邁克爾孫干涉儀測(cè)空氣折射率試驗(yàn)報(bào)告資料

1、系別 班號(hào)實(shí)驗(yàn)日期 實(shí)驗(yàn)報(bào)告 姓名 第1頁(yè)同組姓名 教師評(píng)定 【實(shí)驗(yàn)名稱】邁克耳孫干涉儀【目的要求】1. 掌握 M- 干涉儀的調(diào)節(jié)方法 ;2. 調(diào)出非定域干涉和定域干涉條紋 ;3. 了解各類型干涉條紋的形成條件 , 花紋特點(diǎn) , 變化規(guī)律及相互間的區(qū)別 ;4. 用 M- 干涉儀測(cè)量氣體折射率 .【儀器用具】M-干涉儀（舊儀器第 3組）, He-Ne 激光器及其電源 , 擴(kuò)束透鏡 , 小孔光闌, 白熾燈, 毛玻 璃 , 小氣室 , 打氣皮囊 , 氣壓表 , 凸透鏡 .【實(shí)驗(yàn)原理】M1M 2 1. M- 干涉儀光路M-干涉儀是一種分振幅雙光束的干涉儀. 其光路如圖 . 期中 M 1可以移動(dòng) . G

2、1為分束板 .系別班號(hào)實(shí)驗(yàn)報(bào)告第2頁(yè)姓名同組姓名教師評(píng)定實(shí)驗(yàn)日期2. 干涉花紋的圖樣(1) 點(diǎn)光源照明非定域干涉條紋考慮虛光源 S1和 S2. 若毛玻璃垂直于兩者連線 , 則得到圓條紋 ; 若毛玻璃垂直于兩 者的垂直平分線 , 則得到線條紋 ; 若其它情況 , 則得到橢圓或雙曲線條紋 .非定域圓條紋特性 :?L = 2d(1r22z2).(i)亮紋條件 :k = 2d(1r22z2).(ii)條紋間距 :?r = r k-1 -z22rkd.(iii)條紋的 ”吞吐”:緩慢移動(dòng) M 1鏡, 改變 d, 可以看到條紋條紋吞或吐的數(shù)目N 有:2?d = N.(iv)d 增大, rk增大, 即條紋”

3、吐”; d減小, rk減小, 即條紋 ”吞”.(2) 擴(kuò)展光源照明定域干涉條紋(a) 等傾干涉條紋定域于無(wú)窮遠(yuǎn)相鄰兩條紋角間距 :?k = k - k+1 2d k.(v)(b) 等厚干涉條紋定域于鏡面附近? = 2d cos 2d(1 - d 2 / 2).(vi)實(shí)驗(yàn)報(bào)告系別 班號(hào) 姓名 第3頁(yè)同組姓名 實(shí)驗(yàn)日期 教師評(píng)定 在交棱附近 ,d 2可忽略 . 因此在交棱附近看到的是直條紋 , 離棱遠(yuǎn)就慢慢 變成弧形 , 且彎曲方向是凸向交棱方向的 .2. 測(cè)量空氣折射率.(vii)N p ?2D ?| ?p|公式給出了氣壓為 p 時(shí)的空氣折射率 n. 其中 N 為條紋吞吐量 , p 為氣室氣壓

4、變化實(shí)驗(yàn)步驟和過(guò)程記錄】1. 了解 M- 干涉儀的構(gòu)造(略)2. 調(diào)節(jié)干涉條紋 .(1)粗調(diào) M- 干涉儀 , 使 M 1 和 M 2大致平行 ;把固定鏡 M 2的兩個(gè)微動(dòng)螺絲放在中間位置 , 把M1鏡和 M 2鏡后的三個(gè)小螺絲擰合 適 , 不要太松或太緊 .將激光束調(diào)成水平 , 調(diào)整好小孔光闌的高度和位置 (小孔放在比較靠近激光源的地 方). 再利用 ”自準(zhǔn)直 ”的方法 , 調(diào)整 M1和 M2, 使它們各自反射像的最亮點(diǎn)都和小孔重合 此時(shí) M1和 M 2基本平行 .(2) 非定域干涉條紋 :上面的調(diào)整完成后 , 在小孔光闌上應(yīng)該看到類似干涉的條紋 . 此時(shí)拿走小孔光闌 換上一短焦距小透鏡 ,

5、 并調(diào)整其高度和位置使光束能比較均勻得照亮M 2. 用兩塊毛玻璃在 E 處作為干涉屏 . 此時(shí)應(yīng)該可以在屏上看到干涉條紋 . 調(diào)節(jié) M 2的微動(dòng)螺絲 , 可以系別 班號(hào)實(shí)驗(yàn)報(bào)告 姓名 第4頁(yè)同組姓名 實(shí)驗(yàn)日期 教師評(píng)定 調(diào)整中心的位置和傾角 , 當(dāng)位于光斑中心時(shí) , 可以在毛玻璃上觀測(cè)到非定域圓條紋 .轉(zhuǎn)動(dòng) M-干涉儀的粗調(diào)手柄 , 使 M1鏡移動(dòng), 可以觀察到非定域圓條紋的變化 . 如果 條紋”吞”, 說(shuō)明 d 減小, 此時(shí)條紋變粗變疏 , rk變小; 如果條紋 ”吐”, 說(shuō)明 d變大, 此時(shí) 條紋變細(xì)變密 , rk 變大. 此觀察結(jié)果與理論相符 .將 d 減小, 再細(xì)調(diào) M1和 M2傾角,

6、 然后使毛玻璃垂直于兩者的垂直平分線 , 則得到 線條紋 ; 此時(shí)稍微改變傾角和毛玻璃的取向 , 可以得到雙曲線條紋 .(3) 觀察定域干涉條紋 :(a)等傾條紋把兩塊毛玻璃重疊放在小透鏡與 G1 板之間 , 獲得擴(kuò)展光源 . 在上面圓條紋的基礎(chǔ) 上將 d 調(diào)得很小 (使條紋很粗很疏 ), 用眼鏡代替接收屏 , 進(jìn)一步調(diào)節(jié)微動(dòng)螺絲 , 使得眼 鏡上下左右移動(dòng)的時(shí)候 , 圓心隨著眼鏡移動(dòng) , 但各圓的大小不變 , 條紋不吞不吐 . 因?yàn)?眼鏡聚焦的無(wú)窮遠(yuǎn) , 所以干涉定域于無(wú)窮遠(yuǎn) , 因此我們看到的就是嚴(yán)格的等傾條紋 .d 一定時(shí) , 越靠近中心的干涉圓環(huán) , 間距越大 , 即干涉條紋中間疏邊緣

7、密 ; 改變 d 時(shí) , 條紋隨著 d 的減小而變得稀疏 . 此觀察結(jié)果與理論相符 .將凸透鏡放在 E 的位置 , 找到凸透鏡成像的位置 . 觀測(cè)到此位置與凸透鏡的距離大 概等于凸透鏡的焦距 . 因此可以判斷等傾條紋大約定域在無(wú)限遠(yuǎn) .(b)等厚條紋擴(kuò)展光源照明 . 在非定域圓條紋的基礎(chǔ)上將 d 調(diào)得很小 (使條紋很粗很疏 ), 調(diào)整微 動(dòng)螺絲使得 M1和 M 2成一小傾角 . 調(diào)整粗調(diào)手柄使條紋往 ”吞”, 在視場(chǎng)中出現(xiàn)了直線干 涉條紋 (不一定是豎直線 ). 調(diào)節(jié) M1 和 M 2的傾角可以使條紋變得不太密 , 便于觀察 . 如實(shí)驗(yàn)報(bào)告系別 班號(hào) 姓名 第5頁(yè)同組姓名 實(shí)驗(yàn)日期 教師評(píng)定

8、果慢慢調(diào)整粗調(diào)手柄 , 可以看到干涉條紋再變彎曲 .在干涉條紋從彎曲變得接近直線的附近 , 加上白光光源 , 繼續(xù)朝一樣的方向 , 用細(xì) 調(diào)螺旋慢慢調(diào)整 M 1. 在變成直線再開始變彎的時(shí)候 , 觀察到了彩色的白光干涉條紋 . 記 錄此時(shí) M 的位置 .3. 測(cè)量空氣的折射率 .一邊放氣一邊數(shù) ”吃掉 ”的圓干涉條紋數(shù)目 , 每吃掉一次 , 由氣壓表讀出 ?p 值. 放掉氣室的氣 , 使 ?p 回到 0, 再測(cè)量下一組數(shù)據(jù) . 然后由原理中的公式計(jì)算出一個(gè) 大氣壓下空氣的折射率 n.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)】1. 非定域干涉條紋的調(diào)節(jié)與觀察：轉(zhuǎn)動(dòng)粗調(diào)手柄：轉(zhuǎn)動(dòng)方向M1 與 M2 的距離Rk 的變化條紋的變化粗

9、調(diào)手柄示數(shù)增大增大增大中心吐，變密，細(xì)粗調(diào)手柄示數(shù)減小減小減小中心吞，變粗，疏轉(zhuǎn)動(dòng) E 大概 65之后，觀察到了橢圓條紋。操作：調(diào)節(jié) U12 ，使 M1 和 M2 成一個(gè)小角度，轉(zhuǎn)動(dòng)手柄使 M1 移動(dòng)實(shí)驗(yàn)報(bào)告系別 班號(hào) 姓名 第6頁(yè)同組姓名 實(shí)驗(yàn)日期 教師評(píng)定 現(xiàn)象：首先，觀察到圓條紋變粗，逐漸消減接著調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)動(dòng)把手若干圈后，觀察到干涉條紋彎曲，變?yōu)椋喊l(fā)現(xiàn)調(diào)節(jié)過(guò)度，換檔之后，用細(xì)調(diào)手柄向相反方向轉(zhuǎn)動(dòng)得到：調(diào)節(jié) U2，使條紋最終成為：實(shí)驗(yàn)報(bào)告系別 班號(hào) 姓名 第7頁(yè)同組姓名 實(shí)驗(yàn)日期 教師評(píng)定 此時(shí)測(cè)得 M1 的位置：X 11.77902 mm2. 定域干涉條紋的調(diào)節(jié)與觀察：等傾條紋：操作：把兩

10、塊塊毛玻璃重疊放在小透鏡與G1 板之間 , 獲得擴(kuò)展光源 . 在上面圓條紋的基礎(chǔ)上將 d 調(diào)得很小 （使條紋很粗很疏 ）,減小 d ，調(diào)節(jié) U2，使各圓大小不變，不吞不吐 。用眼鏡代替接收屏 , 進(jìn) 一步調(diào)節(jié)微動(dòng)螺絲?，F(xiàn)象 眼睛上下左右移動(dòng)的時(shí)候 , 圓心隨著眼睛移動(dòng) , 但各圓的大小不變 , 條紋 不吞不吐 .粗略驗(yàn)證焦距： f 14.9 cm3. 等厚和白光條紋的調(diào)節(jié)和觀察等厚條紋的調(diào)節(jié)和觀察：系別實(shí)驗(yàn)報(bào)告班號(hào) 姓名 第8頁(yè)同組姓名 實(shí)驗(yàn)日期 教師評(píng)定 操作：轉(zhuǎn)動(dòng)粗調(diào)手柄，觀察到圓條紋粗而疏現(xiàn)象：調(diào)節(jié) U2，再轉(zhuǎn)動(dòng)粗調(diào)手柄，出現(xiàn)直線干涉條紋。繼續(xù)調(diào)節(jié) U 2，M1 與 M2 之間的夾角增大

11、，條紋變密M1 與 M2 之間的夾角減小，條紋變疏再調(diào)節(jié)粗調(diào)手柄可以觀察到干涉條紋從直變彎再變直。彩色條紋的調(diào)節(jié)和觀察 ：操作：加上白光光源，然后調(diào)節(jié)粗調(diào)手柄，再條紋由彎變直的距離仔細(xì)觀察。現(xiàn)象：經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的調(diào)節(jié)，觀察到了彩色條紋。 條紋中心有三條紫黑色的線， 中間那條較其他兩條黑的是對(duì)稱 軸，沿軸向外 彩色條紋的顏色分別是深黃色，紫黑色，深綠色，棕黃色，紅色， 紫色，淺綠色，桔黃色，淡紅色，紫紅色，淺綠色 和單色光源比較之后發(fā)現(xiàn)，彩色光源形成的干涉條紋的特點(diǎn)是： 距離對(duì)稱軸越遠(yuǎn)，條紋的色散現(xiàn)象越明顯。測(cè)得此時(shí) M1 的距離讀數(shù)：X11.66593 mm第9頁(yè)實(shí)驗(yàn)報(bào)告系別 班號(hào) 姓名 同組姓名

12、 實(shí)驗(yàn)日期 教師評(píng)定 4. 空氣折射率測(cè)量數(shù)據(jù) : = 632.8nmD = 3.53cmp0 = 760mmHg室溫 T= 20 C數(shù)據(jù)表格如下：次數(shù)P1 mmHgP2 mmHg折射率 n6220641.000267230381.000255210601.000247238441.000257279921.000248280601.00025平均243601.00025實(shí)驗(yàn)結(jié)果】1. 觀測(cè)到所有要求觀測(cè)的干涉條紋 .2. M1位于 11.66593mm 處時(shí)得到等厚白光 干涉條紋 :3. 由公式 (vii) 計(jì)算,求得一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下空氣的折射率為n = 1 + 2.5 10-4實(shí)驗(yàn)報(bào)告系別

13、 班號(hào) 姓名 第 10 頁(yè)同組姓名 實(shí)驗(yàn)日期 教師評(píng)定 分析與討論】誤差分析：1對(duì)于 X 與 X不相等的分析：在尋找直條紋的時(shí)候由于第一次錯(cuò)過(guò)了直條紋的出現(xiàn)， 粗調(diào)手柄調(diào)節(jié)過(guò)度， 不得不 向相反方向調(diào)節(jié)， 因此產(chǎn)生了 螺距差 。在尋找白光干涉條紋時(shí)， 也是由于反復(fù)的在 條紋由曲變直的附近尋找，造成了 螺距差 。2關(guān)于空氣折射率的測(cè)量的誤差：實(shí)驗(yàn)室所提供的氣壓計(jì)有一些問(wèn)題， 多多少少影響了實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。 另外 由于室內(nèi)溫度的變化，折射率也會(huì)有一定的變化，參考結(jié)果是在室溫為 14 攝氏度 時(shí)測(cè)量的， 但是在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中室內(nèi)溫度在 20 攝氏度左右， 溫度對(duì)于折射率有影響 ， 因此測(cè)量結(jié)果和參

14、考結(jié)果有一些差距。實(shí)驗(yàn)的總結(jié) ：調(diào)整光路的時(shí)候可以采用 ”自準(zhǔn)直 ”法 （包括調(diào)整光闌位置的時(shí)候 ）, 可以比較快 地調(diào)好光路 ; 還有調(diào)節(jié)彩色干涉條紋時(shí)如果調(diào)過(guò)了由彎變直的那個(gè)區(qū)域 , 那么最好 的方法是用粗調(diào)倒過(guò)去再用微調(diào)回來(lái)慢慢的找 , 否則因?yàn)槁菥嗖畹木壒?, 會(huì)耽誤很多時(shí)間 ; 因?yàn)橛玫氖抢鲜絻x器 ,做工很精細(xì)， 調(diào)節(jié)起來(lái)比較方便快捷， 而且受外界因?qū)嶒?yàn)報(bào)告系別 班號(hào) 姓名 第 11 頁(yè)同組姓名 實(shí)驗(yàn)日期 教師評(píng)定 素影響較少，實(shí)驗(yàn)比較順利。 每個(gè)儀器底下都由三個(gè)螺絲可以用來(lái)調(diào)平 , 這三個(gè) 螺絲很好用 , 調(diào)節(jié)等傾條紋的時(shí)候 , 可以分別在調(diào)節(jié)讓當(dāng)眼睛眼相互垂直兩個(gè)方向 移動(dòng)時(shí)都沒(méi)

15、有條紋吞吐。還有在觀察彩色條紋的時(shí)候我問(wèn)了老師為什么中間的對(duì)稱軸會(huì)是紫黑色的而 不是黑色的， 老師做了大略的解釋， 知道是由于鏡片的原因， 但是我現(xiàn)在還不是很 明白其中的定量分析，有機(jī)會(huì)的話一定要當(dāng)面請(qǐng)教一下鐘錫華老師。測(cè)折射率時(shí)觀察條紋的形狀然后計(jì)數(shù)是很有必要的， 如果初始形狀不便于你數(shù) 吞噬條紋的數(shù)量，那么最后的測(cè)量結(jié)果會(huì)有很大的誤差。這次調(diào)節(jié)白光彩色條紋是一個(gè)很細(xì)致的操作， 很多同學(xué)都表現(xiàn)的很不耐煩， 我 認(rèn)為這次實(shí)驗(yàn)很需要耐心， 以后的研究實(shí)驗(yàn)也是一樣， 如果自己做實(shí)驗(yàn)室不夠耐心 的話就很可能錯(cuò)過(guò)很多重要的現(xiàn)象，從而影響到實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。最后感謝段老師在本次實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的耐心指導(dǎo) !【思考題】1 試驗(yàn)中怎樣才能觀察到非定域的直條紋和雙曲線條紋？調(diào)節(jié) U12 ，使 M1 和 M2 成一個(gè)小角度，轉(zhuǎn)動(dòng)手柄使 M1 移動(dòng) 接著調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)動(dòng)把手若干圈后，觀察到干涉條紋彎曲，然后會(huì)逐漸變直。2 M 干涉儀的分束板 G1應(yīng)使反射光和透射光的光強(qiáng)比接近1 ：1 這是為什么？在入射光強(qiáng)為一定值的條件下， 為了得到很清晰的干涉圖樣， 就要求干涉場(chǎng)的襯比系別 班號(hào)實(shí)驗(yàn)報(bào)告 姓名