用邁克爾遜干涉儀測楊氏模量 .doc

1、評分： 大學(xué)物理實驗設(shè)計性實驗實 驗 報 告實驗題目：用邁克爾遜干涉儀測楊氏模量班 級：姓 名：學(xué)號：指導(dǎo)教師：方運良茂名學(xué)院 物理系 大學(xué)物理實驗室實驗日期：200 年 月 日 實驗提要實驗課題及任務(wù)用邁克爾遜干涉儀測量金屬絲的楊氏模量實驗課題任務(wù)是：利用邁克爾遜干涉儀能精密測量微小變量的特點，測量出鋼絲在拉力作用下的微小伸長量，用特制的測力計測量拉力大小。設(shè)計實驗方案，測定鋼絲的楊氏模量。學(xué)生根據(jù)自己所學(xué)的知識，并在圖書館或互聯(lián)網(wǎng)上查找資料，設(shè)計出用邁克爾遜干涉儀測量金屬絲的楊氏模量的整體方案，內(nèi)容包括：寫出實驗原理和理論計算公式，研究測量方法，寫出實驗內(nèi)容和步驟，然后根據(jù)自己設(shè)計的方案，

2、進行實驗操作，記錄數(shù)據(jù)，做好數(shù)據(jù)處理，得出實驗結(jié)果，寫出完整的實驗報告，也可按書寫科學(xué)論文的格式書寫實驗報告。設(shè)計要求 通過查找資料，并到實驗室了解所用儀器的實物以及閱讀儀器使用說明書，了解儀器的使用方法，找出所要測量的物理量，并推導(dǎo)出計算公式，在此基礎(chǔ)上寫出該實驗的實驗原理。 根據(jù)實驗用的測量儀器，設(shè)計出實驗方法和實驗步驟，要具有可操作性。 用最小二乘法求出楊氏模量。 實驗結(jié)果用標(biāo)準(zhǔn)形式表達，即用不確定度來表征測量結(jié)果的可信賴程度。實驗儀器邁克爾遜干涉儀、測力計、激光器。教師指導(dǎo)(開放實驗室)和開題報告1學(xué)時；實驗驗收，在4學(xué)時內(nèi)完成實驗；提交整體設(shè)計方案時間學(xué)生自選題后23周內(nèi)完成實驗整體

3、設(shè)計方案并提交。提交整體設(shè)計方案，要求用紙質(zhì)版(電子版用電子郵件發(fā)送到指導(dǎo)教師的電子郵箱里)供教師修改。參考文獻（1） 金正宇 一個經(jīng)典力學(xué)實驗測量方法的改進霍爾傳感器測楊氏模量 J 實驗室研究與探索,2000（2） 張 幫 利用邁克耳孫干涉原理測楊氏模量 J 大學(xué)物理實驗2007（3）陳水波，樂雄軍 測量楊氏模量的智能光電系統(tǒng)【J】物理實驗，2001原始數(shù)據(jù) 實驗日期：12月16日實驗中測得金屬絲的直徑di讀數(shù) (mm)校正值(mm)(mm) 10.601-0.0010.602 20.6010.602 30.6000.601 40.6020.603 50.6010.602儀器誤差=±

4、;0.004mm長度為=（ 25.25 ± 0.1 ）cm， He-Ne激光器=632.8nm 測量次 數(shù) 1 2 3 4 5 6 7 8拉 力(N)7.989.0610.0611.0612.0913.0714.1015.16條紋間 隔數(shù) 目153045607590105120 用邁克爾遜干涉儀測量金屬絲的楊氏模量實驗實驗?zāi)康模? 了解邁克爾遜干涉儀得原理，結(jié)構(gòu)及調(diào)整方法。2 利用邁克爾干涉儀能精密測量微小變量的特點，測量出鋼絲在拉力作用下的微小伸長量，測定楊氏模量。3 學(xué)會根據(jù)測量原理，設(shè)計出實驗方法及實驗步驟。實驗儀器： 邁克爾遜干涉儀，測力計，激光器，螺旋測微計實驗原理： 邁克

5、爾遜干涉儀光路圖1邁克爾遜干涉儀的光路邁克爾遜干涉儀有多種多樣的形式，其基本光路如右圖所示。從光源發(fā)出的一束光，在分束鏡的半反射面上被分成光強近似相等的反射光束1和透射光束2。反射光束1射出后投向反射鏡，反射回來再穿過；光束2經(jīng)過補償板投向反射鏡，反射回來再通過，在半反射面上反射。于是，這兩束相干光在空間相遇并產(chǎn)生干涉，通過望遠(yuǎn)鏡或人眼可以觀察到干涉條紋。 點光源產(chǎn)生非定域干涉光路圖2干涉原理 （1）非定域干涉在“用邁克爾孫干涉儀觀察非定域干涉圖樣” 實驗中，激光束經(jīng)短焦距凸透鏡擴束后得到點光源S，它發(fā)出的球面波經(jīng)G1反射可等效為是由虛光源S發(fā)出的（如右圖）。S發(fā)出的光再經(jīng)M1和M2的反射又等

6、效為由虛光源S1和S2發(fā)出的兩列球面波，這兩列球面波在它們相遇的空間內(nèi)產(chǎn)生干涉，從而形成非定域干涉圖樣（2）等傾干涉當(dāng)、互相平行是，得到的是相當(dāng)于平面板的等傾干涉條紋，其干涉圖樣定位于無限遠(yuǎn)，如果在E處放一會聚透鏡，并在其焦平面上放一屏，則在屏上可觀察到一圈圈的同心圓。對與入射角i相同的各束光，如圖1所示，其光程差均為: (1) 對于第K級條紋顯然是滿足下式的入射光反射而成的： (2)在同心圓處i=0，干涉條紋的級數(shù)最高，此時有： (3) 當(dāng)移動間隔d增加時，同心圓的干涉級數(shù)增加，我們就可以看到中心條紋一個一個向外“冒”出；反之當(dāng)d減小時，中心條紋將一個一個地“縮”進去。每“冒出”或“縮進”一

7、個條紋，d就增加或減少了。如果測出移動的距離為,輸出相應(yīng)的“冒出”或“縮進”的條紋個數(shù) ，則就可以算出激光的波長(4)利用邁克耳孫干涉原理,在全息平臺上搭建一干涉光路,并對部分器具進行改造,如下圖所示。將被測金屬絲一端固定,一端與反射鏡2 的滑決相連, M2 的滑塊平穩(wěn)安置在一光滑導(dǎo)軌上,增加對金屬絲得拉力即可改變金屬絲的拉伸量而引起反射鏡M2 的移動。反射鏡M2 的移動導(dǎo)致光程差的改變,使得等傾干涉圓環(huán)移動(條紋涌出或陷入) ,通過干涉圓環(huán)變化數(shù)目則可計算出金屬絲微小拉伸量: （5） 其中 為干涉圓環(huán)移動的數(shù)目,為人射光波長。3金屬絲楊氏模量在外力作用下，固體所發(fā)生的形狀變化成為形變。它可分

8、為彈性形變和塑性形變兩種。本實驗中，只研究金屬絲彈性形變，為此，應(yīng)當(dāng)控制外力的大小，以保證外力去掉后，物體能恢復(fù)原狀。最簡單的形變是金屬絲受到外力后的伸長和縮短。金屬絲長，截面積為，沿長度方向施力后，物體的伸長，則在金屬絲的彈性限度內(nèi)，有： （6）我們把稱為楊氏彈性模量測出金屬絲拉伸量后即可采用以下公式計算金屬絲的楊氏模量，根據(jù)公式（7）將（7）代入（6）得 （8） 將（5）帶入（8）式，即得金屬絲楊氏模量得最終公式： (9)實驗步驟：1）將儀器調(diào)至水平，裝配點光源。使用光纖激光源時，要使光束保持水平，入射與分光板的中部并垂直導(dǎo)軌。打開HeNe激光器的電源開關(guān)，調(diào)節(jié)好光強度，使激光束水平地射向

9、干涉儀的分光板A。（2）轉(zhuǎn)動粗動手輪，移動鏡M1的位置，此位置為固定鏡M2和移動鏡M1相對于分光板的大約等光程位置。從投影屏處觀察，可看到由M1和M2各自反射的兩排光點像，仔細(xì)調(diào)整M1和M2后的三只調(diào)節(jié)螺釘，使兩排光點像嚴(yán)格重合，這樣M1和M2就基本垂直，即M1和M2就互相平行了。再輕輕調(diào)節(jié)M2后的調(diào)節(jié)螺釘，使出現(xiàn)的圓條紋中心處于投影屏中心。（3）消除儀器空轉(zhuǎn)：先按某方向轉(zhuǎn)動粗動手輪半圈，再按同一方向轉(zhuǎn)動微動手輪，這時可看到干涉圓條紋是變化的。（4）用直尺測量出金屬絲的長度。（5）轉(zhuǎn)動粗調(diào)滑輪，將鋼絲拉直。（6）使用螺旋測微器測量鋼絲直徑5次,并分別記錄d的讀數(shù)。在鋼絲的不同部位和不同的經(jīng)向測

10、量。（7）記錄測力計中的初始讀數(shù)，再持續(xù)轉(zhuǎn)動手輪，同時觀察干涉條紋，使干涉條紋增加條（本實驗=15），讀出此時測力計的讀數(shù)，此后每次讓干涉條紋增加條，并分別記錄測力計中讀數(shù)，再調(diào)節(jié)測量8次為止，并分別記錄的讀數(shù)。五、數(shù)據(jù)記錄實驗中測得金屬絲的直徑di讀數(shù) (mm)校正值(mm)(mm) 1 2 3 4 5儀器誤差=長度為=（ ± ）cm， He-Ne激光器=632.8nm 測量次 數(shù) 1 2 3 4 5 6 7 8拉 力(N)條紋間 隔數(shù) 目 六、數(shù)據(jù)處理要求1. 用最小二乘法求出楊氏模量。2.實驗結(jié)果用標(biāo)準(zhǔn)形式表達，即用不確定度來表征測量結(jié)果的可信賴程度。七、思考題(1).干涉儀怎樣調(diào)節(jié)的。(2).補償板有什么作用？如果沒有，會有什么影響？數(shù)據(jù)處理:實驗中測得金屬絲的直徑di讀數(shù) (mm)校正值(mm)(mm) 10.601-0.0010.602 20.6010.602 30.6000.601 40.6020.603 50.6010.602直徑d的A類不確定度：直徑d的B類不確定度： b即得 對于L的不確定度（單次測量）：鋼絲的儀器誤差：所以 測量次 數(shù) 1 2 3 4 5 6 7 8拉 力(N)7.989.061