邁克爾遜干涉儀測空氣折射率

1、邁克爾遜干涉儀測空氣折射率摘要：1883年美國物理學(xué)家邁克爾遜和莫雷合作，設(shè)計制造了世界上第一臺測量精密儀器的干涉儀邁克爾遜干涉儀。用邁克爾遜干涉儀測量空氣的折射率，并對空氣折射率隨壓強變化的情況進行研究。根據(jù)測得的數(shù)據(jù)和理論公式算出空氣折射率，為研究空氣折射率隨壓強變化規(guī)律而提供理論依據(jù)。關(guān)鍵詞：邁克爾遜干涉儀 壓強 折射率Abstract：In 1883 American physicist Michelson and Daryl Morey cooperation, design and manufacture the worlds first measurement precision

2、 instrument interferometer - Michelson interferometer. Refractometer measurement of air rate using Michelson interferometer, and the refractive index of air pressure change case study. According to the measured data and the theoretical formula of calculating the air refractive index changes with the

3、 pressure, and provide theoretical basis for the study of the refractive index of air.Key Word：Michelson interferometer Pressure Refractive index一引言邁克爾遜干涉儀可用于觀察光的干涉現(xiàn)象，邁克爾遜干涉儀在科學(xué)技術(shù)中和生活中有著重大的應(yīng)用。很多現(xiàn)象都反映了空氣折射率隨壓強的變化而變化。本文簡要介紹我們在邁克爾遜干涉儀上的研究。二.實驗原理邁克爾遜干涉儀的原理見下圖。光源S發(fā)出的光束射到分光板G1上，G1的后面鍍有半透膜，光束在半透膜上反射和透射，被分成

4、光強接近相等、并相互垂直的兩束光。這兩束光分別射向兩平面鏡M1和M2，經(jīng)它們反射后又匯聚于分光板G1， 再射到光屏E處，從而得到清晰的干涉條紋。平面鏡M1可在光線1的方向上平行移動。補償板G2的材料和厚度與G1相同，也平行于G1，起著補償光線2的光程的作用。如果沒有G2，則光線1會三次經(jīng)過玻璃板，而光線2只能一次經(jīng)過玻璃板。G2的存在使得光線1、2由于經(jīng)過玻璃板而導(dǎo)致的光程相等，從而使光線1、2的光程差只由其它幾何路程決定。由于本實驗采用相干性很好的激光，故補償板G2并不重要。但如果使用的是單色性不好、相干性較差的光，如納光燈或汞燈，甚至白熾燈，G2就成為必需了。這是因為波長不同的光折射率不同

5、，由分光板G1的厚度所導(dǎo)致的光程就會各不一樣。補償板G2能同時滿足這些不同波長的光所需的不同光程補償。反射光束1與透射光束2在空間相遇，發(fā)生干涉。當(dāng)光束垂直入射至M1，M2鏡時，兩光束的光程差=2（n1L1-n2L2）（1）根據(jù)洛倫茲力公式及理想氣體狀態(tài)方程得n的理論公式n-1/P=n/P=常數(shù)，聯(lián)立得：n=1+NP/2LP(P是常壓下氣室內(nèi)氣體壓強)如圖所示：H小孔光闌 T擴束鏡 G1.G2分束鏡 M1，M2 反射鏡圖 測量空氣折射率實驗裝置示意圖三實驗步驟1 安裝固件：熟讀光學(xué)實驗常用儀器部分邁克爾遜干涉儀的調(diào)節(jié)使用說明,并按此調(diào)節(jié)好，在光學(xué)平臺上建立直角坐標(biāo)系，按設(shè)計實驗裝置示意圖擺好光

6、路。打開激光光源，調(diào)好同軸等高；2 調(diào)節(jié)光路，要求M1，M2兩鏡互相垂直；經(jīng)過擴束和準(zhǔn)直后的光束垂直入射到M1，M2的中心；3 將空氣室放在導(dǎo)軌上，觀察干涉條紋（觀察到條紋即可進行下面測量）；4 關(guān)閉氣囊閥門，向氣室充氣；使氣壓值大于 0.090MPa，讀出選壓儀表數(shù)值，記為p2 ；打開氣囊閥門，慢慢放氣，使條紋慢慢變化，當(dāng)改變m條時（實驗要求m20），讀出選壓器數(shù)值，記為p1 ；5 重復(fù)第4步，共取 10組數(shù)據(jù)；6 用游標(biāo)卡尺測量空氣室的長度，重復(fù)測量10次，得出10個數(shù)據(jù)。四.注意事項1、激光屬強光，注意不要讓激光直接照射眼睛；2、充氣閥門不要用力旋轉(zhuǎn)，以免損壞；3、不得用手直接接觸光學(xué)元

7、件;五.實驗數(shù)據(jù)記錄標(biāo)準(zhǔn)大氣壓強：101325Pa =632.8nm L=80mm次數(shù)i12345678910壓強P24.528.531.032.034.035.036.037.037.538.0圓環(huán)條數(shù)N18.221.824.125.026.927.928.929.930.430.8空氣折射率n1.0002981.0003071.0003121.0003131.0003171.0003191.0003221.0003241.0003251.000326六.結(jié)果討論分析從百分誤差可以得出實際所求的空氣折射率與標(biāo)準(zhǔn)折射率之間的關(guān)系，百分誤差小于10%，可證明該所測實際折射率正確，實驗成功?？諝庹?/p>

8、射率n稍大于1。從上面的十組數(shù)據(jù)可以看出隨著P的增加N增加的規(guī)律和斜率k。七.總結(jié)研究了用邁克爾遜干涉儀測空氣折射率的方法和裝置,該方法采用干涉測量技術(shù)，省去了測量過程中用于抽氣的真空泵、真空規(guī)、閥門等設(shè)備，而且避免了測量過程中由于抽氣過程給測量帶來的干擾。通過本次實驗,證實了該方法的可行性，實驗反應(yīng)了空氣折射率與壓強呈線性關(guān)系。通過上述的誤差分析，我們可知造成本實驗的誤差主要是隨機誤差，其中人為因素及環(huán)境因素是主要方面。因此在實驗過程中如何減少人為的隨機誤差是實驗成功的關(guān)鍵因素！通過實驗，我們得出實驗過程中應(yīng)注意的幾點：1、在整個實驗過程中，應(yīng)當(dāng)全神貫注，具備嚴(yán)謹?shù)目茖W(xué)態(tài)度。2、測量開始時，我們應(yīng)該先練習(xí)一下打氣皮囊的手感，這樣在實驗的過程中就能夠更好地避免打氣皮囊使用不當(dāng)，或用力過猛，或用力不均等。參考文獻：竺江峰,蘆立娟,魯曉東大學(xué)物理實驗.中國科學(xué)技術(shù)出版社.2005.9:212219劉振飛、童明薇 大學(xué)物理實驗 重慶大學(xué)出版社 1991、9杜林義 大學(xué)物理實驗教程中國科技大學(xué)出版社 2002戴建明,王法遠,謝宇,從守民,劉建軍,李光源;