邁克爾干涉儀測量鈉黃光的波長-論文

1、邁克爾遜干涉儀測定鈉光波長及雙線波長差實(shí)驗者：劉啟慶 同組實(shí)驗者：張毅 指導(dǎo)教師：李雪梅（A13海工3班 661489）【摘要】本文從實(shí)驗的原理和方法等方面對用邁克爾遜干涉儀儀器精確測定鈉黃光波長及雙線波長差實(shí)驗進(jìn)行了測量、討論并用實(shí)驗數(shù)據(jù)驗證了理論值，達(dá)到了預(yù)期的效果。在對利用鈉黃光波長差的測量及其應(yīng)用中，經(jīng)過分析后我們發(fā)現(xiàn)使用鈉黃光雙線波長差可以很好的測量玻璃折射率。【關(guān)鍵詞】邁克爾遜干涉儀、雙線波長差、鈉黃光引言1881年A.A.Michelson和Morley為了測量絕對靜止參考系（以太）相對于運(yùn)動參考系的速度，精心設(shè)計了邁克爾遜干涉儀它的設(shè)計非常巧妙，其測量結(jié)果說明絕對靜止參考系不存

2、在，從而在物理學(xué)發(fā)展史上占有一席之地.現(xiàn)代科技中有許多干涉儀都是由它衍生發(fā)展而來，掌握該儀器的結(jié)構(gòu)、原理、使用方法非常重要.在大學(xué)物理實(shí)驗教程教學(xué)中，分配有一節(jié)課時間來介紹邁克爾遜干涉儀，其內(nèi)容偏向于儀器結(jié)構(gòu)及原理介紹，在應(yīng)用方面涉及到如何應(yīng)用它測量光波波長及介質(zhì)的折射率.相應(yīng)配套了物理實(shí)驗“邁克爾遜干涉儀測量波長”以強(qiáng)化學(xué)生對該儀器調(diào)節(jié)及測量方法的掌握，因為激光相干性好，所以較易調(diào)節(jié)出效果較好的干涉圖.在此基礎(chǔ)上，一些學(xué)校開設(shè)了設(shè)計研究性實(shí)驗項目“鈉雙線波長差的測量”，支持學(xué)生進(jìn)行邁克爾遜干涉儀應(yīng)用的拓展研究，由于鈉光相干性比激光差，該實(shí)驗較難完成.因此，針對實(shí)驗中的難點(diǎn)，本文提出了相應(yīng)解決

3、方法，并對參考教材中提供的一些傳統(tǒng)調(diào)節(jié)及測量方法進(jìn)行了改進(jìn)，以期能幫助同學(xué)們更快、更好地完成該實(shí)驗項目.【實(shí)驗原理】 低壓鈉燈發(fā)出的黃光包括兩種波長相近的單色光(l1=58965.930Å，l2= 5889.963Å)。這兩條光譜線是鈉原子從3P態(tài)躍遷到3S態(tài)的輻射，用擴(kuò)展的鈉光燈照射邁克耳孫干涉儀得到的等傾干涉圓環(huán)是兩種單色光分別產(chǎn)生的干涉圖樣的疊加。若以d表示M1/、M2間距(參見邁克耳孫干涉儀原理圖)，則當(dāng)2d=kl (k=0,1,2，)時，環(huán)中心是亮的，而當(dāng)2d= (2k+1) (k=0,1,2,)時，環(huán)中心是暗的，若繼續(xù)移動M2，則當(dāng)M1/，M2的間距增大到d1，

4、且同時滿足 2 = k （1） （2）兩個條件時，因為l1和l2相差不大，l1的各級暗環(huán)恰好與l2的各級亮環(huán)重合條紋的可見度幾乎為0，難以分辨，繼續(xù)移動反射鏡，當(dāng)M1/、M2間距增到d1時，又使l1和l2的各亮環(huán)重合，條紋又清晰可見，隨著M2的繼續(xù)移動，當(dāng)M1/、M2間距d2滿足 (3) (4)時，條紋幾乎消失.由（4）式減去（1）式，（5）式減去（2）。M1/、M2間距增加量d滿足 （5） （6）時，條紋的可見度出現(xiàn)上述一個周期的循環(huán)，式中k為干涉條紋級次的增加量。 由（7）減去（6）式 得 （7) 由（6）式可 得 k=2d/l1 (8) 把（9）式代入8式 得 （9）【調(diào)試方案設(shè)計】1.

5、儀器用具1、活動反光鏡；2、固定反光鏡；3、固定螺釘；4、補(bǔ)償板；5、分光板；6、毛玻璃屏；7、刻度輪；8、刻度輪止動螺釘；9、微量讀數(shù)鼓輪； 10、11、12、調(diào)節(jié)螺釘2. 調(diào)試方法步驟1.用氦-氖激光調(diào)節(jié)邁克爾遜干涉儀使M1與M2垂直1） 啟動He-Ne激光器，使He-Ne激光束大致垂直于M1，即調(diào)節(jié)He-Ne激光器高低左右位置，使反射回來的光束按原路返回。 2） 在毛玻璃屏6看到分別由M1和M2反射至屏的兩排光點(diǎn)，每排三個光點(diǎn)，中間一個比較亮，旁邊兩個比較暗。調(diào)節(jié)M1背面的兩個螺絲釘，使兩排光點(diǎn)一一重合，這時M1與M2大致互相垂直。3） 在He-Ne激光器和邁克爾遜干涉儀之間加入擴(kuò)束鏡，

6、讓激光束匯聚形成點(diǎn)光源。這時在屏上就可看到同心圓干涉條紋。通過調(diào)節(jié)螺釘11，使圓心調(diào)整屏幕正中央。4） 轉(zhuǎn)動手柄使M2后移動，觀察中心條紋冒出或縮進(jìn)，轉(zhuǎn)動微量讀數(shù)鼓輪到條紋變得粗而清晰為止。2.用邁克爾遜干涉儀測量M2板移動的距離。具體操作如下：1） 關(guān)閉He-Ne激光器，去掉擴(kuò)束鏡，點(diǎn)亮鈉光燈，把毛玻璃放到鈉光燈與邁克爾遜干涉儀之間，此時一般可以看到干涉條紋，再調(diào)節(jié)細(xì)調(diào)拉簧微動螺釘，使能看到位置適中、清晰的圓環(huán)狀非定域干涉條紋。觀察條紋變化。轉(zhuǎn)動微量讀數(shù)鼓輪，可看到條紋的“冒出”或“縮進(jìn)”。判別M1M2之間的距離是變大還是變小。2） 轉(zhuǎn)動微量讀數(shù)鼓輪，使M2鏡逐漸遠(yuǎn)離分光板，找到條紋變模糊位

7、置。用微量讀數(shù)鼓輪移動M2鏡，同時仔細(xì)觀察條紋，至條紋可見度最低時記下M2的位置，繼續(xù)加大光程差，記錄20次條紋可見度最低時M2鏡位置。求出的平均值，將測得的數(shù)據(jù)代人公式求出鈉黃雙線的波長 【實(shí)驗測量】用He-Ne激光器作調(diào)整儀器用輔助光源，調(diào)整到屏幕上出現(xiàn)正圓干涉條紋。調(diào)節(jié)粗動測微手輪，使條紋間距最大，此時M1和M2基本重合。取下激光器，換上鈉光燈加毛玻璃（毛玻璃固定在支架上），以使光源成為面光源，用調(diào)焦到無窮遠(yuǎn)的眼睛朝E方向觀察。仔細(xì)調(diào)整M2鏡架后調(diào)節(jié)螺絲使M1和M2互相平行，可看到圓條紋。 進(jìn)一步調(diào)整，直到眼睛上下左右移動時各圓的大小不變，僅圓心隨眼睛移動，這時我們看到的就是嚴(yán)格的等傾條

8、紋。 表.鈉光波長測量數(shù)據(jù)記錄次數(shù)i（m）N=20N=2018.8170.25728.8710.27138.9250.28148.9790.26459.0330.2630.2670.0120.2860.02469.08779.14189.19599.249109.302N=20N=20 0.467%數(shù)據(jù)處理： 平均波長 注意：不確定度的計算： 總不確定度：波長的不確定度：結(jié)果表達(dá)式：相對誤差： 相對不確定度：2 誤差分析該實(shí)驗主要表現(xiàn)為隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤差：1、儀器本身震動；2、條紋有寬帶；3、讀數(shù)的轉(zhuǎn)動活動套筒上面精確度有限；4、人眼觀察偏差；5、波長不是單色而有寬度；6、儀器本身零件間空隙等

9、等。因此我們要進(jìn)行多次測量，用逐差法處理實(shí)驗數(shù)據(jù)，而且要避免測量過程中的回程差，以此來提高實(shí)驗的科學(xué)性。3. 注意事項 （1）調(diào)節(jié)螺釘和轉(zhuǎn)動手輪時，一定要輕慢，微調(diào)鼓輪轉(zhuǎn)動時可以帶動粗調(diào)手輪轉(zhuǎn)動但轉(zhuǎn)動粗調(diào)手輪時不能帶動微調(diào)鼓輪轉(zhuǎn)動。因此，在測量前，應(yīng)先進(jìn)行零位調(diào)節(jié)。 （2）在測量過程中，微調(diào)鼓輪應(yīng)沿同一方向轉(zhuǎn)動，中途不可倒轉(zhuǎn)，以便消除螺紋的間隙誤差。 （3）由于試驗中視見度最小的位置較難判斷，可選取干涉環(huán)剛消失或剛出現(xiàn)的位置為參考點(diǎn)，本實(shí)驗選取干涉環(huán)剛消失時的值。 （4）要想看到同心圓環(huán)條紋必須是等頃干涉，那就必須把兩個反射板調(diào)整完全平行。此外，畢竟鈉光燈不是單色光源，當(dāng)光程差超過了波列長度后

10、就不能看到條紋了，所以要注意控制光程差。 （5）若在實(shí)驗過程中出現(xiàn)還未測完干涉條紋變得不明顯，則說明在調(diào)節(jié)過程中，M1和 M2之間的距離處于臨界狀態(tài)，因此要重新尋找另外一個明顯的干涉條紋進(jìn)行測量。 . 【邁克爾遜干涉儀的調(diào)整方法和技巧總結(jié)】 （1）將儀器調(diào)整至水平，裝配鈉光燈。將鈉光燈安裝在分光板的前端，使出射的光斑紋照射在分光板上，光軸與固定鏡垂直。 （2) 轉(zhuǎn)動粗動手輪，將移動鏡的位置置于機(jī)體側(cè)面標(biāo)尺42mm處，此位置為固定鏡和移動鏡相對于分光板的大約等光程位置。從投影屏處（此時不放投影屏），可看到由和各自反射的十字架像，調(diào)整和后的三只調(diào)節(jié)螺釘，是兩十字架嚴(yán)格重合，這樣和就基本垂直，即和就

11、互相平行了。 (3)用單色光調(diào)好等傾干涉圓形條紋后，稍稍旋轉(zhuǎn)鏡臺下的水平拉簧螺絲，使、成一很小的夾角，此時將看見彎曲的干涉條紋。向分束鏡的方向移動鏡使條紋逐漸變直，這表明中央條紋在向視場中央移動。實(shí)驗感想 回顧本學(xué)期做實(shí)驗的過程，總的來說收獲還是很多的。最直接的收獲是提高了實(shí)驗中的基本操作能力，并對各種常見儀器有了了解，并掌握了基本的操作。但感到更重要的收獲是培養(yǎng)了自己對實(shí)驗的興趣。還有，就是切身的體驗到了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗態(tài)度是何等的重要。本學(xué)期的實(shí)驗也在很大程度上開闊了我的視野，增長了見識，在喟嘆先人的聰明才智之余，更激發(fā)了我們對未知領(lǐng)域的求知與探索。而且這才實(shí)驗也是對我們進(jìn)入大學(xué)后的又一次系統(tǒng)的實(shí)驗方法與實(shí)驗技能的培訓(xùn)，通過對實(shí)驗現(xiàn)象的觀察、分析和對物理量的測量，使我們進(jìn)一步加深了對物理學(xué)原理的理解，培養(yǎng)與提高了我們的科學(xué)實(shí)驗?zāi)芰σ约翱茖W(xué)實(shí)驗素養(yǎng)。特別是對于我們這樣一批工科的學(xué)生，對于我們的理論知識的要求并不是很高，因此對于物理我們并不是理解的很透徹的，實(shí)驗就給了我們一個機(jī)會，讓我們更直觀地去理解科學(xué)，理解物理?？茖W(xué)實(shí)驗是科學(xué)理論的源泉，是自然科學(xué)的根本，大學(xué)物理實(shí)驗為我們提供了這樣的一個平臺，為我們動手能力的培養(yǎng)奠定了堅實(shí)的基礎(chǔ)。除次之外，大學(xué)物理實(shí)驗使我們認(rèn)識到了