普通物理實(shí)驗(yàn)3+光學(xué)六個(gè)實(shí)驗(yàn)講義

1、實(shí)驗(yàn)5 邁克耳孫干涉儀的調(diào)節(jié)和使用【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?.了解邁克爾遜干涉儀的結(jié)構(gòu)和干涉花樣的形成原理。2.學(xué)會(huì)邁克爾遜干涉儀的調(diào)整和使用方法。觀察等傾干涉條紋，測(cè)量待測(cè)光源的波長(zhǎng)。3.觀察等厚干涉條紋，測(cè)量鈉光的雙線波長(zhǎng)差?！緝x器和用具】邁克爾遜干涉儀（WSM-100型），氦氖激光，毛玻璃屏。【實(shí)驗(yàn)原理】1.邁克爾遜干涉儀的介紹19世紀(jì)末，邁克爾遜為了確定當(dāng)時(shí)虛構(gòu)的光傳播介質(zhì)“以太”的性質(zhì)，設(shè)計(jì)和制造了該種干涉儀，并在1881年與莫雷合作在該干涉儀上進(jìn)行了歷史上有名的邁克爾遜莫雷測(cè)“以太”風(fēng)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)得到了否定的結(jié)果，為愛因斯坦1905年創(chuàng)立相對(duì)論提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ).邁克爾遜也因此獲得1907年諾貝爾物

2、理學(xué)獎(jiǎng)。圖29-1 WSM-100型邁克爾遜干涉儀實(shí)物圖邁克爾遜干涉儀原理簡(jiǎn)明，構(gòu)思巧妙，堪稱精密光學(xué)儀器的典范。其原理是用分振幅的方法產(chǎn)生雙光束以實(shí)現(xiàn)干涉的儀器。它的主要特點(diǎn)是兩相干光束完全分開，這就很容易通過改變一光束的光程來改變兩相干光束的光程差，而光程差可以以光波的波長(zhǎng)為單位來度量，隨著對(duì)儀器的不斷改進(jìn)，還能用于光譜線精細(xì)結(jié)構(gòu)的研究和利用光波標(biāo)定標(biāo)準(zhǔn)米尺等實(shí)驗(yàn)。因此，根據(jù)邁克爾遜干涉儀的基本原理，研制的各種精密儀器已被廣泛應(yīng)用于長(zhǎng)度精密計(jì)量、光學(xué)平面的質(zhì)量檢驗(yàn)和傅里葉光譜技術(shù)等方面，邁克爾遜干涉儀是許多近代干涉儀的原型。WSM-100型邁克爾遜干涉儀的實(shí)物圖如圖29-1所示。（1）反光

3、鏡1和反光鏡2：這是兩個(gè)互相垂直放置的平面鏡，鏡面鍍有金屬膜，具有很高的反射率。（2）分光鏡和補(bǔ)償片：分光鏡又稱為分光板，是一塊平行平面玻璃板，其第二平面上鍍有一層半透（反射）膜，可以將以450入射的一列光分成兩列振幅近乎相等的反射光和透射光。補(bǔ)償片也稱補(bǔ)償板，它的厚度和折射率都與分光板相同，且與分光板平行放置，用以補(bǔ)償通過分光鏡的透射光與反射光之間附加的光程差。（3）傳動(dòng)部分和讀數(shù)系統(tǒng)：轉(zhuǎn)動(dòng)大轉(zhuǎn)輪和微調(diào)鼓輪，都可使導(dǎo)軌上的轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)反光鏡1沿導(dǎo)軌移動(dòng)。反光鏡1的位置或移動(dòng)的距離可由機(jī)體側(cè)面的毫米刻尺、讀數(shù)窗口內(nèi)刻度和微調(diào)鼓輪的讀數(shù)確定。粗調(diào)手輪旋轉(zhuǎn)一周，拖板移動(dòng)1毫米,即反光鏡1移動(dòng)

4、1毫米，同時(shí)，讀數(shù)窗口內(nèi)的鼓輪也轉(zhuǎn)動(dòng)一周，鼓輪的一圈被等分為100格，每格為10-2毫米，讀數(shù)由窗口上的基準(zhǔn)線指示。微調(diào)鼓輪每轉(zhuǎn)過一周，拖板移動(dòng)0.01毫米，可從讀數(shù)窗口中可看到讀數(shù)刻度移動(dòng)一格，而微調(diào)鼓輪的周線被等分為100格，則每格表示為10-4毫米。如圖29-2所示的讀數(shù)為33.52246mm。 圖29-2讀數(shù)系統(tǒng)2. 用邁克爾遜干涉儀測(cè)量光波波長(zhǎng)邁克爾遜干涉儀的工作原理如圖29-3所示，光束S以450角入射到分光板P1，通過半透膜的分光作用，分為反射光1和透射光2，反射光1到達(dá)反光鏡1后再次反射沿原路返回，記為反射光，通過P1得到透射光。而透射光2經(jīng)過補(bǔ)償板P2，到達(dá)反光鏡2后反射沿原

5、路返回記為，經(jīng)P1得到反射光。光線和線來自同一光源S因而是相干光，它們到達(dá)E處時(shí)將產(chǎn)生干涉。圖29-3 邁克爾遜干涉儀工作原理圖光線是在分光板P1的第二面反射得到的，這樣使M2在M1的附近（前面或后面）形成一個(gè)平行于M1的虛像M2，因而，在邁克爾遜干涉儀中，自M1 、M2的反射相當(dāng)于自M1、M2的反射。也就是，在邁克爾遜干涉儀中產(chǎn)生的干涉相當(dāng)于厚度為d的空氣薄膜所產(chǎn)生的干涉。M1和M2反射的兩束光的光程程差為 （29-1）式中i為反射光在平面反射鏡M1上的反射角，為入射光的波長(zhǎng)，n2為空氣薄膜的折射率,近似為1，d為薄膜厚度。它們將處于同一級(jí)干涉條紋，并定們于無窮遠(yuǎn)。如果在E處放一會(huì)聚透鏡，將

6、在其焦平面上看到一組明暗相間的同心圓紋。兩束相干光明暗條件為 （29-2）凡i相同的光線光程差相等，并且得到的干涉條紋隨M1和M2的距離d而改變。當(dāng)i=0時(shí)光程差最大，在E點(diǎn)處對(duì)應(yīng)的干涉級(jí)數(shù)最高。由（29-2）式得 （29-3） 由式（29-3）可知，當(dāng)M1和M2的距離d增大時(shí)，對(duì)于任一K級(jí)干涉條紋，其COSI的值將減小，此干涉條紋將向i變大的方向移動(dòng)，即條紋向外擴(kuò)展，我們將看到條紋從中心向外“涌出”，且當(dāng)距離d每增加時(shí)就有一個(gè)條紋從中心“涌出”。反之，當(dāng)距離d每減少時(shí)，就會(huì)有一個(gè)條紋向中心“陷入”。由此可知，連續(xù)“涌出”或“陷入”N個(gè)條紋時(shí)，距離d的改變量滿足如下關(guān)系： （29-4）所以在實(shí)

7、驗(yàn)時(shí)只要數(shù)出“涌出”或“陷入”的條紋個(gè)數(shù)N，讀出d的改變量d就可以計(jì)算出光波波長(zhǎng)的值 （29-5）從邁克爾遜干涉儀裝置中可以看出，S發(fā)出的凡與M1的入射角均為i的圓錐面上所有光線，經(jīng)透鏡L會(huì)聚在半徑為的同一個(gè)圓上，實(shí)際實(shí)驗(yàn)時(shí)，如果調(diào)節(jié)M2與M1嚴(yán)格垂直，則我們用眼睛觀察到的圖像就是明暗相間的同心圓環(huán)，稱為等傾干涉條紋如圖29-6（a）所示，如果M2與M1嚴(yán)不嚴(yán)格垂直，則出現(xiàn)等厚干涉條紋(圖29-6中(b),(c)。根據(jù)式(29-5)測(cè)量波長(zhǎng)時(shí)必須在等傾干涉下進(jìn)行。 (a) (b) (c)圖29-4等傾干涉條紋(a)和可能的等厚干涉條紋(b)(c)【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟】1、邁克爾遜干涉儀的調(diào)整（）按

8、圖29-5原理圖擺放好鈉燈和邁克爾遜干涉儀。在鈉光的燈罩窗口上放置毛玻璃，點(diǎn)亮鈉燈，得到均勻的擴(kuò)展光源，在光源和P1之間加一指針或尖狀物（如筆尖）。（）旋轉(zhuǎn)粗調(diào)手輪，使M1和M2至P1鍍膜面的距離大致相等，沿EP1方向觀察，將看到尖狀物有三個(gè)像（在其中兩個(gè)像基本會(huì)固定不動(dòng)，稱為固定動(dòng)像，第三個(gè)像則會(huì)隨著對(duì)M1和M2背后的三個(gè)螺絲的調(diào)節(jié)會(huì)發(fā)生移動(dòng)，稱為可動(dòng)像）。（）仔細(xì)調(diào)節(jié)M1和M2背后的三個(gè)螺絲，改變M1和M2的相對(duì)方位，直至可動(dòng)像與兩固定動(dòng)像之一在水平方向和鉛直方向均完全重合；再繼續(xù)微調(diào)三個(gè)螺絲，可觀察到干涉條紋，（此時(shí)一般是等厚干涉條紋）。（）細(xì)致緩慢調(diào)節(jié)M1下方的兩個(gè)微調(diào)節(jié)拉簧螺絲，使干

9、涉條紋中心隨觀察者的眼睛左右上下的移動(dòng)而移動(dòng)，但不發(fā)生條紋的“涌出”或“陷入”現(xiàn)象。此時(shí)，才是嚴(yán)格的等傾干涉。（5該系統(tǒng)中M2為動(dòng)鏡，傳動(dòng)比為201，即從螺旋測(cè)微計(jì)上讀出的最小分度值0.01mm相當(dāng)于動(dòng)鏡移動(dòng)0.0005mm2、測(cè)量激光的波長(zhǎng)（1）旋轉(zhuǎn)粗調(diào)手輪，使M2移動(dòng)，觀察條紋“涌出”或“陷入”現(xiàn)象，觀察d的取值與條紋粗細(xì)、疏密的關(guān)系。掌握干涉條紋“涌出”或“陷入”個(gè)數(shù)、速度與調(diào)節(jié)微調(diào)手輪的關(guān)系。（2）當(dāng)視場(chǎng)中出現(xiàn)清晰的、對(duì)比度好的干涉圓環(huán)時(shí)，讀出動(dòng)鏡M2所在的相對(duì)位置，此為“0”位置，然后沿同一方向轉(zhuǎn)動(dòng)微調(diào)手輪，仔細(xì)數(shù)干涉條紋“涌出”或“陷入”的個(gè)數(shù)。每隔50或100個(gè)條紋，記錄一次動(dòng)鏡

10、M2的位置，連續(xù)記錄5個(gè)這樣的位置。（3）由（29-5）計(jì)算激光的波長(zhǎng)。取其平均值與公認(rèn)值（632.8納米）比較，計(jì)算相對(duì)誤差?！緦?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄及處理】環(huán)數(shù)測(cè)微螺旋讀數(shù)動(dòng)鏡移動(dòng)量N為150環(huán)時(shí)的d值0d0=d0=0.0000mmd1= d3d0=50d1=d1=d2= d4d1=100d2=d2=d3= d5d2=150d3=d3=200d4=d4=250d5=d5=氦氖激光的波長(zhǎng) 計(jì)算相對(duì)誤差【注意事項(xiàng)】1. 在調(diào)節(jié)和測(cè)量過程中，一定要非常細(xì)心和耐心，轉(zhuǎn)動(dòng)手輪時(shí)要緩慢、均勻。2. 為了防止引進(jìn)螺距差，每項(xiàng)測(cè)量時(shí)必須沿同一方向轉(zhuǎn)動(dòng)手輪，途中不能倒退。3. 在用激光器測(cè)波長(zhǎng)時(shí)，M1鏡的位置應(yīng)保持在

11、29-60毫米范圍內(nèi)。4. 為了測(cè)量讀數(shù)準(zhǔn)確，使用干涉儀前必須對(duì)讀數(shù)系統(tǒng)進(jìn)行校正。實(shí)驗(yàn)6 單縫衍射實(shí)驗(yàn)【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?觀察單縫衍射現(xiàn)象，加深對(duì)衍射理論的理解。2會(huì)用光電元件測(cè)量單縫衍射的相對(duì)光強(qiáng)分布，掌握其分布規(guī)律。3學(xué)會(huì)用衍射法測(cè)量微小量?！緝x器和用具】光學(xué)平臺(tái)或光具座，單縫，薄透鏡，物屏，光源，準(zhǔn)直透鏡（焦距大一些），平面反射鏡,白屏，測(cè)微目鏡，二維、三維平移底座，升降調(diào)節(jié)座等?！緦?shí)驗(yàn)原理】單縫衍射圖25-1 單縫衍射光的衍射是指光波在傳播過程中遇到障礙物時(shí)，當(dāng)障礙物（小孔、狹縫、毛發(fā)、細(xì)針等）的線度與光的波長(zhǎng)相差不多時(shí)，所發(fā)生的偏離直線傳播的現(xiàn)象，即光可繞過障礙物，傳播到障礙物的幾何陰影區(qū)

12、域中，并在障礙物后的觀察屏上呈現(xiàn)出光強(qiáng)的不均勻分布。通常將觀察屏上的不均勻光強(qiáng)分布稱為衍射圖樣。本實(shí)驗(yàn)涉及的是光通過單縫時(shí)的衍射，即單縫衍射。單縫衍射可分為兩類：菲涅耳衍射、夫瑯和費(fèi)衍射。夫瑯和費(fèi)衍射是指狹縫和障礙物與觀察屏的距離都是無限遠(yuǎn)的。在夫瑯和費(fèi)衍射中，入射到狹縫的光是平行光，傳播到觀察屏的也是平行光，即入射光和衍射光都是平行光，所以夫瑯和費(fèi)衍射是平行光的衍射，在實(shí)驗(yàn)中可以借助兩個(gè)透鏡來實(shí)現(xiàn)。本實(shí)驗(yàn)只研究夫瑯和費(fèi)單縫衍射，如圖25-所示，將波長(zhǎng)為的單色光源置于透鏡的焦平面上，由光源發(fā)出經(jīng)出射的平行光垂直照射在寬度為的狹縫上，當(dāng)很小時(shí)，根據(jù)惠更斯菲涅爾原理，狹縫上每一點(diǎn)都可看成是發(fā)射子波

13、的新波源。由于子波疊加的結(jié)果，可以在透鏡的焦面處的接收屏上看到一組平行于狹縫的明暗相間的衍射條紋，中央是亮而寬的明條紋，在它兩側(cè)是較弱的明暗相間的條紋，中央明條紋寬度是兩側(cè)明條紋寬度的兩倍。從單縫衍射理論可以得出在點(diǎn)出現(xiàn)亮條紋的條件是 （25-1）在點(diǎn)出現(xiàn)暗條紋的條件是 （25-2）式中是單縫的寬度，是衍射角，是入射光的波長(zhǎng)（650nm）。設(shè)狹縫與觀測(cè)屏的距離為，第級(jí)亮條紋與衍射圖樣中心的距離為，則因角極小，；又因衍射圖樣中心位置不易準(zhǔn)確測(cè)定，可以測(cè)量?jī)蓷l同級(jí)條紋間的距離，據(jù)式（25-1）得 （25-3）所以 （25-4）圖25-2 細(xì)絲產(chǎn)生的衍射可見，某一級(jí)暗條紋至衍射圖樣中心的距離與縫寬成

14、反比，大，小，各級(jí)衍射條紋向中央收縮，當(dāng)寬到一定程度，衍射現(xiàn)象便不再明顯，只能看到中央位置有一條亮線，這時(shí)可以認(rèn)為光線是沿直線傳播的。由單縫衍射理論計(jì)算可得，垂直入射于單縫平面的平行光經(jīng)單縫衍射后光強(qiáng)分布的規(guī)律為(25-5)其光強(qiáng)分布如圖25-1所示，當(dāng)時(shí)，在整個(gè)衍射圖樣中，此處光強(qiáng)最強(qiáng)，稱為中央主極大；當(dāng)，在這些地方為暗條紋。暗條紋是以光軸為對(duì)稱軸，呈等間隔、左右對(duì)稱的分布?！緦?shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟】1單縫寬度的測(cè)量（1）在光學(xué)平臺(tái)或光具座上沿米尺調(diào)節(jié)各光學(xué)元件同軸等高。（2）衍射條紋清晰且視場(chǎng)亮度合適。（3）定性觀察衍射條紋。，觀察衍射條紋的分布（疏密）與屏距變化的關(guān)系。然后調(diào)節(jié)一個(gè)適當(dāng)?shù)钠辆?，使中央明紋兩側(cè)有68級(jí)衍射條紋。（4）測(cè)量。調(diào)節(jié)光電探頭逐一