迈克尔干涉仪详案或教案.docx

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迈克尔干涉仪详案或教案

实验10.迈克尔干涉仪

教学目的

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。

教学重点

1.等倾干涉的发生条件

A、平行光？

不，点光源。

B、薄膜上下表面平行 

2.薄膜厚度的变化与条纹的关系：

3.了解迈克尔孙干涉仪的工作原理和测量方法，光路结构和使用方法；

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；当

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）

式中

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