实验5组装迈克尔逊干涉仪测量空气折射率(304).doc

实验5 组装迈克尔逊干涉仪测量空气折射率（304）一、实验目的1. 学习一种测量空气折射率的方法2. 进一步了解光的干涉现象及其形成条件3. 学习调整光路的方法二、实验仪器1、激光器； 2、二维调整架（SZ-07）； 3、扩束镜（f=15mm）； 4、升降调整座（SZ-03）； 5、三维平移底座（SZ-01）； 6、分束镜（50%）； 7、通用底座（SZ-04）； 8、白屏（SZ-13）； 9、二维调整架（SZ-07）； 10、空气室； 11、光源二维调节架； 12、二维平移底座（SZ-02）； 13、二维调整架（SZ-07）； 14、平面反射镜（SZ-18）； 15、二维平移底座（SZ-02）； 16、二维平移底座（SZ-02） ；17、平面反射镜 ；18、二维调整架（SZ-07）； 19、升降调整座（SZ-03）； 20、精密电子气压计图3.1-1 自组迈克耳孙干涉仪测量空气折射率的实物示意图三、实验原理迈克尔逊干涉仪光路示意图如图（3.1-2）所示其中，BS为平板玻璃，称为分束镜，它的一个表面镀有半反射金属膜，使光在金属膜处的反射光束与透射光束的光强基本相等M1、M2为互相垂直的平面反射镜，M1、M2镜面与分束镜BS均成450角；M1可以移动，M2固定。

表示M2对BS金属膜的虚像从光源S发出的一束光，在分束镜BS的半反射面上被分成反射光束1和透射光束2光束1从BS反射出后投向M1镜，反射回来再穿过BS；光束2投向M2镜，经M2镜反射回来再通过BS膜面上反射于是，反射光束1与透射光束2在空间相遇，发生干涉O 图3.1-2 迈克尔逊干涉仪光路示意图激光SBS12由图（3.1-2）可知，迈克尔逊干涉仪中，当光束垂直入射至M1、M2镜时，两束光的光程差为 （3.1-1）式中，和分别是路程、上介质的折射率设单色光在真空中的波长为，当 （3.1-2）时干涉相长，相应地在接收屏中心的总光强为极大由式（3.1-1）知，两束相干光的光程差不但与几何路程有关，还与路程上介质的折射率有关当支路上介质折射率改变时，因光程的相应改变而引起的干涉条纹的变化数为由（3.1-1）式和（3.1-2）式可知 （3.1-3）例如：取和，若条纹变化，则可以测得可见，测出接收屏上某一处干涉条纹的变化数，就能测出光路中折射率的微小变化正常状态（）下，空气对在真空中波长为的光的折射率，它与真空折射率之差为。

用一般方法不易测出这个折射率差，而用干涉法能很方便地测量，且准确度高四、实验内容及步骤（1）实验装置实验装置如图3.1-3所示用He-Ne激光作光源（He-Ne激光的真空波长为），并附加小孔光栏H及扩束镜T扩束镜T可以使激光束扩束小孔光栏H是为调节光束使之垂直入射在M1，M2镜上时用的另外，为了测量空气折射率，在一支光路中加入一个玻璃气室，其长度为气压表用来测量气室内气压在O处用毛玻璃作接收屏，在它上面可看到干涉条纹O图3.1-3 测量空气折射率实验装置示意图激光器G气压表HTL气室打气球（2）测量方法调好光路后，先将气室抽成真空（气室内压强接近于零，折射率），然后再向气室内缓慢充气，此时，在接收屏上看到条纹移动当气室内压强由0变到大气压强时，折射率由1变到若屏上某一点（通常观察屏的中心）条纹变化数为，则由式（3.1-3）可知 （3.1-4）但实际测量时，气室内压强难以抽到真空，因此利用（3.1-4）式对数据作近似处理所得结果的误差较大应采用下面的方法才比较合理理论证明，在温度和湿度一定的条件下，当气压不太大时，气体折射率的变化量与气压的变化量成正比：所以 （3.1-5）将（3.1-3）式代入该式，可得 （3.1-6）式（3.1-6）给出了气压为时的空气折射率。

可见，只要测出气室内压强由变化到时的条纹变化数，即可由式（3.1-6）计算压强为时的空气折射率，气室内压强不必从0开始例如，取=760mmHg，改变气压的大小，测定条纹变化数目，用（3.1-6）式就可以求出一个大气压下的空气折射率的值3）实验步骤1. 按实验装置示意图把仪器放好打开激光光源2. 调节光路光路调节的要求是：M1，M2两镜相互垂直；经过扩束和准直后的光束应垂直入射到M1，M2的中心部分1）粗调H和T先不放入光路，调节激光管支架，目测使光束基本水平并且入射在M1，M2反射镜中心部分若不能同时入射到M1，M2的中心，可稍微改变光束方向或光源位置注意操作要小心，动作要轻慢，防止损坏仪器2）细调①放入H，使激光束正好通过小孔H然后，在光源和干涉仪之间沿光束移动小孔H若移动后光束不再通过小孔而位于小孔上方或下方，说明光束未达到水平入射，应该缓慢调整激光管的仰俯倾角，最后使得移动小孔时光束总是正好通过小孔为止此时，在小孔屏上可以看到由M1，M2反射回来的两列小光斑②用小纸片挡住M2镜，H屏上留下由M1镜反射回来的一列光斑，稍稍调节光束的方位，使该列光斑中最亮的一个正好进入小孔H（其余较暗的光斑与调节无关，可不管它）。

此时，光束已垂直入射到M1镜上了调节时应注意尽量使光束垂直入射在M1镜的中心部分③用小纸片挡住M1镜，看到由M2镜反射回来的光斑，调节M2镜后面的三个调节螺钉，使最亮的一个光斑正好进入小孔H此时，光束已垂直入射到M2镜的中心部分了记住此时光点在M2镜上的位置④放入扩束镜，并调节扩束镜的方位，使经过扩束后的光斑中心仍处于原来它在M2镜上的位置调节至此，通常即可在接收屏O上看到非定域干涉圆条纹若仍未见条纹，则应按②、③、④步骤重新调节条纹出现后，进一步调节垂直和水平拉簧螺丝，使条纹变粗、变疏，以便于测量3. 测量测量时，利用打气球向气室内打气，读出气压表指示值，然后再缓慢放气，相应地看到有条纹“吐出”或“吞进”（即前面所说条纹变化）当“吐出”或“吞进”=30个条纹时，记录气压表读数值然后重复前面的步骤，共取6组数据，求出移过=30个条纹所对应的气室内压强的变化值的6次平均值4. 计算空气的折射率气压为时的空气的折射率为我们要求测量为1个大气压强时空气的折射率五、注意事项1. 点燃激光管需要几千伏直流高压，调节时不要碰到激光管上的电极，以免触电强光还会灼伤眼睛，注意不要让激光直接射入眼睛2. 严禁触摸光学仪器表面。

3. 防止小气室及气压表摔坏；打气时不要超过气压表量程4. 实验中必须保持安静，尽量避免身体触碰光学平台以及在实验台附近走动5. 如何利用对气室抽空后充气的方法测量空气的折射率？六、数据记录及处理室温15 ；大气压760mmHg；200mm；nm；30123456(mmHg)280280280280280280( mmHg)( mmHg )平均值 (mmHg)空气折射率七、思考题1、本实验能否用白炽灯作光源？2、在什么条件下产生等倾干涉条纹？在什么条件下产生等厚干涉条纹？3、试简述如何使干涉条纹的宽度变大？。