迈克尔逊干涉仪测波长.doc

大学物理实验教案
实验名称：迈克尔逊干涉仪测波长

一 实验目的
1、 了解迈克尔逊干涉仪的结构；
2、 掌握迈克尔逊干涉仪的结构；
3、 观察光的等倾干涉现象并掌握波长的方法；
4、 掌握逐差法处理数据。
二 实验仪器
He-Ne激光器、扩束透镜、迈克尔逊干涉仪
三 实验原理

迈克尔逊干涉仪的光学系统如图。它由分光板G、补偿板H、定反射镜M1和动反射镜M2组成。M1和M2互相垂直，分光板和补偿板是一对材料和外型完全相同的平板光学玻璃，它们相互平行并分别和M1、、M2成大致45度夹角，分光板的次数不同引起的光程差。来自点光源（或扩展光源）的光，入射到分光板上，分为强度相同的光线“1”和光线“2”的相干光，并分别由M1和M2反射后投射到光屏上（对于扩展光源用眼睛正对着观察）产生干涉现象。由于M1和M2垂直，可以等价地看成M2的虚象和M1形成一个厚度d为的空气隙，d的大小随M2的位置改变而改变，所以两光线的光程差可由下式确定：
（1）
式中iˊ为光线“1”对M2的入射角。当d一定时，Δ由iˊ确定，iˊ相同的方向上光程差相等，形成了等倾干涉条纹。且满足：
k=0、1、2、3…… （2）
呈亮条纹：
k=0、1、2、3…… （3）
呈暗条纹。条纹呈明暗相间的同心环，这和牛顿环干涉条纹相似，但不同的是本同心环外侧干涉级别低，越靠圆心干涉级别越高。圆心干涉级别最高。现分析一下（2）式。对于第级亮条纹，有：
（4）
当d增大时，为了保证（4）式仍成立ik‘必须也增大，即k级亮条纹往外扩大，反之，减小时，ik‘也必须减小，k级亮条纹往内缩小。特别地考虑iˊ=0（即圆心）处。满足：
（5）
时为亮条纹。那么，d增大时，中心亮条纹的级别K增大，中心往外冒出亮条纹，d减小时，中心亮条纹级别减小，亮条纹往中心收进。每当d改变时，中心处就冒出或收进一个干涉条纹。当d改变时，中心处就冒出或收进n个干涉条纹。根据这种现象，可以测定光波波长。
假设动镜M2原在位置D1上，现移动M2的位置，同时观察并计算中心亮条纹冒出或收进的数目，当M2移至位置D2时，相应地冒出或收进的亮条纹数目N。就有：

四 教学内容
1、 调整He-Ne激光器所发的光线与定镜之间的光路垂直。
2、 光斑重合的时候应该出现干涉图样。
3、 放入扩束镜观察干涉条纹。
4、 利用微调装置调整干涉条纹的中心位置。
5、 动镜位置初读数的确定（先将细调手轮读数调为0，再将粗调手轮读数调为0，观察主尺读数）。
6、 转动细调手轮直到干涉条纹能稳定地随细调手轮的变化而变化。
7、 待干涉条纹随细调手轮的转动变化10次以上，记下此时动镜的位置。
8、 继续按原方向转动细调手轮使干涉条纹变化50次，记下此时的读数作为一组数据，以后依此类推，总共记录16组数据。
9、 用逐差法处理数据
五 实验教学组织及教学要求
1、教学组织
1、 查预习报告，特别对数据记录表格进行检查
2、 实验装置的调整，提问He-Ne激光器所发的光线与定镜之间的关系，应该怎样调整？（反射回来的光线应该出现在He-Ne激光器的头部面板上）
3、 示范并提问第二个问题，光斑重合的时候应该出现干涉图样，如果没有图则扩束之后仍然无法得到干涉图样，那么应该怎样调整？
2、 教学要求
1、 按学内容所要求的步骤进行实验操作。
2、 提醒几个要点
a) 动镜的位置应调到40~50mm之间
b) 如果不能产生干涉那么要检查当调节定镜背后的三个螺丝时，出现在He-Ne激光器的头部面板上的光线是否相应会动？以及对重合的斑点进行检查（换个点看看）
c) 干涉图样的中心应该全部出现，利用哪个部份来调整？

六 实验教学重点及难点
1、 光路垂直问题，通过演示，估计大部分学生可以迅速理解。
2、 光斑重合，这是本实验最困难的部分，解决技巧：取下光屏，用手拿一张白纸代替光屏，利用手臂延长光路，使得光斑是否重合变得更容易观察。
3、 注意不论是粗调手轮或者是微调手轮在实验过程中途不得倒转，否则会产生很大的回转误差。
七 实验中容易出现的问题及注意事项
1、 容易出现的问题
1、 实验过程中眼睛容易疲劳，可适当休息片刻再继续。
4、 意外事故：实验中途当光路遭意外破坏后，可重新调整光路继续实验（因为动镜位置没因光路的破坏而变化。）
2、注意事项
1、使用干涉仪时不要使工作台震动。
2、用手或其他物品触摸其光学表面。
3、切勿学表面讲话。
八 实验参考数据
本实验所用的激光器平均波长为589.3纳米。
九 实验结果检查方法
1、 检查实验数据：干涉条纹每隔400次变化后，动镜相应的变化量，按理论推算应为0.12656mm。
2、 如数据不理想，则检查实验数据中干涉条纹每变化50次动镜的相应变化量，应该在0.0158mm左右，依此可以判断错误出现在什么地方。
十 课堂实验预习检查题目
1、 本实验的所用的计算公式？公式中个物理量的意义？
2、 怎样确定动镜的位置？
3、 实验中的注意事项？
十一 思考题
1、 本实验在进行记数条纹数目时，即使记数没有失误，那么这个数目是否仍存在误差？如果有，大概有多大？
2、 本实验为什么要取如此大的条纹变化量？要是取小一点如十来个行吗？
3、 你对本次实验有何感想、体会或者建议？