邁克爾遜干涉儀的調(diào)節(jié)和使用

1、沈陽城市學(xué)院物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心邁克爾遜干涉儀的調(diào)節(jié)和使用邁克爾遜干涉儀的調(diào)節(jié)和使用 Michelson Interferometer沈陽城市學(xué)院沈陽城市學(xué)院 物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心沈陽城市學(xué)院物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心1 1 阿爾伯特阿爾伯特- -邁克爾遜簡介邁克爾遜簡介 （Albert Albert Abrahan MichelsonAbrahan Michelson，18521852 19311931） 美國著名實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家：邁克爾遜，1852 年12月19日出生于波蘭一個(gè)猶太商人家庭，1856年隨父母移居美國.1873年畢業(yè)于美國海軍學(xué)院。 邁克爾遜及其對(duì)物理學(xué)發(fā)展的主要貢獻(xiàn)沈陽城市學(xué)院物

2、理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心n 1883年任俄亥俄州克利夫蘭市開斯應(yīng)用科學(xué)學(xué)院物理學(xué)教授n 1889年成為麻省伍斯特的克拉克大學(xué)的物理學(xué)教授。n 1892年到一個(gè)全新的大學(xué)芝加哥大學(xué)任物理學(xué)系教授，并成為該系第一任系主任。 邁克爾遜及其對(duì)物理學(xué)發(fā)展的主要貢獻(xiàn)沈陽城市學(xué)院物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心 1907年邁克爾遜因?yàn)椤鞍l(fā)明光學(xué)干涉儀并使用其進(jìn)行光譜學(xué)和基本度量學(xué)研究” 而成為美國歷史上第一位諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者。1910-1911年擔(dān)任美國科學(xué)促進(jìn)會(huì)主席。 1923-1927年擔(dān)任美國科學(xué)院院長。月球上的一個(gè)環(huán)形山是以他的名字命字。 1931年5月9日逝世于加利福尼亞的帕薩迪納。邁克爾遜及其對(duì)物理學(xué)發(fā)

3、展的主要貢獻(xiàn)沈陽城市學(xué)院物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心2 2、“以太漂移以太漂移”學(xué)說的提出學(xué)說的提出 十八世紀(jì)后，惠更斯、楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)證十八世紀(jì)后，惠更斯、楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)證明了光的波動(dòng)性，并建立了光的波動(dòng)理論。人明了光的波動(dòng)性，并建立了光的波動(dòng)理論。人們?yōu)榱私忉尮獾膫鞑ザ雮優(yōu)榱私忉尮獾膫鞑ザ搿耙蕴蕴钡母拍睢５母拍?。設(shè)想設(shè)想“以太以太”是彌漫在整個(gè)宇宙空間的一種物是彌漫在整個(gè)宇宙空間的一種物質(zhì)。光借助質(zhì)。光借助“以太以太”這種介質(zhì)傳播。這種介質(zhì)傳播?！耙蕴蕴?” 的提出是假設(shè)，被當(dāng)時(shí)物理學(xué)界所接受。但如的提出是假設(shè)，被當(dāng)時(shí)物理學(xué)界所接受。但如何用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證何用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證“以太以太”的存在，

4、許多物理學(xué)家的存在，許多物理學(xué)家用不同的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了檢驗(yàn)，具有代表性的是邁用不同的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了檢驗(yàn)，具有代表性的是邁克爾遜的干涉儀實(shí)驗(yàn)最為著名?？藸栠d的干涉儀實(shí)驗(yàn)最為著名。 沈陽城市學(xué)院物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心3 3、邁克爾遜莫雷實(shí)驗(yàn)、邁克爾遜莫雷實(shí)驗(yàn) 按經(jīng)典理論地球在“以太”中繞太陽公轉(zhuǎn)，就象急馳的火車相對(duì)于周圍空氣運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生一股風(fēng)一樣.也應(yīng)有一股“以太風(fēng)”。邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)就是為了測量“以太風(fēng)”而設(shè)計(jì)的。沈陽城市學(xué)院物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示 沈陽城市學(xué)院物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心引 言 邁克爾遜干涉儀是邁克爾遜干涉儀是18831883年美國物理學(xué)家邁克爾遜和莫年美國物理學(xué)家邁克爾遜和莫

5、雷合作，為研究雷合作，為研究 “ “以太以太” ” 漂移實(shí)驗(yàn)而設(shè)計(jì)制造出來漂移實(shí)驗(yàn)而設(shè)計(jì)制造出來的精密光學(xué)儀器，實(shí)驗(yàn)結(jié)果否定了的精密光學(xué)儀器，實(shí)驗(yàn)結(jié)果否定了 “ “以太以太” ” 的存在，的存在，促進(jìn)了相對(duì)論的建立促進(jìn)了相對(duì)論的建立. . 此后，邁克爾遜又用它做了兩此后，邁克爾遜又用它做了兩個(gè)重要實(shí)驗(yàn)，首次系統(tǒng)地研究光譜線的精細(xì)結(jié)構(gòu)，以個(gè)重要實(shí)驗(yàn)，首次系統(tǒng)地研究光譜線的精細(xì)結(jié)構(gòu)，以及直接將光譜線的波長與標(biāo)準(zhǔn)米尺進(jìn)行比較及直接將光譜線的波長與標(biāo)準(zhǔn)米尺進(jìn)行比較. . 后人還后人還利用該干涉儀的原理，研制出各種專用干涉儀利用該干涉儀的原理，研制出各種專用干涉儀. . 邁克爾遜因發(fā)明精密光學(xué)儀器和借助

6、這些儀器在光譜邁克爾遜因發(fā)明精密光學(xué)儀器和借助這些儀器在光譜學(xué)和度量學(xué)的研究工作中所做出的貢獻(xiàn)，被授予了學(xué)和度量學(xué)的研究工作中所做出的貢獻(xiàn)，被授予了19071907年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng) . .沈陽城市學(xué)院物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心 對(duì)于這個(gè)實(shí)驗(yàn)，愛因斯坦稱贊是對(duì)于這個(gè)實(shí)驗(yàn)，愛因斯坦稱贊是“物理學(xué)物理學(xué)所有實(shí)驗(yàn)中最美的實(shí)驗(yàn)所有實(shí)驗(yàn)中最美的實(shí)驗(yàn)”，“邁克爾遜是偉大邁克爾遜是偉大的天才的天才”，是，是“科學(xué)家中的藝術(shù)家科學(xué)家中的藝術(shù)家”。這個(gè)實(shí)。這個(gè)實(shí)驗(yàn)的成功，歸功于邁克爾遜的驗(yàn)的成功，歸功于邁克爾遜的“科學(xué)家的感觸科學(xué)家的感觸手法，尤其是對(duì)于對(duì)稱形式的感覺手法，尤其是對(duì)于對(duì)稱形式的感覺”。

7、邁克爾遜本人體會(huì)到，這個(gè)實(shí)驗(yàn)邁克爾遜本人體會(huì)到，這個(gè)實(shí)驗(yàn)“需要研需要研究者有學(xué)者的分析智慧、藝術(shù)家的審美和詩人究者有學(xué)者的分析智慧、藝術(shù)家的審美和詩人的形象性語言。的形象性語言?！?邁克爾遜邁克爾遜莫雷實(shí)驗(yàn)圖莫雷實(shí)驗(yàn)圖最初的邁克爾遜干涉儀最初的邁克爾遜干涉儀現(xiàn)代的邁克爾遜干涉儀現(xiàn)代的邁克爾遜干涉儀沈陽城市學(xué)院物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶?shí)驗(yàn)?zāi)康牧私膺~克爾遜干涉儀的結(jié)構(gòu)、原理及調(diào)了解邁克爾遜干涉儀的結(jié)構(gòu)、原理及調(diào)節(jié)和使用方法；節(jié)和使用方法； 觀察觀察等傾干涉等傾干涉條紋，學(xué)會(huì)測量條紋，學(xué)會(huì)測量He-NeHe-Ne激光激光的波長；的波長；學(xué)習(xí)測定納光雙線的波長差。學(xué)習(xí)測定納光雙線的波長差。 沈陽城市學(xué)

8、院物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心實(shí)實(shí) 驗(yàn)驗(yàn) 儀器：儀器：邁史爾遜干涉儀：WSM200He-Ne激光器：JGQ-250擴(kuò)束鏡：沈陽城市學(xué)院物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心邁克爾遜干涉儀的結(jié)構(gòu)與光路邁克爾遜干涉儀的結(jié)構(gòu)與光路固定鏡固定鏡M1可動(dòng)鏡可動(dòng)鏡M2分光板分光板G1補(bǔ)償板補(bǔ)償板G2粗調(diào)手輪粗調(diào)手輪微調(diào)手輪微調(diào)手輪刻度盤刻度盤傾度微調(diào)傾度微調(diào)傾度微調(diào)傾度微調(diào)沈陽城市學(xué)院物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心導(dǎo)軌導(dǎo)軌毫米刻度盤毫米刻度盤沈陽城市學(xué)院物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心邁克爾遜干涉儀的讀數(shù)系統(tǒng)邁克爾遜干涉儀的讀數(shù)系統(tǒng)主尺主尺粗動(dòng)手輪讀數(shù)窗口粗動(dòng)手輪讀數(shù)窗口微動(dòng)手輪微動(dòng)手輪33330.520.520.002460.0024633.52246mm33.52

9、246mm分度值分度值1mm1mm分度值分度值1010-2-2mmmm 分度值分度值1010-4-4mmmm，可估讀至可估讀至1010-5-5mmmm沈陽城市學(xué)院物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心主尺主尺粗動(dòng)手輪讀數(shù)窗口粗動(dòng)手輪讀數(shù)窗口微動(dòng)手輪微動(dòng)手輪最后讀數(shù)為：？最后讀數(shù)為：？32.52215mm32.52215mm沈陽城市學(xué)院物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心2G1G半透半半透半反膜反膜1M補(bǔ)償板補(bǔ)償板1M2Md d1122邁克爾遜干涉儀原理圖邁克爾遜干涉儀原理圖邁克耳遜干涉儀產(chǎn)生的干涉，與邁克耳遜干涉儀產(chǎn)生的干涉，與M1 、M2之間的空氣薄膜產(chǎn)生的干涉一樣。之間的空氣薄膜產(chǎn)生的干涉一樣。沈陽城市學(xué)院物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心實(shí)實(shí) 驗(yàn)

10、驗(yàn) 原原 理理沈陽城市學(xué)院物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心21()2n AB BCnADD DP1n1n2n1M2MeLiC3A1B2(n2n1，薄膜上下表面平行薄膜上下表面平行)2與與 3的光程差為：的光程差為：22cos2en222212sin2e nni2(1,2,.)2kk(21)(0,1,2,.)2kk 等傾干涉原理沈陽城市學(xué)院物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心222212sin2e nni 干涉條紋的級(jí)次干涉條紋的級(jí)次K僅與僅與傾角傾角i有關(guān)，點(diǎn)光源有關(guān)，點(diǎn)光源S發(fā)發(fā)出的光線中，具有同一出的光線中，具有同一傾角的反射光線會(huì)聚干傾角的反射光線會(huì)聚干涉，形成同一級(jí)次圓環(huán)涉，形成同一級(jí)次圓環(huán)形干涉條紋，稱為等傾形干涉條紋

11、，稱為等傾干涉條紋。干涉條紋。條紋中心處，入射角條紋中心處，入射角i=0222en 對(duì)應(yīng)條紋級(jí)次最高對(duì)應(yīng)條紋級(jí)次最高沈陽城市學(xué)院物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心三實(shí)驗(yàn)測量原理 邁干儀的干涉原理單色光源單色光源21MM 反反射射鏡鏡 2M反射鏡反射鏡1M21M,M與與 成成 角角04521/GG2G補(bǔ)償板補(bǔ)償板 分光板分光板 1G 移動(dòng)導(dǎo)軌移動(dòng)導(dǎo)軌1M擴(kuò)束鏡擴(kuò)束鏡沈陽城市學(xué)院物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心反反射射鏡鏡 2M21MM 反射鏡反射鏡1M單色光源單色光源1G2G 的像的像2M2Md光程差為光程差為2d 在邁克爾遜干涉儀中產(chǎn)生的干涉相當(dāng)于厚度為在邁克爾遜干涉儀中產(chǎn)生的干涉相當(dāng)于厚度為d的空氣的空氣薄膜所產(chǎn)生的干涉，當(dāng)

12、薄膜所產(chǎn)生的干涉，當(dāng)M1與與M2垂直時(shí)，即垂直時(shí)，即M1與與M2平平行時(shí)，可以觀察到等傾干涉條紋。中心處兩束相干光的行時(shí)，可以觀察到等傾干涉條紋。中心處兩束相干光的沈陽城市學(xué)院物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心211122kkk1G2Gd2M2M1M兩相干光束在空間完全分開，兩相干光束在空間完全分開，并可用移動(dòng)反射鏡的方法改變并可用移動(dòng)反射鏡的方法改變兩光束的光程差兩光束的光程差. .d若中心處為明條紋，則若中心處為明條紋，則若改變反射鏡的位置，使中若改變反射鏡的位置，使中心仍為明條紋，則心仍為明條紋，則只要測出干涉儀中只要測出干涉儀中M1M1移動(dòng)的移動(dòng)的距離距離d d, ,并數(shù)出相應(yīng)的并數(shù)出相應(yīng)的“吞吞吐吐”

13、環(huán)數(shù)環(huán)數(shù)k k, ,就可求出就可求出. .112dk222()ddk2112d 波長測量原理2 dk沈陽城市學(xué)院物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心觀察干涉圓環(huán)的環(huán)心，如增大觀察干涉圓環(huán)的環(huán)心，如增大d d，k k也增大，環(huán)也增大，環(huán)心的級(jí)次也增大，環(huán)心不斷冒出環(huán)紋，環(huán)紋增多心的級(jí)次也增大，環(huán)心不斷冒出環(huán)紋，環(huán)紋增多變密；如減小變密；如減小d d，則發(fā)生相反的情景，環(huán)心不斷，則發(fā)生相反的情景，環(huán)心不斷縮入環(huán)紋，條紋減少變疏?？s入環(huán)紋，條紋減少變疏。沈陽城市學(xué)院物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心實(shí)實(shí) 驗(yàn)驗(yàn) 內(nèi)容內(nèi)容沈陽城市學(xué)院物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心一、調(diào)整邁克爾遜干涉儀及其光路一、調(diào)整邁克爾遜干涉儀及其光路（1）粗調(diào)： 將M1、M2和調(diào)至

14、狀態(tài) （2）細(xì)調(diào)：調(diào)節(jié)M1、M2方位螺釘，使反射光對(duì)準(zhǔn)激光出口調(diào)節(jié)M2后面的三個(gè)螺釘，使最亮的兩個(gè)點(diǎn)重合沈陽城市學(xué)院物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心（5）. 調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)微量讀數(shù)鼓輪微量讀數(shù)鼓輪向一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)幾圈，直至圓向一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)幾圈，直至圓環(huán)涌出環(huán)涌出(或收縮或收縮)，記錄，記錄M2的初始位置的初始位置d1。（6）. 繼續(xù)按原方向轉(zhuǎn)動(dòng)繼續(xù)按原方向轉(zhuǎn)動(dòng)微量讀數(shù)鼓輪微量讀數(shù)鼓輪，當(dāng)，當(dāng)k=30時(shí)，記錄時(shí)，記錄M2的位置的位置di，連續(xù)測量九次，連續(xù)測量九次,用逐差法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。用逐差法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。沈陽城市學(xué)院物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心二、測量二、測量He-NeHe-Ne激光的波長激光的波長, ,記錄動(dòng)鏡記錄動(dòng)鏡M2M

15、2的位置的位置didi變化變化環(huán)數(shù)環(huán)數(shù)M2的位置的位置di(mm)變化變化環(huán)數(shù)環(huán)數(shù)M2的位置的位置di(mm)020050250100300150350mmi/dmmi/d沈陽城市學(xué)院物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心三、數(shù)據(jù)處理三、數(shù)據(jù)處理2 dk波長計(jì)算公式波長平均值kd2波長不確定度kd )(214)()()()(24232221)(ddddddddd波長結(jié)果：沈陽城市學(xué)院物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心注意事項(xiàng)注意事項(xiàng) 移動(dòng)儀器時(shí)，移動(dòng)儀器時(shí)， 只能手握底座上部，不能碰觸底座只能手握底座上部，不能碰觸底座上部的各個(gè)部件上部的各個(gè)部件. . 動(dòng)鏡動(dòng)鏡M M2 2后面的三顆螺絲以及分光板、補(bǔ)償板的方位后面的三顆螺絲以及分光

16、板、補(bǔ)償板的方位均已調(diào)好，不許用手觸摸均已調(diào)好，不許用手觸摸. . 測量時(shí)測量時(shí), , 要注意消除傳動(dòng)系統(tǒng)的空程差要注意消除傳動(dòng)系統(tǒng)的空程差. . 不要用眼睛直接對(duì)著激光不要用眼睛直接對(duì)著激光. . 觀察非定域干涉時(shí)，也觀察非定域干涉時(shí)，也不許用眼睛直接觀看激光干涉條紋，以保證眼睛的安不許用眼睛直接觀看激光干涉條紋，以保證眼睛的安全全. . 不許觸摸激光電源的高壓帶電部位不許觸摸激光電源的高壓帶電部位. . 沈陽城市學(xué)院物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心數(shù)據(jù)處理及分析數(shù)據(jù)處理及分析1.用逐差法計(jì)算用逐差法計(jì)算HeNe激光的波長激光的波長.2.將測得波長將測得波長與公認(rèn)值與公認(rèn)值s進(jìn)行百分差比較進(jìn)行百分差比較.

17、He-Ne激光：激光：s =632.8nm3.計(jì)算鈉雙線的波長差，并與公認(rèn)值計(jì)算鈉雙線的波長差，并與公認(rèn)值s進(jìn)行百分差比較進(jìn)行百分差比較. 鈉光平均波長：鈉光平均波長：12=589.294nm鈉光雙線：鈉光雙線：s=0.597nmiiidd4d4ddiikid2d221212沈陽城市學(xué)院物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心思考題思考題 1、邁克爾孫干涉儀上的、邁克爾孫干涉儀上的“補(bǔ)償板補(bǔ)償板”的作的作用是什么？它的厚度與實(shí)驗(yàn)中采用的光用是什么？它的厚度與實(shí)驗(yàn)中采用的光源有何關(guān)系？它的安裝位置對(duì)實(shí)驗(yàn)有什源有何關(guān)系？它的安裝位置對(duì)實(shí)驗(yàn)有什么樣的影響？么樣的影響？ 2、什么是空程？測量時(shí)應(yīng)如何操作才能、什么是空程？測量

18、時(shí)應(yīng)如何操作才能避免引入空程？避免引入空程？沈陽城市學(xué)院物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心講解結(jié)束，開始實(shí)驗(yàn)！謝謝！講解結(jié)束，開始實(shí)驗(yàn)！謝謝！物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心沈陽城市學(xué)院物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心延伸實(shí)驗(yàn)延伸實(shí)驗(yàn)干涉法測量固體的線脹系數(shù)干涉法測量固體的線脹系數(shù) 將待測金屬桿置于可變熱源中，將待測金屬桿置于可變熱源中， 一端固定，一端固定， 另另一端與平面鏡一端與平面鏡M M1 1頂牢，頂牢， 在溫度升高、在溫度升高、 金屬桿膨金屬桿膨脹過程中，脹過程中， 就會(huì)推動(dòng)就會(huì)推動(dòng)M M1 1移動(dòng)，移動(dòng)， 在觀察屏上會(huì)發(fā)在觀察屏上會(huì)發(fā)現(xiàn)有條紋移動(dòng)，現(xiàn)有條紋移動(dòng)， 記下在某個(gè)溫度區(qū)間移動(dòng)的條紋記下在某個(gè)溫度區(qū)間移動(dòng)的條紋數(shù)，數(shù)， 就可以計(jì)算出其伸長量，就可以計(jì)算出其伸長量， 從而測量出該金從而測量出該金屬的線脹系