邁克爾遜干涉試驗(yàn)研究型報(bào)告

1、邁克爾遜干涉實(shí)驗(yàn)研究型報(bào)告基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)研究性報(bào)告專題：邁克爾遜干涉實(shí)驗(yàn)作者:學(xué)號(hào):班級(jí):學(xué)院:目錄摘要 4一、實(shí)驗(yàn)重點(diǎn) 4二、實(shí)驗(yàn)原理 5（1）邁克爾遜干涉儀的光路 5（2）單色點(diǎn)光源的非定域反射條紋 6三、實(shí)驗(yàn)儀器 7四、實(shí)驗(yàn)步驟 7（1）邁克爾遜干涉儀的調(diào)整 7（2）點(diǎn)光源非定域干涉條紋的觀察和測(cè)量 8五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理 8（1）原始數(shù)據(jù)及其初步處理 8（2）不確定度計(jì)算 9（3）測(cè)量結(jié)果 11六、實(shí)驗(yàn)誤差分析 12七、實(shí)驗(yàn)總結(jié)及建議 13（1）實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)總結(jié) 13（2）實(shí)驗(yàn)改進(jìn)建議 13八、感想與收獲九、參考資料 1415摘要本研究性報(bào)告對(duì)邁克爾遜干涉實(shí)驗(yàn)的基本原理、實(shí)驗(yàn)儀器、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容等進(jìn)行

2、了介紹，并對(duì)實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行了科學(xué)的處理， 計(jì)算了不 確定度，得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果的正確表述。然后是一些自己在實(shí)驗(yàn)過程中的 一些經(jīng)驗(yàn)總結(jié)以及對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器的一些改進(jìn)型建議。最后，是我在本次研究性實(shí)驗(yàn)報(bào)告中得感想與收獲。再附上在實(shí)驗(yàn)前后參考的資料。關(guān)鍵詞：邁克爾遜干涉儀、等傾干涉、誤差分析、實(shí)驗(yàn)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)1、熟悉邁克爾遜干涉儀的結(jié)構(gòu)，掌握其調(diào)整方法。2、通過實(shí)驗(yàn)觀察，認(rèn)識(shí)點(diǎn)光源非定域干涉條紋的形成與特點(diǎn)3、利用干涉條紋變化的特點(diǎn)測(cè)定光源的波長(zhǎng)1、實(shí)驗(yàn)原理(1) 邁克爾遜干涉儀的光路邁克爾遜干涉儀是用分振幅法產(chǎn)生兩束相干光，其重要特點(diǎn)是這GG2Mj兩束相干光在空間分得很開，在一束 光路中安置檢測(cè)樣品時(shí)不

3、會(huì)影響另一 束光的傳播。又因?yàn)橥习宓奈恢每烧{(diào), 使之有廣泛的可應(yīng)用性，常用于長(zhǎng)度 的精密測(cè)量，長(zhǎng)度標(biāo)準(zhǔn)具的校正以及 光譜線精細(xì)結(jié)構(gòu)的研究。其簡(jiǎn)化光路如圖所示。M1和M2是在相互垂直的兩臂上放置的兩 個(gè)平面反射鏡，其中M1是固定的；M2由精密絲桿控制，可沿臂軸前、 后移動(dòng)，其背后各有3個(gè)螺釘來調(diào)節(jié)平面鏡的方位。在兩臂軸線相交 處，有一與兩軸成45°角的平行平面玻璃板 G1,它的第二個(gè)平面上 鍍有半透(半反射)的銀膜，以便將入射光分成振幅接近相等的反射 光和透射光，故G1又稱為分光板。G2也是平行平面玻璃板，與 G1 平行放置，厚度和折射率均與 G1相同。由于它補(bǔ)償了光線和因穿越G1次數(shù)

4、不同而產(chǎn)生的光程差，故稱為補(bǔ)償板。光源發(fā)出的光一部分從 G1的半反射膜處反射，射向平面鏡 M1; 另一部分透過G1向著M2前進(jìn)，射向平面鏡 M2兩束光分別在M1、 M2上反射后逆著入射方向返回，最后都達(dá)到 E處。因?yàn)檫@兩束光是 相干光，因而在E處的觀察者就能夠看到干涉條紋。由 M1反射回來 的光波在分光板G1的第二面上反射時(shí)，如同平面鏡反射一樣，使 M1 在M2附近形成M1的虛像M1 ,因而光在邁克爾遜干涉儀中自 M2和 M1的反射相當(dāng)于自M2和MT的反射。由此可見，在邁克爾遜干涉儀 中所產(chǎn)生的干涉與空氣薄膜所產(chǎn)生的干涉是等效的。當(dāng)M2和M1平行時(shí)（此時(shí)M1和M2嚴(yán)格互相垂直），將觀察到 環(huán)形

5、的等傾干涉條紋。若M1和M2相交，則可視作折射率相同、夾角 恒定的楔形薄膜。e p（2）單色點(diǎn)光源的非定域反射條紋如圖，M2平行M1且相距為d。如果把觀察 屏放在垂直于S1'、S2'連線的位置上，則可以 看到一組同心圓，而圓心就是 S1'、S2'的連線 與屏的交點(diǎn)E。設(shè)在E處的觀察屏上，離中心E點(diǎn) 遠(yuǎn)處有某一點(diǎn)P, EP的距離為R,則兩束光的光程 差為L(zhǎng)>>d，展開上式略去 /,則有式中， 是圓形干涉條紋的傾角。所以亮紋條件為三、實(shí)驗(yàn)儀器邁克爾遜干涉儀、氦氖激光器、小孔、擴(kuò)束鏡、毛玻璃。四、實(shí)驗(yàn)步驟（1）邁克爾遜干涉儀的調(diào)整 調(diào)節(jié)激光器，使激光束水平

6、地入射到 Ml M2反射鏡中部并基 本垂直于儀器導(dǎo)軌。方法：首先將Ml M2背面的3個(gè)螺釘及M1的2個(gè)微調(diào)拉簧均擰 成半松半緊狀態(tài)，然后上下移動(dòng)、左右旋轉(zhuǎn)激光器并調(diào)節(jié)激光器激光 管的俯仰，使激光束入射到Ml M2反射鏡的中心，并使Ml M2反射 回來的光點(diǎn)回到激光器光束輸出鏡面的中點(diǎn)附近。 調(diào)節(jié)Ml M2互相垂直。方法：在光源前放置一小孔，讓激光通過小孔入射到 Ml M2上, 根據(jù)反射光點(diǎn)得位置對(duì)激光束方位作進(jìn)一步細(xì)調(diào)。在此基礎(chǔ)上調(diào)整Ml M2背面的3個(gè)方位螺釘，使兩鏡的反射光斑均與小孔重合，這 時(shí)M1 M2基本垂直。（2）點(diǎn)光源非定域干涉條紋的觀察和測(cè)量 將激光束用擴(kuò)束鏡擴(kuò)束，以獲得點(diǎn)光源。

7、這時(shí)毛玻璃觀察屏上 應(yīng)出現(xiàn)條紋。 調(diào)節(jié)M1鏡下方微調(diào)拉簧，是產(chǎn)生圓環(huán)非定域干涉條紋。這時(shí)M 1、 M 2的垂直程度進(jìn)一步提高。 將另一塊毛玻璃放到擴(kuò)束鏡與干涉儀之間，以便獲得面光源。放下毛玻璃觀察屏，用眼睛直接觀察干涉環(huán)，同時(shí)仔細(xì)調(diào)節(jié)M1的兩個(gè)微調(diào)拉簧，直至眼睛上下、左右晃動(dòng)時(shí)，各干涉環(huán)大小不變，及干 涉環(huán)中心沒有吞吐， 只是圓環(huán)整體隨眼睛一起平動(dòng)。 此時(shí)得到面光源 定域等傾干涉條紋，說明 M1 M2嚴(yán)格垂直。 移走小塊毛玻璃，將毛玻璃觀察屏放回原處，仍觀察點(diǎn)光源等 傾干涉條紋。 改變 d 值，使條紋外擴(kuò)或內(nèi)縮， 利用公式測(cè)出激光的波 長(zhǎng)。要求圓環(huán)中心沒吞（吐） 100 個(gè)條紋，即明暗交替變化

8、 100 次， 記下一個(gè)d,連續(xù)測(cè)10個(gè)值。五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理1）原始數(shù)據(jù)及其初步處理d的逐差結(jié)果i1234551.447251.463651.489951.496251.51257147751.528951.545251.561551.577851.5941028080.081630.081610.081640.081530.08161(2)不確定度計(jì)算由上表結(jié)果可得=0.081604mm由此得=0.0163208 mm=0.00065283mm=653nm求的不確定度的不確定度A類分量為：=0.0000194 mmB類分量為儀丿一=0.0000289 mm因此，的不確定度為=0.000006

9、96 mm 求N的不確定度對(duì)N只有B類不確定度，因此，N的不確定度為：=0.577求的不確定度由計(jì)算公式兩邊取對(duì)數(shù)得：等式兩邊同時(shí)求導(dǎo):將上式中得d改為u,并取方和根:因此(3) 測(cè)量結(jié)果最后結(jié)果表示為:()nm15六、實(shí)驗(yàn)誤差分析本實(shí)驗(yàn)中容易產(chǎn)生誤差的地方主要有：1、讀數(shù)數(shù)過程中，由于長(zhǎng)期觀察干涉條紋，導(dǎo)致視覺疲勞，產(chǎn)生 視覺模糊等狀況，以致數(shù)錯(cuò)圈數(shù)。為減少誤差帶來的影響，可通過計(jì) 算圈數(shù)N的不確定度減少由于讀數(shù)產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)誤差。 在不數(shù)錯(cuò)圈數(shù)的情況下，N=1，其不確定度為 =0.5772、數(shù)圈數(shù)時(shí)，由于產(chǎn)生的干涉條紋不夠清晰，或者當(dāng)再次轉(zhuǎn)動(dòng)螺 旋測(cè)微儀旋鈕時(shí)的碰撞使得干涉條紋震動(dòng)， 會(huì)模糊一

10、會(huì)兒，難以判斷 該時(shí)刻是否應(yīng)將其算入吞吐圈數(shù)中，導(dǎo)致讀數(shù)不夠精確。3、測(cè)量前未進(jìn)行空程誤差的消除，直接開始計(jì)數(shù)，導(dǎo)致實(shí)際讀到 的圈數(shù)偏小，測(cè)量的數(shù)據(jù)全部作廢。4、兩個(gè)平面鏡不嚴(yán)格垂直引入誤差。當(dāng) Ml M2不嚴(yán)格垂直時(shí)形 成的干涉條紋不是等傾干涉，而是等厚干涉，而且不是同心圓環(huán)，當(dāng) 不是等傾干涉時(shí)，運(yùn)用上述公式計(jì)算就會(huì)對(duì)波長(zhǎng)產(chǎn)生誤差。七、實(shí)驗(yàn)總結(jié)及建議（1）實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)總結(jié) 相對(duì)于分光儀的調(diào)整，邁克爾遜干涉儀的調(diào)整應(yīng)該算是簡(jiǎn)單多 了，不會(huì)因?yàn)樽铋_始目測(cè)調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡時(shí)出現(xiàn)偏差而使后續(xù)步驟無(wú)法進(jìn) 行，相反，僅需要開始時(shí)粗略調(diào)節(jié)激光源使激光束通過鏡面反射后回 到激光發(fā)出位置附近， 然后放上小孔輕松調(diào)節(jié)反射

11、鏡后的螺釘使得反 射光匯聚到一點(diǎn)。 總的來說， 測(cè)量過程不算太難， 只是在目測(cè)數(shù)圈數(shù) 時(shí)稍顯有些疲勞和乏味， 但耐心，堅(jiān)持在這時(shí)是保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性 的關(guān)鍵。 因此，我能堅(jiān)持下來， 測(cè)完十組數(shù)據(jù)并保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的高度 準(zhǔn)確性，不得不說， 做實(shí)驗(yàn)也是培養(yǎng)人耐心的一件事。 在實(shí)驗(yàn)后的數(shù) 據(jù)處理中， 則讓我對(duì)數(shù)據(jù)不確定度的計(jì)算更加熟悉， 也使我對(duì)科學(xué)的 準(zhǔn)確性描述更添一份敬仰之情。（2）實(shí)驗(yàn)改進(jìn)建議 在做實(shí)驗(yàn)的過程中，讓我印象最深刻的要算觀察和測(cè)量非定域 干涉條紋時(shí)了，每次數(shù)圈數(shù)過程中，由于手轉(zhuǎn)動(dòng)的角度有限，因此， 不得不中途松開手， 再轉(zhuǎn)動(dòng)螺旋測(cè)微儀旋鈕， 但每次接觸時(shí)， 總有些 許碰撞，使得干涉條

12、紋模糊了一會(huì)后重新變得清晰， 這就讓我為模糊 那一會(huì)是否有條紋的吞吐感到疑惑。 經(jīng)過觀察旁邊同學(xué)做實(shí)驗(yàn)， 我發(fā) 現(xiàn)他們也存在著相同的問題， 或者認(rèn)為晃動(dòng)導(dǎo)致了空程誤差而一次又 一次的重新測(cè)量， 但仍然很難避免這樣的事情發(fā)生。 為此，我特意想 出了一個(gè)辦法來解決這個(gè)問題。 聯(lián)想到金工實(shí)習(xí)時(shí)， 幾乎每一臺(tái)車床 上都有一個(gè)帶手柄的旋轉(zhuǎn)輪， 這樣可通過手柄在手中的滑動(dòng)而代替每 轉(zhuǎn)一圈就松開手重新握住最上邊轉(zhuǎn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)輪， 同樣，也可以在螺旋測(cè) 微儀的旋鈕上固連上一個(gè)小巧的手柄， 這樣在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)可避免手屢次松 開有重新握住碰撞產(chǎn)生的誤差。 考慮到增加手柄可能導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)時(shí)容易 轉(zhuǎn)過頭， 所以轉(zhuǎn)動(dòng)過程中還是的小心謹(jǐn)

13、慎一些， 不過，相對(duì)于沒加手 柄的，還是要容易多了。八、感想與收獲本次研究性實(shí)驗(yàn)， 使得我對(duì)物理實(shí)驗(yàn)有了一個(gè)更深入的認(rèn)識(shí)和一 個(gè)更深刻的了解。首先，我不得不佩服科學(xué)的嚴(yán)謹(jǐn)性，實(shí)驗(yàn)開始時(shí)， 第一步就是嚴(yán)格的按照規(guī)定調(diào)整儀器， 否則即使測(cè)得數(shù)據(jù)也得不到科 學(xué)的論證； 實(shí)驗(yàn)中，更得小心翼翼地改變實(shí)驗(yàn)中的變量條件， 防止不 必要的誤差產(chǎn)生， 比如說轉(zhuǎn)動(dòng)螺旋測(cè)微儀旋鈕時(shí)， 不能有回轉(zhuǎn)， 否則 將產(chǎn)生回程誤差， 全部數(shù)據(jù)作廢； 實(shí)驗(yàn)后， 數(shù)據(jù)的處理也必須得有科 學(xué)依據(jù)， 誤差分析要考慮到各方面。 其次，研究型實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚣ぐl(fā)學(xué)生 的創(chuàng)造性思維， 也許實(shí)驗(yàn)中的改進(jìn)只是一個(gè)小小的改動(dòng)， 但他帶來的 簡(jiǎn)便以及使數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確是不容忽視的。 再次，我在實(shí)驗(yàn)的結(jié)果處理中， 對(duì)誤差分析需要的完整性思維有了進(jìn)一步提