邁克爾干涉儀測量鈉黃光的波長-論文

1、邁克爾遜干涉儀測定鈉光波長及雙線波長差實驗者：劉啟慶 同組實驗者：張毅 指導教師：李雪梅（A13海工3班 661489）【摘要】本文從實驗的原理和方法等方面對用邁克爾遜干涉儀儀器精確測定鈉黃光波長及雙線波長差實驗進行了測量、討論并用實驗數(shù)據(jù)驗證了理論值，達到了預期的效果。在對利用鈉黃光波長差的測量及其應用中，經過分析后我們發(fā)現(xiàn)使用鈉黃光雙線波長差可以很好的測量玻璃折射率?！娟P鍵詞】邁克爾遜干涉儀、雙線波長差、鈉黃光引言1881年A.A.Michelson和Morley為了測量絕對靜止參考系（以太）相對于運動參考系的速度，精心設計了邁克爾遜干涉儀它的設計非常巧妙，其測量結果說明絕對靜止參考系不存

2、在，從而在物理學發(fā)展史上占有一席之地.現(xiàn)代科技中有許多干涉儀都是由它衍生發(fā)展而來，掌握該儀器的結構、原理、使用方法非常重要.在大學物理實驗教程教學中，分配有一節(jié)課時間來介紹邁克爾遜干涉儀，其內容偏向于儀器結構及原理介紹，在應用方面涉及到如何應用它測量光波波長及介質的折射率.相應配套了物理實驗“邁克爾遜干涉儀測量波長”以強化學生對該儀器調節(jié)及測量方法的掌握，因為激光相干性好，所以較易調節(jié)出效果較好的干涉圖.在此基礎上，一些學校開設了設計研究性實驗項目“鈉雙線波長差的測量”，支持學生進行邁克爾遜干涉儀應用的拓展研究，由于鈉光相干性比激光差，該實驗較難完成.因此，針對實驗中的難點，本文提出了相應解決

3、方法，并對參考教材中提供的一些傳統(tǒng)調節(jié)及測量方法進行了改進，以期能幫助同學們更快、更好地完成該實驗項目.【實驗原理】 低壓鈉燈發(fā)出的黃光包括兩種波長相近的單色光(l1=58965.930Å，l2= 5889.963Å)。這兩條光譜線是鈉原子從3P態(tài)躍遷到3S態(tài)的輻射，用擴展的鈉光燈照射邁克耳孫干涉儀得到的等傾干涉圓環(huán)是兩種單色光分別產生的干涉圖樣的疊加。若以d表示M1/、M2間距(參見邁克耳孫干涉儀原理圖)，則當2d=kl (k=0,1,2，)時，環(huán)中心是亮的，而當2d= (2k+1) (k=0,1,2,)時，環(huán)中心是暗的，若繼續(xù)移動M2，則當M1/，M2的間距增大到d1，

4、且同時滿足 2 = k （1） （2）兩個條件時，因為l1和l2相差不大，l1的各級暗環(huán)恰好與l2的各級亮環(huán)重合條紋的可見度幾乎為0，難以分辨，繼續(xù)移動反射鏡，當M1/、M2間距增到d1時，又使l1和l2的各亮環(huán)重合，條紋又清晰可見，隨著M2的繼續(xù)移動，當M1/、M2間距d2滿足 (3) (4)時，條紋幾乎消失.由（4）式減去（1）式，（5）式減去（2）。M1/、M2間距增加量d滿足 （5） （6）時，條紋的可見度出現(xiàn)上述一個周期的循環(huán)，式中k為干涉條紋級次的增加量。 由（7）減去（6）式 得 （7) 由（6）式可 得 k=2d/l1 (8) 把（9）式代入8式 得 （9）【調試方案設計】1.

5、儀器用具1、活動反光鏡；2、固定反光鏡；3、固定螺釘；4、補償板；5、分光板；6、毛玻璃屏；7、刻度輪；8、刻度輪止動螺釘；9、微量讀數(shù)鼓輪； 10、11、12、調節(jié)螺釘2. 調試方法步驟1.用氦-氖激光調節(jié)邁克爾遜干涉儀使M1與M2垂直1） 啟動He-Ne激光器，使He-Ne激光束大致垂直于M1，即調節(jié)He-Ne激光器高低左右位置，使反射回來的光束按原路返回。 2） 在毛玻璃屏6看到分別由M1和M2反射至屏的兩排光點，每排三個光點，中間一個比較亮，旁邊兩個比較暗。調節(jié)M1背面的兩個螺絲釘，使兩排光點一一重合，這時M1與M2大致互相垂直。3） 在He-Ne激光器和邁克爾遜干涉儀之間加入擴束鏡，

6、讓激光束匯聚形成點光源。這時在屏上就可看到同心圓干涉條紋。通過調節(jié)螺釘11，使圓心調整屏幕正中央。4） 轉動手柄使M2后移動，觀察中心條紋冒出或縮進，轉動微量讀數(shù)鼓輪到條紋變得粗而清晰為止。2.用邁克爾遜干涉儀測量M2板移動的距離。具體操作如下：1） 關閉He-Ne激光器，去掉擴束鏡，點亮鈉光燈，把毛玻璃放到鈉光燈與邁克爾遜干涉儀之間，此時一般可以看到干涉條紋，再調節(jié)細調拉簧微動螺釘，使能看到位置適中、清晰的圓環(huán)狀非定域干涉條紋。觀察條紋變化。轉動微量讀數(shù)鼓輪，可看到條紋的“冒出”或“縮進”。判別M1M2之間的距離是變大還是變小。2） 轉動微量讀數(shù)鼓輪，使M2鏡逐漸遠離分光板，找到條紋變模糊位

7、置。用微量讀數(shù)鼓輪移動M2鏡，同時仔細觀察條紋，至條紋可見度最低時記下M2的位置，繼續(xù)加大光程差，記錄20次條紋可見度最低時M2鏡位置。求出的平均值，將測得的數(shù)據(jù)代人公式求出鈉黃雙線的波長 【實驗測量】用He-Ne激光器作調整儀器用輔助光源，調整到屏幕上出現(xiàn)正圓干涉條紋。調節(jié)粗動測微手輪，使條紋間距最大，此時M1和M2基本重合。取下激光器，換上鈉光燈加毛玻璃（毛玻璃固定在支架上），以使光源成為面光源，用調焦到無窮遠的眼睛朝E方向觀察。仔細調整M2鏡架后調節(jié)螺絲使M1和M2互相平行，可看到圓條紋。 進一步調整，直到眼睛上下左右移動時各圓的大小不變，僅圓心隨眼睛移動，這時我們看到的就是嚴格的等傾條

8、紋。 表.鈉光波長測量數(shù)據(jù)記錄次數(shù)i（m）N=20N=2018.8170.25728.8710.27138.9250.28148.9790.26459.0330.2630.2670.0120.2860.02469.08779.14189.19599.249109.302N=20N=20 0.467%數(shù)據(jù)處理： 平均波長 注意：不確定度的計算： 總不確定度：波長的不確定度：結果表達式：相對誤差： 相對不確定度：2 誤差分析該實驗主要表現(xiàn)為隨機誤差和系統(tǒng)誤差：1、儀器本身震動；2、條紋有寬帶；3、讀數(shù)的轉動活動套筒上面精確度有限；4、人眼觀察偏差；5、波長不是單色而有寬度；6、儀器本身零件間空隙等

9、等。因此我們要進行多次測量，用逐差法處理實驗數(shù)據(jù)，而且要避免測量過程中的回程差，以此來提高實驗的科學性。3. 注意事項 （1）調節(jié)螺釘和轉動手輪時，一定要輕慢，微調鼓輪轉動時可以帶動粗調手輪轉動但轉動粗調手輪時不能帶動微調鼓輪轉動。因此，在測量前，應先進行零位調節(jié)。 （2）在測量過程中，微調鼓輪應沿同一方向轉動，中途不可倒轉，以便消除螺紋的間隙誤差。 （3）由于試驗中視見度最小的位置較難判斷，可選取干涉環(huán)剛消失或剛出現(xiàn)的位置為參考點，本實驗選取干涉環(huán)剛消失時的值。 （4）要想看到同心圓環(huán)條紋必須是等頃干涉，那就必須把兩個反射板調整完全平行。此外，畢竟鈉光燈不是單色光源，當光程差超過了波列長度后

10、就不能看到條紋了，所以要注意控制光程差。 （5）若在實驗過程中出現(xiàn)還未測完干涉條紋變得不明顯，則說明在調節(jié)過程中，M1和 M2之間的距離處于臨界狀態(tài)，因此要重新尋找另外一個明顯的干涉條紋進行測量。 . 【邁克爾遜干涉儀的調整方法和技巧總結】 （1）將儀器調整至水平，裝配鈉光燈。將鈉光燈安裝在分光板的前端，使出射的光斑紋照射在分光板上，光軸與固定鏡垂直。 （2) 轉動粗動手輪，將移動鏡的位置置于機體側面標尺42mm處，此位置為固定鏡和移動鏡相對于分光板的大約等光程位置。從投影屏處（此時不放投影屏），可看到由和各自反射的十字架像，調整和后的三只調節(jié)螺釘，是兩十字架嚴格重合，這樣和就基本垂直，即和就

11、互相平行了。 (3)用單色光調好等傾干涉圓形條紋后，稍稍旋轉鏡臺下的水平拉簧螺絲，使、成一很小的夾角，此時將看見彎曲的干涉條紋。向分束鏡的方向移動鏡使條紋逐漸變直，這表明中央條紋在向視場中央移動。實驗感想 回顧本學期做實驗的過程，總的來說收獲還是很多的。最直接的收獲是提高了實驗中的基本操作能力，并對各種常見儀器有了了解，并掌握了基本的操作。但感到更重要的收獲是培養(yǎng)了自己對實驗的興趣。還有，就是切身的體驗到了嚴謹?shù)膶嶒瀾B(tài)度是何等的重要。本學期的實驗也在很大程度上開闊了我的視野，增長了見識，在喟嘆先人的聰明才智之余，更激發(fā)了我們對未知領域的求知與探索。而且這才實驗也是對我們進入大學后的又一次系統(tǒng)的實驗方法與實驗技能的培訓，通過對實驗現(xiàn)象的觀察、分析和對物理量的測量，使我們進一步加深了對物理學原理的理解，培養(yǎng)與提高了我們的科學實驗能力以及科學實驗素養(yǎng)。特別是對于我們這樣一批工科的學生，對于我們的理論知識的要求并不是很高，因此對于物理我們并不是理解的很透徹的，實驗就給了我們一個機會，讓我們更直觀地去理解科學，理解物理?？茖W實驗是科學理論的源泉，是自然科學的根本，大學物理實驗為我們提供了這樣的一個平臺，為我們動手能力的培養(yǎng)奠定了堅實的基礎。除次之外，大學物理實驗使我們認識到了