据处理六 数据处理 因为在不太高气压条件下空气折射率与气压成线性关系