迈克尔干涉仪详案或教案Word格式.docx
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4.学会用迈克尔孙干涉仪测量光的波长,学会精密仪器的调试和读数,并了解机械传动中的空程差的问题;
教学难点
1.十字形光路与补偿镜:
从薄膜干涉的理论,到迈克尔逊干涉仪的具体化过程;
2.正确使用迈克尔孙干涉仪调出清晰的干涉条纹。
课型:
提高性实验(2学时)
教学方法:
讲解教学内容,明确其重点和难点,然后实际演示操作要点
课件:
PPT
教学手段
学生操作,随堂检查操作情况。
根据学生的操作情况将容易犯错的问题做重点提示,学生可以根据操作中遇到的具体问题个别提问。
教学过程
【课前的准备】:
1.仪器设备的检查,注意要校零。
2.实验的预做(采集三组以上数据进行处理)。
3.作出数据表格设计的参考。
【课上的常规检查】
预习报告、数据表格的设计等
1引言
迈克尔逊干涉仪的背景介绍(*引起好奇心,让人们觉得它有一定的用处,不是凭空冒出来的。
知识构建学说:
新知识必须挂靠在已有的知识结构上才牢靠(技能树/科技树))
迈克尔孙干涉仪是美国物理学家A.
A.
Michelson在1881年为研究光速问题而设计的。
它的问世推动了相对论的建立,并在计量技术中获得了广泛应用。
例如可以用它测量光波波长、光源的相干长度、微小长度(用相干性较好的光源对较大长度也可作精密测量),还可以用它来研究温度、压力对光传播的影响等等。
迈克尔孙因为这一发明荣获了1907年的诺贝尔物理奖。
迈克耳逊干涉仪是用来测定光谱,薄膜的厚度,液体的折射率等的仪器,其原理是利用分振幅法产生双光束以实现干涉,通过调整该干涉仪,可以产生等厚干涉条纹,也可以产生等倾干涉条纹。
2实验原理
迈克尔逊干涉仪是l883年美国物理学家迈克尔逊(A.A.Michelson)和莫雷(E.W.Morley)合作,为研究“以太漂移实验而设计制造出来的精密光学仪器。
用它可以高度准确地测定微小长度、光的波长、透明体的折射率等。
后人利用该仪器的原理,研究出了多种专用干涉仪,这些干涉仪在近代物理和近代计量技术中被广泛应用。
1.干涉仪的光学结构
迈克尔逊干涉仪的光路和结构如图10-1与10-2所示。
M1、M2是一对精密磨光的平面反射镜,M1的位置是固定的,M2可沿导轨前后移动。
G1、G2是厚度和折射率都完全相同的一对平行玻璃板,与M1、M2均成45°
角。
G1的一个表面镀有半反射、半透射膜A,使射到其上的光线分为光强度差不多相等的反射光和透射光;
G1称为分光板。
当光照到G1上时,在半透膜上分成相互垂直的两束光,透射光
(1)射到M1,经M1反射后,透过G2,在G1的半透膜上反射后射向E;
反射光
(2)射到M2,经M2反射后,透过G1射向E。
由于光线
(2)前后共通过G1三次,而光线
(1)只通过G1一次,有了G2,它们在玻璃中的光程便相等了,于是计算这两束光的光程差时,只需计算两束光在空气中的光程差就可以了,所以G2称为补偿板。
当观察者从E处向G1看去时,除直接看到M2外还看到M1的像M1ˊ。
于是
(1)、
(2)两束光如同从M2与M1ˊ反射来的,因此迈克尔逊干涉仪中所产生的干涉和M1´
~M2间“形成”的空气薄膜的干涉等效。
反射镜M2的移动采用蜗轮蜗杆传动系统,转动粗调手轮
(2)可以实现粗调。
M2移动距离的毫米数可在机体侧面的毫米刻度尺(5)上读得。
通过读数窗口,在刻度盘(3)上可读到0.01mm;
转动微调手轮
(1)可实现微调,微调手轮的分度值为1×
10-4mm。
可估读到10-5mm。
M1、M2背面各有3个螺钉可以用来粗调M1和M2的倾度,倾度的微调是通过调节水平微调(15)和竖直微调螺丝(16)来实现的。
2.单色点光源的非定域干涉
本实验用He-Ne激光器作为光源(见图10-3),激光通过短焦距透镜L汇聚成一个强度很高的点光源S,射向迈克尔逊干涉仪,点光源经平面镜M2、M2反射后,相当于由
两个点光源S1ˊ和S2ˊ发出的相干光束。
Sˊ是S的等效光源,是经半反射面A所成的虚像。
S1′是S′经M1′所成的虚像。
S2′是S′经M2所成的虚像。
由图10-3可知,只要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。
如果M2与M1′严格平行,且把观察屏放在垂直于S1′和S2′的连线上,就能看到一组明暗相间的同心圆干涉环,其圆心位于S1′S2′轴线与屏的交点P0处,从图10-4可以看出P0处的光程差Δ=2d,屏上其它任意点P′或P″的光程差近似为
(10-1)
式中
为S2′射到P″点的光线与M2法线之间的夹角。
当
时,为明纹;
时,为暗纹。
由图3-16-4可以看出,以P0为圆心的圆环是从虚光源发出的倾角相同的光线干涉的结果,因此,称为“等倾干涉条纹”。
由(3-16-4)式可知
=0时光程差最大,即圆心P0处干涉环级次最高,越向边缘级次越低。
当d增加时,干涉环中心级次将增高,条纹沿半径向外移动,即可看到干涉环从中心“冒”出;
反之当d减小,干涉环向中心“缩”进去。
由明纹条件可知,当干涉环中心为明纹时,Δ=2d=kλ。
此时若移动M2(改变d),环心处条纹的级次相应改变,当d每改变λ/2距离,环心就冒出或缩进一条环纹。
若M2移动距离为Δd,相应冒出或缩进的干涉环条纹数为N,则有
(3-16-2)
分别为M2移动前后的位置读数。
实验中只要读出
和N,即可由(3-16-2)式求出波长。
由明纹条件推知,相邻两条纹的角间距为
当d增大时
变小,条纹变细变密;
当d减小时
增大,条纹变粗变疏。
所以离环心近处条纹粗而疏,离环心远处条纹细而密。
3.等光程位置的确定
当M2与M1ˊ不完全平行时,M2和M1ˊ之间形成楔形空气膜,一般情况下屏上将呈现弧形等厚干涉条纹。
若改变活动镜位置,使M2和M1ˊ的间距d=0,此时由M2和M1ˊ反射到屏上的两束相干光光程差为零,屏上呈现直线形明暗条纹。
这时活动镜的位置称为等光程位置。
若改用白光照射,由于白光是复色光,而明暗纹位置又与波长有关。
因此,只有在d=0的对应位置上,各种波长的光到达屏上时,光程差均为0,形成零级暗纹。
在零级暗纹附近有几条彩色直条纹。
稍远处,由于不同波长、不同级次的明暗纹相互重叠,便看不清干涉条纹了。
由于白光等厚干涉条纹能准确确定等光程位置,可以用来测定透明薄片的厚度。
当视场内出现彩色直条纹后,继续转动微调手轮,使零级暗纹移到视场中央。
然后在活动镜与分光板之间插入待测薄片,此时由于光程差变化,彩色条纹消失。
再转动微调手轮,使活动镜向分光板方向移近,当彩色条纹重新出现,并移到视场中央时,活动镜的移动正好抵消了光程差的变化。
根据以上分析可以推出薄片厚度的测量公式为:
(3-16-3)
式中n0=l.003,为空气的折射率;
n为薄片折射率(由实验室给出);
分别为薄片插入前后的等光程位置读数。
3实验仪器
迈克尔逊干涉仪、He-Ne激光器、扩束透镜
4教学内容与步骤
1.检查预习报告,特别对数据记录表格进行检查
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?
3、实验内容:
(1)调整迈克尔孙干涉仪。
(2)观察非定域干涉图样,并测He-Ne激光波长。
(3)观察等倾干涉、等厚干涉图样
(4)观察激光的非定域干涉现象
(5)测量激光波长
(6)观察白光干涉,测定等光程位置
4、用逐差法处理数据
【实验数据记录与处理】
略
5注意事项
1.使用干涉仪时不要使工作台震动;
2.切勿用手或其他物品触摸其光学表面;
3.切勿正对着光学表面讲话。
教学后记