迈克尔逊干涉仪教案

1、?迈克尔逊干预仪的研究?实验教案学部根底学部物理科学系课程名称大学物理实验专业、年级全院理工科主讲教师实验题目迈克尔逊干预仪的调整与使用实验性质根底实验实验学时4教师教学目的了解迈克尔逊干预仪的结构和干预条纹的形成原理.通过观察实验现象,加深对干预原理的理解.学会迈克尔逊干预仪的调整和使用方法.观察等倾干预条纹,测量激光的波长.重难点1、注意防尘、防潮、防震：不能用手触摸光学元件外表,不要对着仪器说话、咳嗽等2、实验前和实验后,所有调节螺钉均应处于放松状态,调节时应先使之处于中间状态,以便有双向调节余地,调节动作要均匀缓慢.3、为了预防引进回程差螺距差,每项测量时必须沿同一方向转动手轮,途中不

2、能倒退.教学方法教学方法：讲授法、讨论、现场指导课前预习1、激光为光束非常细的平行光,如果将激光光束转变为类似于点光源发出的发散光？凸透镜2、如何利用干预条纹的“冒出和“缩进现象测定单色光的波长？3、什么是空程？在测量中应该如何操作预防空程误差？课堂分析讨论1、在单色光干预的条件下,去掉补偿镜是否影响实验的正常进行？2、测Hc-Ne激光波长时,要求n尽可能大,为什么？3、如果去掉干预仪中的补偿板,对哪些测量有影响？哪些测量无影响？4、白光干预条纹的出现必须在两臂根本相等的条件下,为什么？5、为什么向“等光程状态调节时,圆条纹变粗变疏？6、迈克尔逊干预仪中的圆状干预条纹与牛顿坏的性质是否相同？为

3、什么？7、为什么在测量过程中,微调鼓轮的转动方向不能中途改变？8、怎样利用干预条纹的“涌出和“陷入来测定光波的波长？9、调节迈克尔逊干预仪时看到的亮点为什么是两排而不是两个？课后思考题1、在什么条件下产生等倾干预条纹？什么条件下产生等厚干预条纹？2、迈克尔逊干预仪的圆形干预条纹的疏密有何规律？试说明.3、怎样调节迈克尔逊干预仪？在调节使用时应注意哪些问题？4、迈克尔逊干预仪的读数由几局部组成,各局部的分度值分别为多少？参考文献1、?大学物理实验?谢行恕康士秀霍剑青主编高等教育出版社2.?大学物理?谢柏林陈义成编,武汉理工大学出版社,出版时间2021年1月?迈克尔逊干预仪的研究?课堂教学设计:阿

4、尔贝特迈克尔逊所创造的干预仪在近代物理和计量技术中起着很重要的作用.例如迈克尔逊和莫雷所做的以太漂移实验,以及光谱线的波长来确定标准米的长度等,都是闻名于世的重要实验.后来,在迈克尔逊干预仪的根底上开展出多种形式的干预测量仪器,特别是激光问世后,提供了单色性非常好的光源,从而使迈克尔逊干预原理得到了更为广泛的应用.实验原理一、迈克尔逊干预仪的结构和工作原理迈克尔逊干预仪的外形和结构如图4-18-1所示,其主要部件是精密的机械传动系统和四块精工细磨制成的光学镜片.导轨5固定在稳定的底座3上,由三个调平旋钮1支承,调平后可以拧紧锁圈2以保持座架稳定.精密丝杆6螺距为1mm,转动粗调手轮16经一对传

5、动比为2：1的齿轮副带动精密丝杆传动,与丝杆啮合的可调螺母通过防转挡块及顶块带动移动反射镜8乩在导轨面上滑动,实现粗调.移动距离的亳米数可在机体侧面的亳米刻度尺4上读得,通过读数窗口13的刻度盘上读到0.01rall1,转动仪器右侧微调手轮经1：100蜗轮副传动,可实现微调,微调手轮的读数分度值为0.0001mm,可估读到0.00001mme可移动反射镜此8的位置可由亳米刻度尺、读数窗口刻度盘及微调手轮这三个读数之和表示.可移动反射镜AL和固定反射镜此12的前方分别有两颗调节螺钉7、11,可调节两镜面的倾角.分光板Gi9和补偿板G：10是两块相同材料制成的厚度相同的平行平面玻璃,它们被固定在干

6、预仪上,与必和必成45.角.在Gi的反面镀有一层半透明的薄膜,可使射到它外表的光一半反射,另一半透射,因此称之为分光板.图1迈克尔逊干预仪结构图1.调平螺钉：2.锁紧圈：3.底座；4.亳米刻度尺；5.导轨：6.精密丝杆；7.可移动反射镜Ml调行螺钉：8.可移动反射镜Ml：9.分光板G1；10.补偿板G2：11.反射镜M2调出螺钉：12.固定反射镜M2：13.读数窗口；14.观察屏滑动导杆；15.观察MI/1图2迈克尔逊干预仪光路图如图2所示,仪器的光学系统由两块平面反射镜Ml、M2和两块折射率相同等厚的平行平面玻璃板Gl、G2所组成.G1称为分光板,G2称为补偿板.在G1的后外表上镀半透半反射

7、膜用加黑线表示,以便从光源射来的光在这里可以分成强度根本相等的反射光和透射光,反射镜皿与M2相互垂直,分光板G1及补偿板G2与Ml、M2均成450角.从光源S发出的光线射到分光板G1后外表上的半透半反射膜后,被分解为反射光和透射光.光垂直地射到平而反射镜口上,经过Ml反射后,再透过G1到达E处观察者的眼睛或接收器.光束经过G13次.光束通过补偿板G2后垂直地射到平面反射镜M2上,经过M2反射后到达G1的半反射膜,将光反射到E处.光束经过G1一次,经过补偿板两次.由于参加补偿板G2可使干预仪的反射光与透射光在玻璃中对不同波长的光同时满足等光程的要求.光和光是相干光,在空间相遇时就会出现干预现象,

8、在E处就能观察到干预图样.观察者从E处看来,光好似从M2'平而反射来的,由于M2'是反射镜M2由G1半反射膜形成的虚像.因此,干预条纹可看做是由平而反射镜Ml与M2'反射的两相干光所形成.由于在E看到的两束光好似是从Ml和M2'射来的,故可将Ml、M2'看成一个虚平板,因M2'不是实物,虚平板的两个外表所夹的空气膜可以任意调节.如果Ml和M2,平行那么形成平行的空气板,从而产生等倾干预图样；假设不平行那么形成空气劈尖,甚至可形成两个相交对顶的空气劈尖,从而产生等厚干预图样.二、光波波长的测量当皿和M2'相互平行时即XI和M2两镜面相互垂直

9、时,位于S处的点光源会在平而镜M2后形成虚像S2,这个虚像又会经过分光板G1的反射而成像在M2,后S2'处.同理,点光源通过G1和Ml的虚像在皿后而sr处.所以,从E处观察者看这个光源好似在Ml和M2'的后面.点光源S经平面镜Ml和M2的反射相干的结果可以等价地看作是虚光源S1'和S2'发出的光相干的结果.如图3所示.如果g和M2'之间的距离为d,那么sr和S2的距离为2d.当点光源放出经Ml和M2'反射的光线和轴线成.角时,光程差6=2dcos36=2%+1人当6=时,观察屏e上该点的光强相加为明纹,当2时,该点光强相消成为暗纹.从图3可知,屏

10、上0点处6=°,两束光的光程差最大,为6=2".随着距离0A的增大,光程差减小.因此屏上干预条纹是一些环绕着0点的明暗相间的环形条纹.由于每一条条纹对应于相同的倾角.,因此称为等倾干预条纹.当移动XI的位置,使Ml和M2'的距离d增加时,对于屏上某一级干预条纹比方第k级明纹,会增加相应的.角：因此,条纹将沿半径向外移动,从屏上会看到干预环一个一个从圆心“冒出来.反之,当d减小时,干预环会一个一个向中央“缩进去.每“冒或“缩一个干预环,相应的光程差改变了一个波长,也就是Ml和M2'的距离变化了半个波长.假设将Ml与M2'之间的距离改变,观察到N个干预环

11、变化,那么有a“02AJAd=Aa=2N因此,只需要测量出干预环“冒出或“缩进N个时Ml和M2'的距离变化MMl在导轨上移动的距离,即可由1式计算出单色光的波长图3迈克尔逊干预仪的等倾干预三、实验内容1 .仪器水平调整调节底座1调平螺钉,目测观察调节仪器至水平.2 .光路调整旋转粗调手轮,使移动反射镜巾、固定反射镜M2相对于G1镀膜而半反射而光程大约相等大约在导轨刻度尺52mm处.点燃He-Ne激光器,使激光束沿水平方向垂直于导轨入射到分光板G1的中间.这时在观察屏上可看到两排光点,仔细调节皿和M2背后的调行螺钉,改变Ml和M2的相对方位,直到观察屏上的两排光点在水平方向和垂直方向均完

12、全重合.此时,Ml和M2相互垂直.在激光器与分光板G1之间放入扩束镜,认真调节扩束镜上、下、左、右位置,此时观察屏上将出现明暗相间的同心干预圆环.缓慢地调节M2上的两颗调节螺钉,使干预圆环的中央位于观察屏的中央.3 .测定He-Ne激光波长利用迈克尔逊干预仪产生的干预圆环测定波长.按上述方法调出干预圆条纹,当视场中出现清楚的、比照度较好的干预圆环时,转动仪器右测微调手轮使Ml镜移动,为了预防空程差,在整个测量过程中只能以同方向不能反方向转动手轮.而且开始测量前应将手轮按原方向转动假设干周,直到干预条纹稳定“冒出或“缩进后,方可开始计数测量.完成上述调整后,缓慢转动手轮让调好的非定域圆环干预条纹从中央“冒出或“缩进,测出一定的条纹“冒出或“缩进数N和所对应的Ml镜