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1、迈克尔逊干涉仪实验迈克尔逊干涉仪实验 迈克尔逊干涉仪是1887年美国物理学家迈克尔逊和莫雷为研 究“以太”漂移而设计制造的精密光学仪器。该实验结果否定了“ 以太”的存在，为爱因斯坦建立狭义相对论奠定了基础。为此获 得了1883年诺贝尔物理学奖。迈克尔逊干涉仪不仅可以观察光 的等厚、等倾干涉现象，精密地测定光波波长、微小长度、光 源的相干长度等，还可利用它的原理制成各种专用干涉仪器， 广泛应用于生产和科研各领域。迈克尔逊首倡用光波波长作为 长度基准，提出在天文学中利用干涉效应的可能性，并用自己 设计的星体干涉仪测量了恒星参宿四的直径。荣获1907年诺贝 尔物理学奖。 一、实验目的 1、了解迈克尔
2、逊干涉仪的原理、结构，掌握其调节与使用方法 。 2、掌握使用迈克尔逊干涉仪测量氦氖激光光波波长的方法。 二、实验仪器：迈克尔逊干涉仪，氦氖激光器 水平调节螺丝 1 1、光路部件、光路部件 2 2、读数部件、读数部件 3 3、调节部件、调节部件 单色光源 反 射 镜 反射镜 ，与 成 角。 补偿板 移动导轨 分光板 三、实验原理 1、点光源产生的非定域干涉 d S 2d G1 R 电光源电光源S S发出的光经发出的光经 和和 反射后的干涉，反射后的干涉， 相当于两个虚光源相当于两个虚光源 和和 的干涉。这两束球面的干涉。这两束球面 波的干涉在光场叠加区的任何位置都能观察到，波的干涉在光场叠加区的
3、任何位置都能观察到， 因此称为非定域干涉。因此称为非定域干涉。 根据两反射镜的空间取向，非定域干涉可根据两反射镜的空间取向，非定域干涉可 观察到等倾干涉和等厚干涉。观察到等倾干涉和等厚干涉。 当两反射镜严格垂直，且到分当两反射镜严格垂直，且到分 光板反射膜的距离差为光板反射膜的距离差为d d 时，从时，从 观察屏方向看观察屏方向看,M,M 2 2 的像与的像与M M 1 1 组成一组成一 个厚度为个厚度为 d d 的空气膜，相当于一的空气膜，相当于一 个空气薄膜的干涉。个空气薄膜的干涉。 2 2、等倾干涉、等倾干涉 可以证明，入射光线在膜上可以证明，入射光线在膜上 下表面反射时的光程差为下表面
4、反射时的光程差为 d S d S 相干加强（明条纹）的条件为：相干加强（明条纹）的条件为： 等倾干涉的特点：等倾干涉的特点： 相同的光线线入射到膜表面上 应该应该 在同一圆锥圆锥 面上，而反 射光经经透镜镜会聚后分别别相交 于焦平面上的同一个圆环圆环 上 。因而形成一组组明暗相间间的 同心圆环圆环 。中心干涉级次最中心干涉级次最 高高( (=0)=0)； 移动移动M M 1 1 ，使，使d d增大，可观察到增大，可观察到 不断有条纹从中心吐出；相反不断有条纹从中心吐出；相反 ，减小，减小d d则条纹不断从中心吞则条纹不断从中心吞 进。吞进或吐出的条纹数目进。吞进或吐出的条纹数目 N N 与与M
5、 M 1 1 移动的距离移动的距离d d 满足：满足： 2 2、等厚干涉（不做）、等厚干涉（不做） 当 不垂直于 时 ，可形成劈尖型等厚 干涉条纹. 反 射 镜 反射镜 单色光源 M1 M2 M1 M2 M2 M1 M2 M1 M1 M2 （1 1）、将激光源放置在干涉仪的左端，）、将激光源放置在干涉仪的左端， 调整光源，使激光束射向分束镜中央调整光源，使激光束射向分束镜中央 （2 2）、转动粗调鼓轮，移动可动反射镜，使两个反射镜与分束）、转动粗调鼓轮，移动可动反射镜，使两个反射镜与分束 镜之间的距离粗略相等。镜之间的距离粗略相等。 四、实验内容及要求 （3 3）、移去观察屏，用眼睛垂直观）、
6、移去观察屏，用眼睛垂直观 察分束镜，看到由两个平面镜反射察分束镜，看到由两个平面镜反射 产生的两排光点，调节微调螺丝，产生的两排光点，调节微调螺丝， 使两排光点中最亮的两点重合使两排光点中最亮的两点重合。重。重 新装上观察屏，可以看到干涉条纹新装上观察屏，可以看到干涉条纹 同心圆环同心圆环。 1 1、迈克尔逊干涉仪的调整：、迈克尔逊干涉仪的调整： 调节M1、M2互相垂直，即M1与M2的像平 行。找到同心圆环的干涉条纹。 2 2、测、测He-NeHe-Ne激光器的波长：激光器的波长：调节微动手轮，每吞进或吐出30个 条纹，从主尺、读数窗口和微动手轮上读出从主尺、读数窗口和微动手轮上读出M1的初末
7、位置，吞 吐各测3组数据。 调节测微尺的零点（校零）：先将微调鼓轮沿某一方向旋转调节测微尺的零点（校零）：先将微调鼓轮沿某一方向旋转 至零，然后以同方向转动粗调鼓轮对齐读数窗口的任一整刻度至零，然后以同方向转动粗调鼓轮对齐读数窗口的任一整刻度 。注意：微调与粗调必须同一方向调节！避免引入空程。注意：微调与粗调必须同一方向调节！避免引入空程。在调在调 整好零点后，应使微动鼓轮按原方向转几圈，直到干涉条纹开整好零点后，应使微动鼓轮按原方向转几圈，直到干涉条纹开 始移动以后，才可开始读数测量。始移动以后，才可开始读数测量。 主尺 读数窗口 微动手轮 最后读数为：33.52246mm 对吞进和吐出条纹
8、的情形分别计算：吞进（吐出）30 个条纹，M1移动距离d的平均值，计算波长，波长的定值 误差。激光波长的标准值为632.8nm。 五、数据处理 等倾倾干涉M1初位置M1末置dN 吐环环 30 30 30 呑环环 30 30 30 激光波长实验值：波长测量的百分差E： 光栅衍射 衍射光栅是由大量相互平行、等宽、等间距的狭缝或刻痕所是由大量相互平行、等宽、等间距的狭缝或刻痕所 组成。利用多缝衍射原理使光发生色散的光学元件，由于光栅组成。利用多缝衍射原理使光发生色散的光学元件，由于光栅 具有较大的色散率和较高的分辨本领，它已被广泛地装配在各具有较大的色散率和较高的分辨本领，它已被广泛地装配在各 种光
9、谱仪器中。种光谱仪器中。 一、实验目的 1、观察光栅衍射现象，掌握测定光栅常数、光波波长、角色 散率的方法。 3、进一步熟习分光计的调整和使用方法。 二、实验仪器 分光计、平行平面反射 镜、汞灯、透射光栅 三、实验原理 d d= =a a+ +b b称为称为光栅常数光栅常数。 波长为波长为的平行光垂直入射光的平行光垂直入射光 栅栅栅栅，衍射角，衍射角满满满满足如下光足如下光栅栅栅栅方方 程程时时时时，得到衍射主极大明，得到衍射主极大明纹纹纹纹。 本实验用汞灯作为复合光源，通过分光计的准直管产生平行本实验用汞灯作为复合光源，通过分光计的准直管产生平行 光垂直照射在光栅上，其衍射图样又通过望远镜的
10、物镜聚焦到光垂直照射在光栅上，其衍射图样又通过望远镜的物镜聚焦到 分划板上。由上式可得，分划板上。由上式可得，K K级衍射明纹随波长变化，亮纹的衍射级衍射明纹随波长变化，亮纹的衍射 角角也随之变化，从而产生如下的衍射光谱。从而产生如下的衍射光谱。 -2 -1 0 +1 +2 绿绿 +1+1 级级 绿绿 -1-1 级级 黄黄1 1 +1+1 级级 黄黄2 2 +1+1 级级 黄黄2 2 -1-1 级级 黄黄1 1 -1-1 级级 本实验已知绿光波长本实验已知绿光波长=546.1nm=546.1nm，通过测量绿光的衍射角可，通过测量绿光的衍射角可 计算出光栅常数计算出光栅常数d d，再通过测量双黄
11、线的衍射角，可计算出两种，再通过测量双黄线的衍射角，可计算出两种 黄光的波长（理论值在黄光的波长（理论值在P369P369，表，表1919查询汞灯光源）。查询汞灯光源）。 衍射光栅的基本特性可用衍射光栅的基本特性可用分辨本领分辨本领或或角色散率角色散率来表征。角色散来表征。角色散 率率D D是两条谱线偏向角之差是两条谱线偏向角之差 与两者波长差与两者波长差 之比：之比： 它表示单位波长间隔内两单色谱线之间的角间距。 四、实验内容 1 1、调节分光计、调节分光计 平行光管产生平 行光、望远镜能接受 平行光且光轴与仪器且光轴与仪器 主轴垂直；载物台平主轴垂直；载物台平 面与仪器主轴垂直。面与仪器主
12、轴垂直。 角色散率：角色散率： 角色散率理论值：角色散率理论值： 2 2、调节光栅、调节光栅 （1 1）望远镜及平行光管均与）望远镜及平行光管均与 光栅平面垂直光栅平面垂直（三线合一）（三线合一） 。 望远镜对准平行光管，光栅放置望远镜对准平行光管，光栅放置 于载物台上，转动内盘和望远镜，于载物台上，转动内盘和望远镜， 使零级主极大、反射绿叉丝像均与使零级主极大、反射绿叉丝像均与 分划板垂线重合，然后分划板垂线重合，然后锁紧内盘锁紧内盘。 B1 B3 B2 （2 2）光栅刻线与仪器主轴平行。）光栅刻线与仪器主轴平行。 转动望远镜，观察转动望远镜，观察 1 1级、级、 22级各级衍级各级衍 射主
13、极大，看它们是否等高。若不等高，调节射主极大，看它们是否等高。若不等高，调节 B B3 3 螺钉使它们等高。螺钉使它们等高。 注意，测量之前务必把望远镜与外刻度盘固定在一起注意，测量之前务必把望远镜与外刻度盘固定在一起 。 3、测量衍射角 转动望远镜，从右端+1级黄2光开始，依次测黄2、黄1，绿光 ，直到左端-1级的黄2光角位置，重复测量三次。设各波长 谱线+1级与分划板垂线重合时，读角位置为1和1，再测-1级角 位置2和2，则1级各光的衍射角为. K=+1 K=-1 1和1 2和2 1 1 2 2 五、数据处理 1、计算绿光、黄1和黄2三种波长成分的衍射角及不确定度 ，正确表示结果。 2、以
14、绿光的衍射角计算光栅常数d（绿光波长为546.1nm） 。 3 3、使用上一步计算出的光栅常数和两条黄线的衍射角计算黄、使用上一步计算出的光栅常数和两条黄线的衍射角计算黄 光的波长，并与已知值光的波长，并与已知值(p369(p369、表、表19)19)比较，计算百分差。比较，计算百分差。 4 4、以黄色双线的夹角计算光栅的角色散率、以黄色双线的夹角计算光栅的角色散率 并与理论并与理论 值值 比较，计算百分差。比较，计算百分差。（注意单位）（注意单位） 谱 线 次 数 衍射角位置读数 游标 位置 -1级+1级 绿 光 1左21 右 21 2左21 右 21 3左21 右 21 谱 线 测量 次数 -1级读数+1级读数 左游标2右游标 2左游标1右游标 1 黄 1 1 2 3 黄 2 1 2 3 角色散率实验值：角色散率实验值： 角色散率理论值：角色散率理论值：
