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1、沈阳城市学院物理实验教学中心迈克尔逊干涉仪的调节和使用迈克尔逊干涉仪的调节和使用 Michelson Interferometer沈阳城市学院沈阳城市学院 物理实验教学中心物理实验教学中心沈阳城市学院物理实验教学中心1 1 阿尔伯特阿尔伯特- -迈克迈克尔尔逊逊简介简介 （Albert Albert AbrahanAbrahan Michelson Michelson，18521852 1931931 1） 美国著名实验物理学家：迈克尔逊，1852 年12月19日出生于波兰一个犹太商人家庭，1856年随父母移居美国.1873年毕业于美国海军学院。 迈克尔逊及其对物理学发展的主要贡献沈阳城市学院
2、物理实验教学中心n 1883年任俄亥俄州克利夫兰市开斯应用科学学院物理学教授n 1889年成为麻省伍斯特的克拉克大学的物理学教授。n 1892年到一个全新的大学芝加哥大学任物理学系教授，并成为该系第一任系主任。 迈克尔逊及其对物理学发展的主要贡献沈阳城市学院物理实验教学中心 1907年迈克尔逊因为“发明光学干涉仪并使用其进行光谱学和基本度量学研究” 而成为美国历史上第一位诺贝尔物理学奖诺贝尔物理学奖获得者。1910-1911年担任美国科学促进会主席。 1923-1927年担任美国科学院院长。月球上的一个环形山是以他的名字命字。 1931年5月9日逝世于加利福尼亚的帕萨迪纳。迈克尔逊及其对物理学
3、发展的主要贡献沈阳城市学院物理实验教学中心2 2、“以太漂移以太漂移”学说的提出学说的提出 十八世纪后，十八世纪后，惠更斯、杨氏双缝干涉实验证惠更斯、杨氏双缝干涉实验证明了光的波动性，并建立了光的波动理论。人明了光的波动性，并建立了光的波动理论。人们为了解释光的传播而引入们为了解释光的传播而引入“以以太太”的的概念。概念。设想设想“以太以太”是弥漫在整个是弥漫在整个宇宙宇宙空间的一种物空间的一种物质。光借助质。光借助“以太以太”这种这种介介质传播。质传播。“以太以太” ” 的的提出提出是是假设，被当时物理学界所接受。但如假设，被当时物理学界所接受。但如何用实验何用实验验证验证“以太以太”的存在
4、，的存在，许多许多物理学家物理学家用不同的实验进行了检验用不同的实验进行了检验，具有代表性的具有代表性的是迈是迈克尔克尔逊逊的干涉仪实验最为著名的干涉仪实验最为著名。 沈阳城市学院物理实验教学中心3 3、迈克尔逊莫雷实验、迈克尔逊莫雷实验 按经典理论地球在“以太”中绕太阳公转，就象急驰的火车相对于周围空气运动而产生一股风一样.也应有一股“以太风”。迈克尔逊-莫雷实验就是为了测量“以太风”而设计的。沈阳城市学院物理实验教学中心实验装置如图所示实验装置如图所示 沈阳城市学院物理实验教学中心引 言 迈克尔逊干涉仪是迈克尔逊干涉仪是18831883年美国物理学家迈克尔逊和莫年美国物理学家迈克尔逊和莫雷
5、合作，为研究雷合作，为研究 “ “以太以太” ” 漂移实验而设计制造出来漂移实验而设计制造出来的精密光学仪器，实验结果否定了的精密光学仪器，实验结果否定了 “ “以太以太” ” 的存在，的存在，促进了相对论的建立促进了相对论的建立. . 此后，迈克尔逊又用它做了两此后，迈克尔逊又用它做了两个重要实验，首次系统地研究光谱线的精细结构，以个重要实验，首次系统地研究光谱线的精细结构，以及直接将光谱线的波长与标准米尺进行比较及直接将光谱线的波长与标准米尺进行比较. . 后人还后人还利用该干涉仪的原理，研制出各种专用干涉仪利用该干涉仪的原理，研制出各种专用干涉仪. . 迈克尔逊因发明精密光学仪器和借助这
6、些仪器在光谱迈克尔逊因发明精密光学仪器和借助这些仪器在光谱学和度量学的研究工作中所做出的贡献，被授予了学和度量学的研究工作中所做出的贡献，被授予了19071907年度年度诺贝尔物理学奖诺贝尔物理学奖 . .沈阳城市学院物理实验教学中心 对于这个实验，爱因斯坦称赞是对于这个实验，爱因斯坦称赞是“物理学物理学所有实验中最美的实验所有实验中最美的实验”，“迈克尔逊是伟大迈克尔逊是伟大的天才的天才”，是，是“科学家中的艺术家科学家中的艺术家”。这个实。这个实验的成功，归功于迈克尔逊的验的成功，归功于迈克尔逊的“科学家的感触科学家的感触手法，尤其是对于对称形式的感觉手法，尤其是对于对称形式的感觉”。 迈
7、克尔逊本人体会到，这个实验迈克尔逊本人体会到，这个实验“需要研需要研究者有学者的分析智慧、艺术家的审美和诗人究者有学者的分析智慧、艺术家的审美和诗人的形象性语言。的形象性语言。” 迈克尔逊迈克尔逊莫雷实验图莫雷实验图最初的迈克尔逊干涉仪最初的迈克尔逊干涉仪现代的迈克尔逊干涉仪现代的迈克尔逊干涉仪沈阳城市学院物理实验教学中心实验目的实验目的了解迈克尔逊干涉仪的结构、原理及调了解迈克尔逊干涉仪的结构、原理及调节和使用方法；节和使用方法； 观察观察等倾干涉等倾干涉条纹，学会测量条纹，学会测量He-NeHe-Ne激光激光的波长；的波长；学习测定纳光双线的波长差。学习测定纳光双线的波长差。 沈阳城市学院
8、物理实验教学中心实实 验验 仪器：仪器：迈史尔逊干涉仪：WSM200He-Ne激光器：JGQ-250扩束镜：沈阳城市学院物理实验教学中心迈克尔逊干涉仪的结构与光路迈克尔逊干涉仪的结构与光路固定镜固定镜M1可动镜可动镜M2分光板分光板G1补偿板补偿板G2粗调手轮粗调手轮微调手轮微调手轮刻度盘刻度盘倾度微调倾度微调倾度微调倾度微调沈阳城市学院物理实验教学中心导轨导轨毫米刻度盘毫米刻度盘沈阳城市学院物理实验教学中心迈克尔逊干涉仪的读数系统迈克尔逊干涉仪的读数系统主尺主尺粗动手轮读数窗口粗动手轮读数窗口微动手轮微动手轮33330.520.520.002460.0024633.52246mm33.522
9、46mm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，可估读至可估读至1010-5-5mmmm沈阳城市学院物理实验教学中心主尺主尺粗动手轮读数窗口粗动手轮读数窗口微动手轮微动手轮最后读数为：？最后读数为：？32.52215mm32.52215mm沈阳城市学院物理实验教学中心2G1G半透半半透半反膜反膜1M补偿板补偿板1M2Md d1122迈克尔逊干涉仪原理图迈克尔逊干涉仪原理图迈克耳逊干涉仪产生的干涉，与迈克耳逊干涉仪产生的干涉，与M1 、M2之间的空气薄膜产生的干涉一样。之间的空气薄膜产生的干涉一样。沈阳城市学院物理实验教学中心实实 验验
10、 原原 理理沈阳城市学院物理实验教学中心21()2n AB BCnADD DP1n1n2n1M2MeLiC3A1B2(n2n1，薄膜上下表面平行薄膜上下表面平行)2与与 3的光程差为：的光程差为：22cos2en222212sin2e nni2(1,2,.)2kk(21)(0,1,2,.)2kk 等倾干涉原理沈阳城市学院物理实验教学中心222212sin2e nni 干涉条纹的级次干涉条纹的级次K仅与仅与倾角倾角i有关，点光源有关，点光源S发发出的光线中，具有同一出的光线中，具有同一倾角的反射光线会聚干倾角的反射光线会聚干涉，形成同一级次圆环涉，形成同一级次圆环形干涉条纹，称为等倾形干涉条纹，
11、称为等倾干涉条纹。干涉条纹。条纹中心处，入射角条纹中心处，入射角i=0222en 对应条纹级次最高对应条纹级次最高沈阳城市学院物理实验教学中心三实验测量原理 迈干仪的干涉原理单色光源单色光源21MM 反反射射镜镜 2M反射镜反射镜1M21M,M与与 成成 角角04521/GG2G补偿板补偿板 分光板分光板 1G 移动导轨移动导轨1M扩束镜扩束镜沈阳城市学院物理实验教学中心反反射射镜镜 2M21MM 反射镜反射镜1M单色光源单色光源1G2G 的像的像2M2Md光程差为光程差为2d 在迈克尔逊干涉仪中产生的干涉相当于厚度为在迈克尔逊干涉仪中产生的干涉相当于厚度为d的空气的空气薄膜所产生的干涉，当薄
12、膜所产生的干涉，当M1与与M2垂直时，即垂直时，即M1与与M2平平行时，可以观察到等倾干涉条纹。中心处两束相干光的行时，可以观察到等倾干涉条纹。中心处两束相干光的沈阳城市学院物理实验教学中心211122kkk1G2Gd2M2M1M两相干光束在空间完全分开，两相干光束在空间完全分开，并可用移动反射镜的方法改变并可用移动反射镜的方法改变两光束的光程差两光束的光程差. .d若中心处为明条纹，则若中心处为明条纹，则若改变若改变反射镜的位置，反射镜的位置，使中使中心仍为明条纹，则心仍为明条纹，则只要测出干涉仪中只要测出干涉仪中M1M1移动的移动的距离距离d d, ,并数出相应的并数出相应的“吞吞吐吐”环
13、数环数k k, ,就可求出就可求出. .112dk222()ddk2112d 波长测量原理2 dk沈阳城市学院物理实验教学中心观察干涉圆环的环心，如增大观察干涉圆环的环心，如增大d d，k k也增大，环也增大，环心的级次也增大，环心不断冒出环纹，环纹增多心的级次也增大，环心不断冒出环纹，环纹增多变密；如减小变密；如减小d d，则发生相反的情景，环心不断，则发生相反的情景，环心不断缩入环纹，条纹减少变疏。缩入环纹，条纹减少变疏。沈阳城市学院物理实验教学中心实实 验验 内容内容沈阳城市学院物理实验教学中心一、调整迈克尔逊干涉仪及其光路一、调整迈克尔逊干涉仪及其光路（1）粗调： 将M1、M2和调至状
14、态 （2）细调：调节M1、M2方位螺钉，使反射光对准激光出口调节M2后面的三个螺钉，使最亮的两个点重合沈阳城市学院物理实验教学中心（5）. 调节调节微量读数鼓轮微量读数鼓轮向一个方向转动几圈，直至圆向一个方向转动几圈，直至圆环涌出环涌出(或收缩或收缩)，记录，记录M2的初始位置的初始位置d1。（6）. 继续按原方向转动继续按原方向转动微量读数鼓轮微量读数鼓轮，当，当k=30时，记录时，记录M2的位置的位置di，连续测量九次，连续测量九次,用逐差法进行数据处理。用逐差法进行数据处理。沈阳城市学院物理实验教学中心二、测量二、测量He-NeHe-Ne激光的波长激光的波长, ,记录动镜记录动镜M2M2
15、的位置的位置didi变化变化环数环数M2的位置的位置di(mm)变化变化环数环数M2的位置的位置di(mm)020050250100300150350mmi/dmmi/d沈阳城市学院物理实验教学中心三、数据处理三、数据处理2 dk波长计算公式波长平均值kd2波长不确定度kd )(214)()()()(24232221)(ddddddddd波长结果：沈阳城市学院物理实验教学中心注意事项注意事项 移动仪器时，移动仪器时， 只能手握底座上部，不能碰触底座只能手握底座上部，不能碰触底座上部的各个部件上部的各个部件. . 动镜动镜M M2 2后面的三颗螺丝以及分光板、补偿板的方位后面的三颗螺丝以及分光板
16、、补偿板的方位均已调好，不许用手触摸均已调好，不许用手触摸. . 测量时测量时, , 要注意消除传动系统的空程差要注意消除传动系统的空程差. . 不要用眼睛直接对着激光不要用眼睛直接对着激光. . 观察非定域干涉时，也观察非定域干涉时，也不许用眼睛直接观看激光干涉条纹，以保证眼睛的安不许用眼睛直接观看激光干涉条纹，以保证眼睛的安全全. . 不许触摸激光电源的高压带电部位不许触摸激光电源的高压带电部位. . 沈阳城市学院物理实验教学中心数据处理及分析数据处理及分析1.用逐差法计算用逐差法计算HeNe激光的波长激光的波长.2.将测得波长将测得波长与公认值与公认值s进行百分差比较进行百分差比较. H
17、e-Ne激光：激光：s =632.8nm3.计算钠双线的波长差，并与公认值计算钠双线的波长差，并与公认值s进行百分差比较进行百分差比较. 钠光平均波长：钠光平均波长：12=589.294nm钠光双线：钠光双线：s=0.597nmiiidd4d4ddiikid2d221212沈阳城市学院物理实验教学中心思考题思考题 1、迈克尔孙干涉仪上的、迈克尔孙干涉仪上的“补偿板补偿板”的作的作用是什么？它的厚度与实验中采用的光用是什么？它的厚度与实验中采用的光源有何关系？它的安装位置对实验有什源有何关系？它的安装位置对实验有什么样的影响？么样的影响？ 2、什么是空程？测量时应如何操作才能、什么是空程？测量时
18、应如何操作才能避免引入空程？避免引入空程？沈阳城市学院物理实验教学中心讲解结束，开始实验！谢谢！讲解结束，开始实验！谢谢！物理实验教学中心物理实验教学中心沈阳城市学院物理实验教学中心延伸实验延伸实验干涉法测量固体的线胀系数干涉法测量固体的线胀系数 将待测金属杆置于可变热源中，将待测金属杆置于可变热源中， 一端固定，一端固定， 另另一端与平面镜一端与平面镜M M1 1顶牢，顶牢， 在温度升高、在温度升高、 金属杆膨金属杆膨胀过程中，胀过程中， 就会推动就会推动M M1 1移动，移动， 在观察屏上会发在观察屏上会发现有条纹移动，现有条纹移动， 记下在某个温度区间移动的条纹记下在某个温度区间移动的条
19、纹数，数， 就可以计算出其伸长量，就可以计算出其伸长量， 从而测量出该金从而测量出该金属的线胀系数属的线胀系数. . 参考实验参考实验3.11 3.11 干涉法测量固体的线胀系数干涉法测量固体的线胀系数沈阳城市学院物理实验教学中心用迈克尔逊干涉仪测量物质折射率用迈克尔逊干涉仪测量物质折射率 用迈克尔逊干涉仪的白光干涉条纹可以测量用迈克尔逊干涉仪的白光干涉条纹可以测量M1M1镜镜的位置。将待测薄玻璃片置入有的位置。将待测薄玻璃片置入有M1M1镜的臂中，再镜的臂中，再次调出白光干涉条纹，次调出白光干涉条纹， 这时这时, , 可以测到可以测到M1M1镜的新镜的新位置。位置。 参考实验参考实验4.9 4.9 用迈克尔逊干涉仪测量物质折射率用迈克尔逊干涉仪测量物质折射率