邁克爾遜干涉實驗研究型報告

基礎(chǔ)物理實驗研究性報告

專題:邁克爾遜干涉實驗作者：學(xué)號：班級：學(xué)院:目錄摘要 3一、實驗重點 3二、實驗原理 4（1）邁克爾遜干涉儀的光路 4（2）單色點光源的非定域反射條紋 5三、實驗儀器 6四、實驗步驟 6（1）邁克爾遜干涉儀的調(diào)整 6（2）點光源非定域干涉條紋的觀察和測量 6五、實驗數(shù)據(jù)處理 7（1）原始數(shù)據(jù)及其初步處理 7（2）不確定度計算 8（3）測量結(jié)果 9六、實驗誤差分析 10七、實驗總結(jié)及建議 10（1）實驗經(jīng)驗總結(jié) 10（2）實驗改進建議 11八、感想與收獲 12九、參考資料 12的光波在分光板G1的第二面上反射時，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M1′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(此時M1和M2嚴(yán)格互相垂直)，將觀察到環(huán)形的等傾干涉條紋。若M1和M2相交，則可視作折射率相同、夾角恒定的楔形薄膜。（2）單色點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E。設(shè)在E處的觀察屏上，離中心E點遠處有某一點P，EP的距離為R，則兩束光的光程差為?L>>d，展開上式略去d2/L2?式中，φ是圓形干涉條紋的傾角。所以亮紋條件為2dcos?φ=kλ(k=0,1,2三、實驗儀器邁克爾遜干涉儀、氦氖激光器、小孔、擴束鏡、毛玻璃。四、實驗步驟（1）邁克爾遜干涉儀的調(diào)整=1\*GB3①調(diào)節(jié)激光器，使激光束水平地入射到M1、M2反射鏡中部并基本垂直于儀器導(dǎo)軌。方法：首先將M1、M2背面的3個螺釘及M1的2個微調(diào)拉簧均擰成半松半緊狀態(tài)，然后上下移動、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M1、M2反射鏡的中心，并使M1、M2反射回來的光點回到激光器光束輸出鏡面的中點附近。=2\*GB3②調(diào)節(jié)M1、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M1、M2上，根據(jù)反射光點得位置對激光束方位作進一步細調(diào)。在此基礎(chǔ)上調(diào)整M1、M2背面的3個方位螺釘，使兩鏡的反射光斑均與小孔重合，這時M1、M2基本垂直。（2）點光源非定域干涉條紋的觀察和測量=1\*GB3①將激光束用擴束鏡擴束，以獲得點光源。這時毛玻璃觀察屏上應(yīng)出現(xiàn)條紋。=2\*GB3②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M1、M2的垂直程度進一步提高。=3\*GB3③將另一塊毛玻璃放到擴束鏡與干涉儀之間，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)，同時仔細調(diào)節(jié)M1的兩個微調(diào)拉簧，直至眼睛上下、左右晃動時，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。此時得到面光源定域等傾干涉條紋，說明M1、M2嚴(yán)格垂直。=4\*GB3④移走小塊毛玻璃，將毛玻璃觀察屏放回原處，仍觀察點光源等傾干涉條紋。改變d值，使條紋外擴或內(nèi)縮，利用公式測出激光的波長。要求圓環(huán)中心沒吞（吐）100個條紋，即明暗交替變化100次，記下一個d，連續(xù)測10個值。五、實驗數(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i12345d51.4472751.4636151.4899451.4962751.51257d51.5289051.5452251.5615851.5778051.5941850.081630.081610.081640.081530.08161（2）不確定度計算由上表結(jié)果可得5Δd=由此得Δd=5Δdλ=2=653nm=1\*GB3①求Δd的不確定度Δd的不確定度A類分量為：uaB類分量為ub因此，Δd的不確定度為u5Δd=ua25Δd+u對N只有B類不確定度，因此，N的不確定度為：ub=3\*GB3③求λ的不確定度由λ計算公式λ=2ln等式兩邊同時求導(dǎo)：dλ將上式中得d改為u，并取方和根：u因此u（3）測量結(jié)果最后結(jié)果表示為：λ±u六、實驗誤差分析本實驗中容易產(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)錯圈數(shù)。為減少誤差帶來的影響，可通過計算圈數(shù)N的不確定度減少由于讀數(shù)產(chǎn)生的實驗誤差。在不數(shù)錯圈數(shù)的情況下，?N=1，其不確定度為ub2、數(shù)圈數(shù)時，由于產(chǎn)生的干涉條紋不夠清晰，或者當(dāng)再次轉(zhuǎn)動螺旋測微儀旋鈕時的碰撞使得干涉條紋震動，會模糊一會兒，難以判斷該時刻是否應(yīng)將其算入吞吐圈數(shù)中，導(dǎo)致讀數(shù)不夠精確。3、測量前未進行空程誤差的消除，直接開始計數(shù)，導(dǎo)致實際讀到的圈數(shù)偏小，測量的數(shù)據(jù)全部作廢。4、兩個平面鏡不嚴(yán)格垂直引入誤差。當(dāng)M1、M2不嚴(yán)格垂直時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，運用上述公式計算就會對波長產(chǎn)生誤差。七、實驗總結(jié)及建議（1）實驗經(jīng)驗總結(jié)相對于分光儀的調(diào)整，邁克爾遜干涉儀的調(diào)整應(yīng)該算是簡單多了，不會因為最開始目測調(diào)節(jié)望遠鏡時出現(xiàn)偏差而使后續(xù)步驟無法進行，相反，僅需要開始時粗略調(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)反射鏡后的螺釘使得反射光匯聚到一點?？偟膩碚f，測量過程不算太難，只是在目測數(shù)圈數(shù)時稍顯有些疲勞和乏味，但耐心，堅持在這時是保證實驗數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的關(guān)鍵。因此，我能堅持下來，測完十組數(shù)據(jù)并保證實驗數(shù)據(jù)的高度準(zhǔn)確性，不得不說，做實驗也是培養(yǎng)人耐心的一件事。在實驗后的數(shù)據(jù)處理中，則讓我對數(shù)據(jù)不確定度的計算更加熟悉，也使我對科學(xué)的準(zhǔn)確性描述更添一份敬仰之情。（2）實驗改進建議在做實驗的過程中，讓我印象最深刻的要算觀察和測量非定域干涉條紋時了，每次數(shù)圈數(shù)過程中，由于手轉(zhuǎn)動的角度有限，因此，不得不中途松開手，再轉(zhuǎn)動螺旋測微儀旋鈕，但每次接觸時，總有些許碰撞，使得干涉條紋模糊了一會后重新變得清晰，這就讓我為模糊那一會是否有條紋的吞吐感到疑惑。經(jīng)過觀察旁邊同學(xué)做實驗，我發(fā)現(xiàn)他們也存在著相同的問題，或者認為晃動導(dǎo)致了空程誤差而一次又一次的重新測量，但仍然很難避免這樣的事情發(fā)生。為此，我特意想出了一個辦法來解決這個問題。聯(lián)想到金工實習(xí)時，幾乎每一臺車床上都有一個帶手柄的旋轉(zhuǎn)輪，這樣可通過手柄在手中的滑動而代替每轉(zhuǎn)一圈就松開手重新握住最上邊轉(zhuǎn)動旋轉(zhuǎn)輪，同樣，也可以在螺旋測微儀的旋鈕上固連上一個小巧的手柄，這樣在轉(zhuǎn)動時可避免手屢次松開有重新握住碰撞產(chǎn)生的誤差?？紤]到增加手柄可能導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)時容易轉(zhuǎn)過頭，所以轉(zhuǎn)動過程中還是的小心謹慎一些，不過，相對于沒加手柄的，還是要容易多了。八、感想與收獲本次研究性實驗，使得我對物理實驗有了一個更深入的認識和一個更深刻的了解。首先，我不得不佩服科學(xué)的嚴(yán)謹性，實驗開始時，第一步就是嚴(yán)格的按照規(guī)定調(diào)整儀器，否則即使測得數(shù)據(jù)也得不到科學(xué)的論證；實驗中，更得小心翼翼地改變實驗中的變量條件，防止不必要的誤差產(chǎn)生，比如說轉(zhuǎn)動螺旋測微儀旋鈕時，不能有回轉(zhuǎn)，否則將產(chǎn)生回程誤差，全部數(shù)據(jù)作廢；實驗后，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，研究型實驗?zāi)軌蚣ぐl(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性思維，也許實驗中的改進只是一個小小的改動，但他帶來的簡便以及使數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確是不容忽視的。再次，我在實驗的結(jié)果處理中，對誤差分析需要的完整性思維有了進一步提高，對不確定度的計算也有了進一步的認識，最后，實驗中讓我最難忘的是每一位老師的熱情幫助和對學(xué)生的嚴(yán)格要求，