迈克尔逊课件

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1、 迈克尔逊干涉仪实验迈克尔逊干涉仪实验 物理实验教学中心近代物理基本实验40王 琰迈克尔逊课件迈克尔逊简介迈克尔逊简介 迈克尔逊童年随父母随居美国。受旧金山男子中学校长的引导，迈克尔逊对科学特别是光学和声学发生了兴趣，并展示了自己的实验才能。 1869年被选拔到美国安纳波利斯海军学院学习。毕业后曾任该校物理和化学讲师。 18801882年被批准到欧洲攻读研究生，先后到柏林大学、海德堡大学、法兰西学院学习。 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。 1889年成为麻省伍斯特的克拉克大学的物理学教授，在这里着手进行计量学的一项宏伟计划。 1892年改任芝加哥大学物理学教授，后任该

2、校第一任物理系主任，在这里他培养了对天文光谱学的兴趣。 19101911年担任美国科学促进会主席。 19231927年担任美国科学院院长。 1931年5月9日因脑溢血于加利福尼亚州的帕萨迪纳逝世，终年79岁。阿尔伯特亚伯拉罕迈克尔逊(1852 -1931)（Albert Abrahan Michelson）迈克尔逊课件18831883年美国物理学家迈克尔逊和莫雷合作，为证明年美国物理学家迈克尔逊和莫雷合作，为证明“以太以太”存在存在设计制造了第一台用于精密测量的干涉仪设计制造了第一台用于精密测量的干涉仪-迈克尔逊干涉仪迈克尔逊干涉仪，它是在平板，它是在平板或薄膜干涉现象的基础上发展起来的。实验

3、结果或薄膜干涉现象的基础上发展起来的。实验结果否定了以太的存在否定了以太的存在，解决，解决了当时关于了当时关于“以太以太”的争论，证明了光速不变原理，与狭义相对论基本吻的争论，证明了光速不变原理，与狭义相对论基本吻合，为爱因斯坦发现相对论提供了实验依据。合，为爱因斯坦发现相对论提供了实验依据。迈克尔逊用干涉仪最先以用镉红光的波长来测定了国际标准米尺的迈克尔逊用干涉仪最先以用镉红光的波长来测定了国际标准米尺的长度。长度。建立了以光波长为基准的绝对长度标准建立了以光波长为基准的绝对长度标准。迈克尔逊还用该干涉仪测。迈克尔逊还用该干涉仪测量出太阳系以外星球的大小。量出太阳系以外星球的大小。迈克尔逊干

4、涉仪还被用来迈克尔逊干涉仪还被用来研究光谱线的精细结构研究光谱线的精细结构，推动了原子物理，推动了原子物理与计量科学的发展。与计量科学的发展。用以进行光谱学和度量学的研究，并精密测出光速。用以进行光谱学和度量学的研究，并精密测出光速。因发明精密光学仪器以及用这些仪器在光谱学与计量学研究所作中因发明精密光学仪器以及用这些仪器在光谱学与计量学研究所作中的贡献，的贡献，19071907年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖授予芝加哥大学的迈克耳逊，他也是授予芝加哥大学的迈克耳逊，他也是美国美国第一位获诺贝尔物理学奖的科学家。第一位获诺贝尔物理学奖的科学家。 由于迈克尔逊干涉仪将由于迈克尔逊干涉仪将两相干光

5、束完全分开两相干光束完全分开，它们之间的光程差可，它们之间的光程差可以根据要求作各种改变，测量结果可以精确到与波长相比拟，今天以根据要求作各种改变，测量结果可以精确到与波长相比拟，今天, ,迈克迈克尔逊干涉仪已被发展和改进为更完善的现代干涉仪。尔逊干涉仪已被发展和改进为更完善的现代干涉仪。迈克尔逊干仪的历史背景在近代物理学的发展史上起到了里程碑的作用！在近代物理学的发展史上起到了里程碑的作用！实验仪器实验仪器激光源激光源分光板分光板补偿板补偿板反射镜反射镜M2粗动手轮粗动手轮微动手轮微动手轮竖直微调螺丝竖直微调螺丝水平微调螺丝水平微调螺丝读数窗读数窗读数轮读数轮观察屏观察屏 实验原理实验原理获

6、得相干光光源的两种常见获得相干光光源的两种常见方法：方法：分波阵面法：从同一波阵面上分波阵面法：从同一波阵面上获取对等的两部分作为子光源成获取对等的两部分作为子光源成为相干光源；如杨氏实验等。为相干光源；如杨氏实验等。分振幅法：当一束光投射到两分振幅法：当一束光投射到两种介质的分界面时，它的所有的种介质的分界面时，它的所有的反射光线或所有的透射光线会聚反射光线或所有的透射光线会聚在一起时即可发生相干；如薄膜在一起时即可发生相干；如薄膜干涉等。干涉等。迈克尔逊课件1、光路原理G1为分光板，G2为补偿板，M1、M2为平面反射镜。G1与M1、M2均成45角。迈克尔逊干涉仪是用分振幅法产生双光束以实现

7、干涉的dM2G1分光板分光板G2补偿板补偿板M2反射镜反射镜M1反射镜反射镜S观测屏观测屏迈克尔逊课件2、干涉原理（非定域干涉原理）用点光源(激光)作光源，可观察到迈克尔逊干涉仪的非定域干涉现象。如图点光源S，,S1是S经M1所成的虚象，S2是S经M2所成的虚象,显然S1,S2是一对相干点光源,S1、S2发出的球面波在它们相遇的空间处处相干，只需观察屏放在两点光源发出光波的重叠区域内，都能看到干涉现象，故这种干涉称为非定域干涉。屏放置位置不同干涉条纹，形状不同，可以是园,椭园，双曲线，直线等形状。 迈克尔逊课件1光和2光的光程差： ABABBCBCADAD经数学推导： 2dCOS2dCOS（1

8、）等倾干涉（M1与M2垂直）当观察屏垂直于S1S2轴线时，能看到一组明暗相间的同心园干涉条纹,其园心为S1S2轴线与屏的交点P0,P0点的光程差=2d，可以证明，屏上任意点P的光程差： 2dcos 2dcos 式中 为S1射到P点的光线与M1法线之间的夹角 ，当M1与M2之间距离d连续改变时，可以看到园心处条纹向外冒出或缩进。由此，可以测量长度或光源波长。迈克尔逊课件 光程差光程差 相同入射角的光有相同的光程差，干涉图样为一组同心圆。相同入射角的光有相同的光程差，干涉图样为一组同心圆。等倾干涉条纹等倾干涉条纹随随d变化图样变化图样迈克尔逊课件 当当M M1 1、M M2 2有一个很小的角度时，

9、有一个很小的角度时， M1M1、M2M2之间形成楔形空气之间形成楔形空气薄层，就出现等厚干涉。这时薄层，就出现等厚干涉。这时“1”1”和和“2”2”的光程差仍然可以的光程差仍然可以近似近似的用公式：的用公式： d d为为观察点处空气层的厚度观察点处空气层的厚度为为入射角入射角PSM1M212面光源产生的等厚干涉面光源产生的等厚干涉当当很小时，很小时， 光程差：光程差：在在M1M1、M2相交处相交处d d很小，很小，即：即：（2）等厚干涉（M1与M2有一小角度）这时就能观察到这时就能观察到等厚干涉条纹等厚干涉条纹即两镜之间为劈尖干涉。即两镜之间为劈尖干涉。迈克尔逊课件等厚干涉条等厚干涉条纹随纹随

10、d变化图样变化图样M1M2M1M2M2M1M2M1M1M2（3）条纹特征等倾干涉条纹越小，级次越大， =0时级次最高。d增加时条纹涌出，d减小时条纹陷入。 针对=0的中央条纹，设涌出或淹没的条纹数N， 则 =2d/Nd增大时条纹变细变密，d减小时条纹变粗变疏。等厚干涉条纹在两镜面交线附近很小，干涉条纹是一组平行于M1、M2交线的等间隔的直线条纹。在离两镜面交线较远的地方，d增加，随之增加，条纹逐渐发生弯曲，弯曲的方向是凸向中央条纹。迈克尔逊课件（4）波长的测量对对K K级明条纹有：级明条纹有： 当当K K值一定时：值一定时： d d减少，减少， 增大，增大， 减少，条纹减少，条纹“陷入陷入”，

11、 d d增大，增大， 减少，减少， 增大，条纹增大，条纹“涌出涌出”。中心条纹：中心条纹： ，此时干涉级次最大。，此时干涉级次最大。d d每增大每增大 条纹改变一级。条纹改变一级。若改变若改变N N个条纹（个条纹（“涌出涌出”或或“陷入陷入”N”N个条纹）个条纹），两平面镜，两平面镜M M1 1M M2 2间距改变间距改变 迈克尔逊课件3、白光干涉（选作）因为干涉条纹的明暗决定于干涉条纹的光程差与波长的关系，用白光光源只有在d=0时附近能观察到干涉条纹，因为这时对各种波长的光来说，其光程差均为2，故产生直线黑纹，即中央暗纹，两边是对称分布的彩色花纹。而d稍大时，对不同波长的光，其产生干涉明暗纹

12、的条件不同，所产生的各色明暗干涉条纹将会相互重叠，结果使照明均匀，彩色消失。所以只有当d接近于零时才可看到数目不多的彩色干涉条纹，而较远处，只能看到较弱的黑白相间的条纹。4 4、时间相干性（光源的相干长度）（了解）、时间相干性（光源的相干长度）（了解）不是所有的光都能形成干涉，如两只电灯同时照射到同一不是所有的光都能形成干涉，如两只电灯同时照射到同一平面上时，只是总照度加强了，并不能观察到干涉花样，这是平面上时，只是总照度加强了，并不能观察到干涉花样，这是因为独立光源通常是不相干的缘故。能引起干涉现象的光源称因为独立光源通常是不相干的缘故。能引起干涉现象的光源称为为-相干光。相干光。为什么不同

13、波长的光源有不同的相干长度和不同的相干时为什么不同波长的光源有不同的相干长度和不同的相干时间呢？这有如下两种解释：间呢？这有如下两种解释：一种解释是：实际光源所发射的光波不是无穷长的波列，一种解释是：实际光源所发射的光波不是无穷长的波列，当波列的长度比相干长度小时，光束当波列的长度比相干长度小时，光束 ( 2 ) ( 2 ) 已全部通过干涉已全部通过干涉区的被观察点，而光束区的被观察点，而光束 ( 1 ) ( 1 ) 尚未达到该点，因此它们之间尚未达到该点，因此它们之间不能构成干涉。所以相干长度表征了波列的长度。不能构成干涉。所以相干长度表征了波列的长度。另一种解释是：实际光源发射的单色光波不

14、是绝对的单色另一种解释是：实际光源发射的单色光波不是绝对的单色光波，而是有一个波长范围，两列光波形成的两套干涉条纹非光波，而是有一个波长范围，两列光波形成的两套干涉条纹非相干叠加，干涉条纹的视见度将随光程差做周期性变化。光程相干叠加，干涉条纹的视见度将随光程差做周期性变化。光程差逐渐增加时，视场中干涉条纹交替出现差逐渐增加时，视场中干涉条纹交替出现“清晰清晰”和和“消失消失”。实验要求1. 1. 调整好干涉仪调整好干涉仪2. 2. 观察等倾干涉观察等倾干涉3. 3. 掌握仪器读数，测量激光的波长掌握仪器读数，测量激光的波长4. 4. 观察白光干涉（选作）观察白光干涉（选作）实验难点1. 1.

15、仪器调整仪器调整2. 2. 仪器读数仪器读数3. 3. 数据处理数据处理1、仪器调节固定激光头，目测使水平且大致和M2等高；细调激光头位置使扩展光束均匀照射反射镜。将M1、M2和水平、垂直的8个螺钉放在中间可调位置；将M1大致调到32mm的位置；调节固定反射镜M2后的方位螺丝，眼睛使从M1中看到的两排光点对应光点重合，此时M1和M2大致垂直。 操作步骤操作步骤放上接收屏，将看到有明暗相间的干涉条纹；调节M2镜座下的个水平和垂直微调螺钉，直至出现干涉圆环，且圆心在视场中央，若条纹太细或干涉环模糊，可轻轻转动粗调手轮(减小距离d)。转动微动手轮，使M1镜前后移动，可看到条纹“涌出”或“陷入”。 调

16、节测微尺的零点（校零）：先将微动鼓轮沿某一方向旋转至零，然后以同方向转动粗动鼓轮对齐读数窗口的任一整刻度。注意：粗动与微动必须同一方向调节！避免引入空程：在调整好零点后，应使微动鼓轮按原方向转动，确认干涉条纹开始移动以后，才可开始读数测量。 2、调整读数系统读数系统（单位mm，读到小数后5位）最后读数为：？最后读数为：？ 32.52215mm32.52215mm3、数据测量（1）调出圆心在屏中央、大小适中的圆环形等倾干涉条纹后，缓慢转动微动手轮，在圆心是明纹或暗纹时，记录M1的位置读数d1。（2）按同方向继续转动微动手轮同方向继续转动微动手轮，并对条纹圆心出现的次数计数，记录每“涌出”或“陷入

17、”30个干涉环时M1的位置读数d2。（3）涌出”和“陷入”各测量5次。4、观察白光彩色条纹（选作）在等倾干涉基础上移动M1，使干涉环由细密变粗疏（仅有几条，记住此时M1运动的方向）后，微调微动螺丝直到条纹变成等轴双曲线形状，说明M1、M2接近重合。改用白炽灯作为光源，细心缓慢地旋转微动手轮（注意M1运动的方向一定要与开始相同），当M1、M2达到“零程”时，在M1、M2交线附近就会出现彩色条纹。记录观察到的等倾条纹形状、中央条纹颜色、颜色分布及条纹的总数目。观察色彩条纹是否对称？是否有白或黑条纹？为什么？测出从中心到条纹消失同M1移动的距离L。注意事项注意事项不要不要直视激光直视激光，以免损伤眼

18、睛！，以免损伤眼睛！测量时，注意避免测量时，注意避免螺距回程差螺距回程差！切忌用切忌用手触摸光学元件手触摸光学元件的光学表面！不能对着光学元件说话、咳嗽、打的光学表面！不能对着光学元件说话、咳嗽、打喷嚏。喷嚏。在调节和测量过程在调节和测量过程中，一定要非常细心和耐心，转动手轮时要缓慢、均中，一定要非常细心和耐心，转动手轮时要缓慢、均匀，切忌用力过猛。匀，切忌用力过猛。镜后螺丝及拉簧一定要轻拧镜后螺丝及拉簧一定要轻拧，且不可拧的过紧！，且不可拧的过紧！轻拿轻放，避免使光学仪器或元件受到冲击或震动、摔落。轻拿轻放，避免使光学仪器或元件受到冲击或震动、摔落。不可直视！不可直视！数据记录表数据记录表测量测量次数次数条纹条纹变化变化M1M1（MMMM）位置）位置1 1d1d1M1M1（MMMM）位置）位置2 2d2d21 1条纹条纹陷入陷入2 23 34 45 51 1条纹条纹涌出涌出2 23 34 45 5数据处理数据处理(1)求和(2)求迈克尔逊课件