邁克耳遜—莫雷實(shí)驗(yàn)的一個(gè)直觀演示.doc

邁克耳遜莫雷實(shí)驗(yàn)的一個(gè)直觀演示I991年第14卷第2期遼寧師范大學(xué)自然科學(xué)ofr4JScienceYournalo/LiaoningNormalUniversity199IVo1.142邁克耳遜一莫雷實(shí)驗(yàn)的一個(gè)直觀演示孟進(jìn)楊銘珍(太連教育學(xué)院)(物理系)摘要夼紹了用超聲波洛埃鏡干涉的方法演示近克耳遜一奠雷實(shí)驗(yàn)的原理和方法?超聲洛螋于涉儀顯示了以太風(fēng)試驗(yàn)?關(guān)鍵詞超聲發(fā)生器,干涉方法,示波器,遼克耳遜一莫雷實(shí)驗(yàn)中圍分類號(hào)o412.10426.4由于邁克耳遜一奠雷實(shí)驗(yàn)z-在教學(xué)中占有重要地位,若能將實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本思想做一直觀的演示,對學(xué)生學(xué)習(xí)是很有益處的.本文就采用超聲波洛埃鏡干涉的方法來演示邁克耳遜一奠雷實(shí)驗(yàn)的預(yù)期結(jié)果.1原理本實(shí)驗(yàn)的基本原理如圖1所示:E為超聲波發(fā)生器D為接收器,為超聲波反射塑料板;1為直接波,2為反射波.直接波從發(fā)射器冒傳播到接收器D所經(jīng)歷的路程為d.所需時(shí)間為=ale.(1)這里C為超聲波在空氣中傳播的速度.反射波2從發(fā)射器發(fā)出經(jīng)d路程后由反射平板反射,再經(jīng)z路圖1遼克耳遜一莫雷實(shí)驗(yàn)原理圖程到達(dá)接收器冒,其所需的總時(shí)間為z一(I+2)/c.(2)因此兩列波的波程差為.Ad=f(tztj)一d】+一d.(3)通過調(diào)節(jié)平板的傾斜度可以改變d.+的幾何長度,因而根容易找到一個(gè)位置使得直接波和反射渡在達(dá)到接收器冒時(shí)產(chǎn)生相消干涉,這時(shí)若將接收器的信號(hào)輸入示波器,則在示渡器的熒光屏七顯示的波形幾乎消失,成為一條直線,此時(shí)滿足的條件為Ad=,m=0,I,2,3,(4)式中是超聲波在空氣中的波長,m為干涉波級次.(4)式考慮了由于反射波是由板反射而產(chǎn)生的位相的變化,即渡程差發(fā)生2的變化.收稿日期-19口口一O721第2期孟進(jìn)等;邁克耳遜一萋雷實(shí)驗(yàn)的一個(gè)直觀演示159為了模擬光波在以太風(fēng)中的傳播,我們采用產(chǎn)生流動(dòng)空氣的氣源MV(吸塵器或電吹風(fēng)),將其管口位于發(fā)射器和接收器D的連線ED上,用一可調(diào)變壓器RT控制其風(fēng)速的變化,這樣就使得直接波在流動(dòng)的空氣中從發(fā)射器傳播到接收器的時(shí)間為ld/(c+p).(5)式中是風(fēng)速,在發(fā)射器和接收器連線上各點(diǎn)的風(fēng)速大致相同.由于氣源管口位于發(fā)自,f器和接收器連線上,故(2)式保持不變,因而兩列波的波程差將變?yōu)閐c(2一1)=ct2一ctJ.由(5)式可得ct1=c?d/(c+)一d/(1+v/c),由于c,則d/(1+v/c)d(1一p/).故Ad=dI+d2一d+(p/c)d=+:一d+.(6)式中=v/c,(6)式是當(dāng)iSj情況下有效.由此可知,直接波和反射波的干涉條件(波程差)與風(fēng)速有很大關(guān)系.實(shí)際上,不僅在風(fēng)源管口與發(fā)射器和接收器連線一致的小范圍內(nèi)有效,甚至假定速度場在整個(gè)空間是均勻時(shí),也是有效的.同時(shí),若風(fēng)速流動(dòng)是粘滯的和風(fēng)速梯度是線性的,這種效應(yīng)也可以預(yù)期.2實(shí)驗(yàn)方法實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示,由信號(hào)發(fā)生器RC輸出的正弦信號(hào)輸入超聲聲速測定儀的發(fā)射器冒,該發(fā)射器是一壓電晶體片,其諧振頻率在3035kHz之間,接收器D也由同樣的壓電晶體片構(gòu)成.由發(fā)射器發(fā)出的超聲波通過空氣傳播到接收器D,再連接到示波器0,則在示渡器熒光屏上產(chǎn)生一正弦信號(hào).為了使該超聲波產(chǎn)生洛埃鏡干涉,在發(fā)of而.圖2超聲洛埃干涉便裝置圖射器和接收器連線的下方斜置一塊塑料平板,使得發(fā)射器發(fā)出的超聲波有一部分在該平面上反射之后到達(dá)接收器.這樣從發(fā)射器發(fā)出的超聲波的直接波和經(jīng)平板反射的反射波在達(dá)到接收器D后產(chǎn)生干涉.調(diào)節(jié)平板的螺旋y,以改變平扳的傾斜度,使得直接波和反射波之間的渡程差發(fā)生變化,從而在示波器的熒光屏上觀察到,干涉波形由相長到相消交替變化.當(dāng)調(diào)節(jié)平板斜度使得示渡器熒光屏上出現(xiàn)相消干涉(幾乎是一條直線)時(shí),如圖3所示,此時(shí),滿足(4)式,即d+.(7)160遼寧師范大學(xué)自然科學(xué)圖3相消干涉波開;第14卷一圖4相長干涉波開j明節(jié)可調(diào)變壓器RT,使風(fēng)速由零開始逐漸增大,這時(shí)在熒光屏上可觀察到信號(hào)被形逐漸變化,幅度逐漸增大,直至達(dá)到最大幅度.如圖4所示.這種現(xiàn)象,說明直接波和反射波困風(fēng)速而使得它們之間的波程差發(fā)生了變化,從相消干涉(如圖3所示的直線)到?jīng)_幾民干涉(如圖4所示的正弦波形).由此可見,風(fēng)速使直接渡和反射波之間發(fā)生了半個(gè)波睦差的變化.這個(gè)結(jié)果正是1889年邁克耳遜一奠雷實(shí)驗(yàn)所期望的以太風(fēng)的結(jié)果.然,電可以將風(fēng)速謂牟相消干涉和相長干涉之間,由此而在熒光屏上獲得一種中問大小的波形岡象.在圖4的情況下有d+2一d=(+l/2)1.(8)(8)式減(7)式得朋一2.(9)田而可以得出風(fēng)速一c/2d.(0)在實(shí)驗(yàn)巾,d為32.5cm,超聲波頻率為33.8kHz,故約為lcm,C為340m/s,由此得出風(fēng)速約為5.2m/s.當(dāng)風(fēng)速由零逐漸增大時(shí),波形最初變化得很平穩(wěn),但當(dāng)接近和達(dá)到最大值時(shí),波形出現(xiàn)顫動(dòng),圖4顯示了最大值時(shí)的波形.這時(shí),在水平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)氣源管口,使氣流與發(fā)射器和接收器連線所夾的角度不斷增大,可看到熒光屏上的波幅隨之減小,二者夾角為/2時(shí),波形恢復(fù)到原來最小值位置.這種現(xiàn)象正是斜風(fēng)效應(yīng),如所期望一樣,這種效應(yīng)隨c而減小(0為其夾角),當(dāng)日=/2時(shí),這種效應(yīng)完全消失.總之,用超聲渡洛埃鏡干涉的方法演示邁克耳遜一莫雷實(shí)驗(yàn),所用儀器大都是物理實(shí)驗(yàn)室的基本儀器,操作方便,現(xiàn)象明顯,效果顯著.參考文獻(xiàn)t姚啟鈞著,華隸師太光學(xué)教材墑寫組改編.光學(xué)教程.北京t民教育出叛祉,1982,3452K.W.FordJ陳剮等譯.經(jīng)典和退代物理學(xué)(弟四冊).北京t高等教育出版社,19831133BrchmJJ,MullitWJ.1ntroductiottotkeStructureofmatierACourseinModernPhysics.NewVkrkl0hnWiley&s045,1989=4第2期孟進(jìn)等:邁克耳遜一莫雷實(shí)驗(yàn)的一個(gè)直觀演示161AIntutiveDemonstrationofMichelsonandMorleyExperimentMeng)4niDa1iaEducatloaaICollege).yangMingzhenCDepartmentofPhysics,LiaoningNormMUnjersjty)AbstractThiSpaperhasintroduced1heprincipleandmethodofMichelson.ndMorleyexperimentwi*hthemetbodofLloydsmirrorusing*heu】trasonicwa1.re.Thcu1trasonicLloydSjnterferometerrevea1Stheetherdriftlestandinvolvesaminimumofequipmentandhanding.Keywords:ultrasonicgenerators;interferencetechniquesoscilloscope;MiehelsonandMorlevexperiment,上接第157頁一一一_,一?一-?-一StructureofNeighborofaPlanarPointO13-aSurfaceZhaoIigrui(DepartmentofMathematics,LiaoningNormalUniversity)AbstractThispaperdiscussedihestructureofneighborofaplanarpoinlonusurface】ndifferentia1geometry,aSaresultfivefollowingtypesareobtained:1)Thetypeofbow