迈克尔逊干涉仪教案

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1、《迈克尔逊干涉仪》教案 教学方式：讲述和演示（30分钟），学生实验（100-120分钟） 时间：30分钟 一、背景知识介绍：1883年美国物理学家迈克尔逊和莫雷合作，为证明“以太”的存在而设计制造了世界上第一台用于精密测量的干涉仪--迈克尔逊干涉仪，它是在平板或薄膜干涉现象的基础上发展起来的。迈克尔逊干涉仪在科学发展史上起了很大的作用，著名的迈克尔逊干涉实验否定了“以太”的存在。发现了真空中的光速为恒定值，为爱因斯坦的相对论的建立奠定了基础。迈克尔逊用镉红光波长作为干涉仪光源来测量标准米尺的长度，建立了以光波长为基准的绝对长度标准。

2、迈克尔逊还用该干涉仪测量出太阳系以外星球的大小。因创造精密的光学仪器，和用以进行光谱学和度量学的研究，并精密测出光速，迈克尔逊于1907年获得了诺贝尔物理学奖。 二、实验目的：熟悉迈克尔逊干涉仪的结构和工作原理掌握迈克尔逊干涉仪的调节方法，观察等倾干涉条纹测量钠黄光波长以及双谱线的波长差了解光源的时间相干性 测量薄膜介质折射率三、实验仪器：迈克尔逊干涉仪、钠光灯 四、讲述及演示主要内容 1.介绍迈克尔逊干涉仪结构原理如迈克尔逊干涉仪光路图所示，点光源S发出的光射在分光镜G1，G1右表面镀有半透半反射膜，使入射光分成强度相等的两束。反

3、射光和透射光分别垂直入射到全反射镜M1和M2，它们经反射后再回到G1的半透半反射膜处，再分别经过透射和反射后，来到观察区域E。如到达E处的两束光满足相干条件，可发生干涉现象。G2为补偿扳，它与G1为相同材料，有相同的厚度，且平行安装，目的是要使参加干涉的两光束经过玻璃板的次数相等，波阵面不会发生横向平移。M1为固定全反射镜，背部有三个粗调螺丝，侧面和下面有两个微调螺丝。M2为可动全反射镜，背部有三个粗调螺丝。（迈克尔逊干涉仪光路图见实验展板）2.可动全反镜移动及读数   可动全反镜在导轨上可由粗动手轮和微动手轮的转动而前后移动。可动

4、全反镜位置的读数为：××.□□△△△ (mm)（1）××在mm刻度尺上读出。（2）粗动手轮：每转一圈可动全反镜移动1mm，读数窗口内刻度盘转动一圈共100个小格，每小格为0.01mm，□□由读数窗口内刻度盘读出。（3）微动手轮：每转一圈读数窗口内刻度盘转动一格，即可动全反镜移动0.01mm，微动手轮有100格，每格0.0001mm，还可估读下一位。△△△由微动手轮上刻度读出。注意螺距差的影响。 3.介绍光源的时间相干性时间相干性是光源相干程度的一种物理描述。迈克尔逊干涉仪是观察光源时间相干性的典型仪器。要得到对比度很好的干涉条纹，必

5、须考虑光源的时间相干性。时间相干性由相干时间tm来描述，定义光源的相干时间为：                                                           ΔLm为相干长度，上式表明，谱线宽度Δλ越窄，光源的单色性越好，其相干时间越大，即相干长度越长。半导体激光相干长度长，短则几厘米，长则数公里。钠光相干长度1~2厘米。白光相干长度更小，为微米数量级。 4.用钠光为光源，讲述及演示干涉仪调节方法，调出圆形干涉条纹。干涉条纹通过CCD在显示器上显示。 5.讲述及演示钠光波长测试原理及方法。在调出

6、圆形干涉条纹的情况下，转动微调手轮，移动M1，可以看到条纹由中心向外涌出（或向中心涌入），在条纹开始涌出（或涌入）时，记下M1的位置d1。再继续移动M1同时开始计数，当条纹涌出（或涌入）条纹数N为50（或100）个时，记下M1的位置d2。计算出Δd=

7、d2-d1

8、，由公式                                                    计算出钠光波长λ。测量5次取平均，并与标称值比较。  6.介绍钠黄光双谱线的波长差的测量原理和测量方法。进行演示。由于钠黄光存在强度近似相等的双谱线，干涉条纹对比

9、度与光程差近似成周期特性（干涉条纹清晰—模糊—清晰—模糊）。转动手轮，移动M1，使干涉条纹对比度为零（或最大），记下M1的位置d1。再继续移动M1，使干涉条纹对比度再次为零（或最大），记下M1的位置d2。计算出Δd=

10、d2-d1

11、，由公式                                        计算出黄光双谱线的波长差Δλ，λ取589.3nm。测量3次取平均，有效数字取三位。 7.讲述及演示“等光程”状态以及白光干涉条纹的调节方法。利用光程差增大条纹冒出、光程差减小条纹陷入的特点，调节动镜，使条纹由陷入变为冒出

12、，其临界位置即为等光程。或在视场内出现偏心条纹（条纹弯曲、圆心不在视场内），则光程差由减小到增大的过程中，干涉条纹由某一方向弯曲变成直条纹（相当于等厚干涉）再变为反向弯曲，其临界位置（直条纹）即为等光程。放入白光（不要移去钠光），慢慢